提高HG785高强钢焊接接头强度的试验研究
2017-06-07覃剑王作华侯国清
覃剑，王作华，侯国清
提高HG785高强钢焊接接头强度的试验研究
覃剑，王作华，侯国清
（广西柳工机械股份有限公司，广西柳州545007）
HG785属于低碳调质钢，相当于GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》标准中的Q690低合金高强度结构钢，抗拉强度770 MPa¯940MPa，在工程机械行业中常用于臂架的结构。本文利用混合气气体保护焊方法，采取不同的焊接工艺参数对HG785高强钢进行焊接，进而得到不同的焊接接头。对这些焊接接头的强度进行研究与分析，结果表明适宜的焊接热输入和t8/5时间才能获得合适强度的焊接接头，试验对于指导高强钢的焊接工艺设计有重要的参考意义。
HG785；高强钢；热输入；t8/5时间
低合金高强度结构钢（以下称高强钢）是工程机械结构件轻量化的重要手段之一，通过使用高强钢代替普通结构钢，可以使工程机械的工作装置减少对自身重量做功，从而降低产品的能耗。工程机械行业采用的高强钢通常为低碳调质钢，其以调质状态交货，具有良好的综合力学性能和较好的加工性能，深受工程机械公司的青睐。
HG785钢是武汉钢铁股份有限公司生产的低碳调质钢，应用于本公司某新产品的结构件上。有研究表明，高强钢焊接接头的力学性能主要取决于焊接工艺参数，合适的焊接接头强度对于提高焊接结构的使用寿命具有积极的作用。因此，研究HG785高强钢的焊接工艺参数对焊接接头强度的影响，可以指导实际生产中焊接工艺参数的制定，进而提高焊接结构乃至产品整机的使用寿命。
1 HG785钢简介
HG785相当于GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》标准中的Q690钢[1]，该钢的力学性能如表1所列。
表1 Q690钢力学性能
待试验的HG785钢板的材质证明书中的力学性能如表2所列。
表2 HG785材质证明书中的力学性能
国家标准及材质证明书中的数据表明，HG785的抗拉强度可达到860 MPa.按照JB/T 6963《钢制件熔化焊工艺评定》标准中的要求：焊接接头拉伸试验的抗拉强度，不得低于母材的最低定值[2]，因此，HG785钢焊接接头抗拉强度至少应＞770 MPa.
2 试验方法
试板焊接：对HG785钢板的焊接采用熔化极气体保护焊方法，气体成分80%Ar+20%CO2，坡口形式采用带垫板的单边V形坡口，焊接位置为平位置，焊丝直径1.2 mm，选择JM110（ER76-G）和JM120（ER83-G）焊丝，并选择不同的焊接参数分别进行3种焊接试验，最后再对焊接接头分别进行拉伸试验和硬度试验，分析不同焊接参数对HG785钢焊接接头强度的影响。
（1）1#试板焊接参数
1#试板使用JM110焊丝，焊接参数选择工厂焊接普通低合金钢常用的焊接参数，每一层之间连续焊接，不变热，不控制层温，焊接参数如表3所列，焊接坡口参数及层数如图1所示。
表3 1#试板焊接参数
图1 1#试板接头及层数
（2）2#试板焊接参数
2#试板使用JM110焊丝，焊接过程中，使用比1#试板较小的焊接电流、焊接电压、较高的焊接速度参数，不预热，严格控制层温，保证层间温度≤130℃，焊接参数如表4所列，焊接坡口及层数如图2所示。
表4 2#试板焊接参数
图2 2#试板接头及层数
（3）3#试板焊接参数
3#试板的焊接采用与2#试板一致的焊接参数，如表5所列，但是使用JM120焊丝。
表5 3#试板焊接参数
3 试验结果及分析
（1）拉伸试验结果
从上述3次试验的试板中制取拉伸试样，进行拉伸试验，试验结果如表6所列。
表6 3次焊接接头抗拉强度
1#试板的焊接接头抗拉强度＜770MPa，且均断裂在焊缝上，不符合JB/T 6963标准的要求。低碳调质钢由于碳化物的积聚长大而使钢材软化，受热温度越接近AC1的区域，软化越严重[3]。1#试板的焊接热输入过大，t8/5时间过长，焊接接头在高温时间停留时间过久，最终造成了焊接接头热影响区的软化。
2#试板的焊接接头抗拉强度＞840 MPa，50%的试样断裂在焊缝上，50%的试样断在母材上，符合JB/T 6963标准的要求。每种低碳调质钢都有各自的最佳t8/5时间，才能使热影响区具有良好的性能和韧性[3]。2#试板焊接时，严格控制焊接热输入在1.1～1.9 kJ/mm，t8/5时间控制在5～16 s，因此，2#试板的t8/5时间正确合理，接头未出现热影响区的软化现象。
3#试板的焊接接头抗拉强度＞848MPa，拉伸试样均断在母材上，符合JB/T 6963标准的要求。这是因为3#试板焊接时，采用JM120（ER83-G）的焊丝，该焊丝本身强度较高，同时，又严格控制焊接热输入和t8/5时间，使得焊接接头强度大大超过母材，断裂只能发生在母材上。
（2）硬度试验结果
由于第1次焊接试验出现了焊缝软化现象，因此，不再进行硬度试验。仅对第2和第3次焊接试板进行焊接接头的硬度试验。
2#试板焊接接头硬度分布如图3所示，母材硬度约26 HRC，而焊缝区硬度可达38 HRC，同时，靠近盖面层的外层焊缝硬度较高，中间层和打底层硬度较低，各层不同区域的硬度平均值差异如表7所列。
图3 2#试板接头硬度分布
表7 2#试板接头硬度统计/HRC
3#试板焊接接头硬度分布如图4所示，焊缝区硬度较母材区硬度高，与2#试板接头基本一致，但是，3#试板各层硬度相差不大，中层和底层均高于2#试板接头，各层不同区域的硬度平均值差异如表8所列。
图4 3#试板接头硬度分布
表8 3#试板接头硬度统计/HRC
对2#和3#试板的接头硬度数据进行分析：
硬度分布：最外层焊缝＞打底层焊缝＞中间层焊缝。原因：打底层焊缝焊接时无预热，因此冷却速度比中间层焊缝快，使得硬度比中间层硬度较高，但是中间层焊缝对打底层焊缝有再次热处理的效果，因此打底层焊缝硬度小于最外层焊缝；最外层焊缝缺乏后一层焊缝对其进行热处理，因此硬度最高；中间层焊缝焊接时具有层温，且又被后一层焊缝再次热处理造成软化，因此硬度最小。
采用JM110焊丝时，虽然最外层焊缝区硬度比母材高得多，但中间层和打底层焊缝的硬度相对较软，与母材相近，而采用JM120焊丝时，中间层和打底层焊缝的硬度与母材硬度差异较大，因此，从降低应力集中的角度考虑，JM110焊丝更适用于HG785钢的焊接。
4 结束语
（1）采用JM110焊丝对HG785高强钢进行焊接，可以得到强度与母材相近的焊接接头，根据不同的焊接热输入和t8/5时间，焊接接头的抗拉强度在760～850MPa之间波动。
（2）进行HG785高强钢焊接时，应严格控制焊接热输入和t8/5时间，t8/5时间在5～25 s之间为宜，对焊接热输入的控制主要在于对焊接电流、焊接电压、焊接速度、预热、层间温度等焊接工艺参数的控制。
[1]GB/T 1591-2008，低合金高强度结构钢[S].
[2]JB/T 6963-1993，钢制件熔化焊工艺评定[S].中国国家标准化管理委员会.2008.
[3]陈祝年.焊接工程师手册[M].2版.北京：机械工业出版社，2009.
Experimental Study on Improving the Strength of Welded Joint of HG785 High Strength Steel
QIN Jian，WANG Zuo-hua，HOU Guo-qing
（Liugong Machinery Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China）
HG785 belongs to low carbon quenched and tempered steel.It is low alloy high strength structural steel equivalent to Q690 of GB/T 1591-2008“low alloy high strength structural steel”standard.The tensile strength of HG785 is 770Mpa～970Mpa，and it is used for the boom structural in engineering machinery industry.This paper introduce the research and analysis on the different tensile strength of HG785 welded joints what is welded by using the mixed gas shielded welding method with different welding parameters.The results show that suitable welding heat input and t8/5 time can obtain the appropriate strength of welded joints.It has important reference significance to guide the design of welding process of high strength steel.
HG785；high strength steel；heat input；t8/5 time
TG441
A
1672-545X（2017）02-0189-03
2016-11-21
覃剑（1980-），男，广西柳州人，本科，主管工程师，主要从事焊接工艺工作；王作华（1975－），男，广西宾阳人，本科，高级主管工艺师，主要从事结构件工艺工作；侯国清（1982－），男，河北献县人，博士，技术专家，主要从事结构件焊接相关工作。
