Q690E低合金高强钢MAG焊接工艺研究

2017-11-10

焊接 2017年9期

(江苏海事职业技术学院，南京 211170)

刘军华

(江苏海事职业技术学院，南京211170)

采用KOBELCO型机器人离线编程方法，远程控制单丝焊接系统，使用焊材MG-S88A对Q690E低合金高强钢进行MAG焊接试验。通过对Q690E焊接性分析，合理设计焊接工艺，严格控制焊接关键因素，解决了Q690E高强钢焊接接头韧性低的问题。结果表明，KOBELCO型机器人MAG焊接方法适用于Q690E的焊接。根据标准对焊接接头力学性能进行检测，焊接接头弯曲和拉伸性能符合检测标准要求，焊缝中心、熔合线、熔合线+2 mm、熔合线+5 mm冲击吸收能量在-40 ℃条件下均大于69 J。

低合金高强钢机器人焊接中厚板焊接力学性能

0 序言

低合金高强钢Q690E因其优良的强韧性匹配被广泛应用到工程机械、港口机械、海洋平台、锅炉和船舶的使用上，不仅可以增加结构的强度和减轻自重，而且能够显著降低总成本[1]。

传统焊接方法采用焊条电弧焊，焊接时采取先焊接正面坡口、反面碳弧气刨清根、打磨、探伤、再预热、背面焊接等制作工艺。传统工艺工序复杂、稳定性差、一次焊接合格率低、劳动强度大且生产周期长。因此，寻找焊接机器人自动化生产成为当务之急。所以，迫切需要解决Q690E低合金高强钢机器人MAG焊接工艺在焊接自动化生产的应用[2]。

文中针对Q690E中厚板焊接要求，采用KOBELCO机器人MAG焊接系统进行焊接试验研究，探索影响Q690E焊接性的关键因素，总结焊接工艺规律，为实现Q690E焊接自动化生产提供工艺借鉴[3]。

1 焊接材料及设备

1.1 焊接材料

试验母材为低合金高强钢Q690E，填充材料为MG-S88A实心焊丝，焊丝直径为φ1.2 mm，保护气体为82%Ar+18%CO2，气体流量20 L/min。母材与焊材的化学成分及力学性能见表1～2。焊接试板尺寸为：500 mm×200 mm×60 mm，坡口形式如图1所示。

图1 工件示意图

1.2 试验设备

焊接设备为KOBELCO型机器人单丝焊接系统，焊接电源为AB500脉冲电源，如图2所示；焊接系统采用离线编程方法进行远程示教，离线编程界面如图3所示。

图2 试验设备及工件

图3 离线编程界面

类别CSiMnCrMoNiSPQ690E0.130.281.280.520.592.360.0080.010MG-S88A0.070.401.200.080.723.120.0020.005

表2 Q690E与MG-S88A熔敷金属力学性能

2 试验方法与焊接工艺

2.1 试验方法

试验采用KOBELCO机器人单丝MAG焊，焊接位置为PA，焊前进行预热，预热温度T为150 ℃，焊后保温热处理2.5 h×200 ℃。

2.2 焊接工艺

试验采用单丝焊接，共有15层41道。打底焊接时，焊丝指向坡口根部中心位置，确定焊枪角度基准。焊接过程中每道焊接参数、焊接线平移均在机器人数据库中编辑，避免每道焊接进行示教，提高焊接效率。焊接参数见表3。

表3 焊接工艺参数

3 焊接关键因素控制

Q690E焊接工艺区间比较敏感，需要合理调整焊接工艺进行焊接。根部焊缝质量控制、焊层厚度控制、T8/5冷却时间、确定送丝速度与弧长匹配关系是提高Q690E焊接接头焊缝质量的关键因素。

3.1 根部焊缝质量控制

焊材、母材、垫板属于三种不同的化学元素体系。为了降低根部熔合比，保证根部焊接接头力学性能的稳定性，打底时电流控制在270～280 A。焊接根部前4层时，需要控制摆宽和焊接速度，防止侧壁熔合不良；控制送丝量和焊接热输入，保证根部焊缝中心冲击韧性达到要求。实际生产为了节省焊接材料，控制生产成本，焊接Q690E时要求采用单边V形30°坡口，间隙10 mm。喷嘴-坡口示意图如图4所示。

3.2 焊层厚度控制

根据文献记载[4-5]，适用于焊接Q690E的热输入范围需要控制在12～18 kJ/cm。但是经过试验数据分析，仅仅控制热输入并不能达到符合Q690E焊接接头力学性能要求。其中，根部前4层焊接时热输入可控制在14～16 kJ/cm范围内；填充焊接时，热输入比较容易控制，最佳范围在13～15 kJ/cm。当焊层厚度控制在合理范围之内，可获得力学性能优良的焊接接头。具体焊道排布方式如图5所示。

图4 喷嘴-坡口匹配示意图

3.3 确定送丝速度与弧长的匹配关系

焊接过程的稳定性是获得质量优良焊缝的必要条件。为了保证电弧稳定，减少焊接过程飞溅，需要确认弧长-送丝速度-焊丝伸出长度之间的匹配关系。弧长过短会导致侧壁熔合不良，致使熔合区冲击吸收能量产生低值；弧长过长会影响焊枪气体保护效果，焊缝中N含量增加，产生氮化物，同样会降低焊缝冲击韧性。控制送丝速度并根据送丝速度确定电弧电压是提高Q690E焊接接头冲击吸收能量的因素之一。

图5 60 mm厚Q690E焊道排布方式

4 试验结果分析与讨论

试验预热温度为150 ℃，层间温度为150 ℃，焊后在200 ℃下保温2.5 h进行后处理。按照标准AWS D1.1/D1.1M—2010进行工艺评定检测，对焊接接头进行显微组织观察分析，同时对试验件进行拉伸、侧弯、冲击等力学性能试验，并测定不同区域的显微硬度。

4.1 焊接接头金相分析

焊接接头显微组织分析如图6所示。图6a的焊缝组织为贝氏体+铁素体；图6b和图6c的熔合区组织与焊缝组织有很大区别，熔合区粗晶区组织为低碳马氏体+贝氏体；图6d的母材组织为回火索氏体。

4.2 拉伸、弯曲和冲击性能

4.2.1 拉伸性能

根据检测标准要求，拉伸试验选取试样需要覆盖焊件的全厚度，每个试样在厚度方向取样4件，每件约为12 mm。经过拉伸试验检测，抗拉强度均值为840 MPa，试样断裂形式均为母材-韧断。这说明焊接接头的强度要高于母材，拉伸试验数据见表4。

4.2.2 弯曲性能

弯曲试验可以测定材料承受弯曲载荷时的力学性能。检测不同位置的4组侧弯试验，压头直径为63.5 mm，侧弯角度为180°，试验结果见表5。

经过试验检测，焊接接头均无裂纹产生，表明焊接接头具有良好的塑性，证明焊接工艺可行。

图6 Q690E焊接接头显微组织

试件编号抗拉强度Rm/MPa断裂位置1841母材/韧断2863母材/韧断3805母材/韧断4852母材/韧断

表5 弯曲试验

4.2.3 冲击性能

低温冲击吸收能量是检测低合金高强钢Q690E焊接接头质量的重要条件。根据要求，冲击试样取样位置如图7所示，去除上、下表面2 mm后取样，取样位置为焊缝(WC)、熔合线(FL)、距熔合线2 mm(FL+2 mm)、距熔合线5 mm(FL+5 mm)，每组各取3件。

图7 取样位置图

冲击试样加工为55 mm×10 mm×10 mm标准试样，焊接接头在-40 ℃低温条件下开V形槽，冲击吸收能量均大于69 J。冲击试验结果见表6。

表6 焊接接头冲击试验结果

Q690E焊接接头冲击韧性在焊缝中心位置最薄弱，焊缝韧性较低是因为高强钢焊材难以保证其熔化后自身低温韧性的稳定性。但通过调整焊接工艺，控制焊接热输入，尤其在焊缝根部控制焊接速度和焊接电流，保证根部焊缝韧性。在多层多道焊接条件下，需要尽量保证侧壁热输入一致；熔合线、熔合线+2 mm和熔合线+5 mm位置冲击吸收能量高于焊缝冲击吸收能量。总体来说，焊接接头冲击吸收能量符合检测标准。

4.3 显微硬度

对焊接接头进行显微硬度检测，检测位置为距离上、下表面2 mm，如图7所示。检测点顺序为母材-直边热影响区-焊缝-斜边热影响区。检测结果如表7所示，热影响区位置硬度较高，其主要原因是工件较大，热影响区位置散热较快，在快速冷却条件下易形成淬硬组织，且上表面热影响区硬度值要高于下表面热影响区。