HG785D高强板超长矩形截面梁焊接工艺技术研究

马殿响 任锦萍 张中元 李臣达 吴春德 杨 会



HG785D高强板超长矩形截面梁焊接工艺技术研究

马殿响 任锦萍 张中元 李臣达 吴春德 杨 会

（长治清华机械厂，长治 046012）

为适应轻量化的同时保证产品结构的强度要求，臂体横梁采用钢板折弯成槽型件后拼焊而成。通过改进焊接工艺方法及焊接工艺参数，实现矩形截面梁单面焊双面成形，并经过100% X射线探伤检测，一次交验合格率达100%。

HG785D高强板；矩形截面梁；单面焊双面成形；富氩混合气体保护焊

1 引言

HG785D板是国内新研制的一种高强度焊接结构用钢板，该材料机械性能优越，品种规格多，适合使用在各类军民用产品高强度结构件中，常用于各种类型高强度承力焊接结构件。目前，HG785D板在国内市场处于推广应用阶段，现在市场对产品承载大、重量轻的结构件需求日益增加，高强度板应用前景广阔。

某型号产品研制生产中，其关键承载结构件为臂体，为满足高强度、高抗弯性、高抗扭性、高可靠性、轻质化等要求，设计采用了武钢公司生产的HG785D低合金高强度焊接钢板作为该起竖臂的主要材料，目前该种材料主要适用于卡车底盘、液压支架、移动式起重机和建筑工程机械等方面。HG785D钢板执行标准为武钢企标WJX（RZ）159—2008高强度焊接结构用钢HG785供货技术条件》。

2 材料性能及焊接工艺方法研究

2.1 材料性能

HG785D钢板化学成分及力学性能见表1、表2。可以看出，HG785D为抗拉强度≥785MPa的低合金高强度结构钢，此种钢材是在低碳钢的基础上，加入多种合金元素以提高其淬透性，并经调质处理后获得高强度、韧性好的板条状马氏体和粒状贝氏体，因而具有优良的综合力学性能。当下焊接技术领域中，此种钢材存在以下焊接难点：HAZ软化、脆化以及焊接冷裂纹。然而正是由于HG785D钢板为低合金焊接高强度钢板，因而其表面变形后不能采用热校正的方法，否则会降低板材强度。又因为HG785D钢板具有良好的综合力学性能，使其抗变形能力也更强，给板材的冷校平带来了很大的困难。

表1 化学成分 Wt%

表2 力学性能要求 Wt%

2.2 矩形截面梁拼焊技术要求及焊缝等级

某型号臂体结构主要由左右下横梁、左右上横梁、左右回转支耳、前支撑、起竖支撑、后支撑以及上下横梁之间的斜撑等构成。其中关键受力件为左右下横梁和左右上横梁，该横梁为矩形截面梁（200mm×100mm）、长度8～9m、材质HG785D、板厚4mm，由于市场上没有该类材质的型材，只能采用钢板折弯成槽型件后拼焊而成，其拼接位置及坡口要求如图1所示。

图1 横梁截面拼接位置及坡口尺寸

设计要求横梁拼接焊缝等级为QJ176A—1999《地面设备熔焊通用技术条件》中I级，焊后进行100%X射线探伤，且焊后要求横梁全长直线度≤3mm。

2.3 焊接接头缺陷等级要求

2.3.1 外部缺陷

表3 错边

QJ176A—1999《地面设备熔焊通用技术条件》焊缝接头缺陷——外部缺陷：错边、咬边、未焊透、裂纹、未熔合、焊瘤及电弧击伤痕迹、表面气孔、夹渣、夹钨及夹杂物。其中I级焊缝不允许存在咬边、未焊透、裂纹、未熔合、焊瘤及电弧击伤痕迹、表面气孔、夹渣、夹钨及夹杂物，错边要求如表3所示。

2.3.2 内部缺陷

QJ176A—1999《地面设备熔焊通用技术条件》焊缝接头缺陷——内部缺陷：裂纹、未熔合、气孔、夹渣、夹钨及夹杂物、圆形缺陷等。其中I级焊缝内部不允许存在裂纹、未熔合，内部气孔、夹渣、夹钨及夹杂物、圆形缺陷等具体要求如表4、表5、表6、表7所示。

表4 焊接接头内部气孔、夹渣、夹钨及夹杂物

表5 焊接接头内部细小密集性气孔、夹渣、夹钨及夹杂物

表6 圆形缺陷

表7 缺陷点数与缺陷直径换算值

注：透视照片上任何10mm×30mm焊缝区域内各缺陷直径换算成点数的总和；圆形缺陷的直径应小于或等于母材厚度的一半，但最大不超过8mm。

2.4 焊接方法及焊材选择

HG785D根据其力学性能及焊接特点，可归类于低碳调质钢。根据相关焊接技术及手册显示，低碳调质钢由于其淬透性大、冷裂纹敏感系数大，在HAZ的粗晶区容易形成低碳马氏体组织，但是该类马氏体组织的Ms点转变温度较高，焊缝金属冷却过程中，其中生成的马氏体组织发生“自回火”效应，减小了焊缝金属的冷裂纹倾向。故低碳调质钢焊接时存在以下问题。

a.焊后冷裂纹和焊缝金属韧性下降倾向。产生位置位于HAZ及HAZ的粗晶区；

b. HAZ软化或脆化倾向。产生位置位于HAZ受热源加热但未完全奥氏体化的区域，以及当HAZ受热源加热时其最高温度低于Ac1临界转变温度线而高于钢的调质热处理回火温度的区域。

根据相关资料分析显示，HAZ软化源于母材金属被加热到回火温度至Ac1的温度区间，其金属内部碳化物积聚长大而使钢材软化。HAZ的脆化源于焊接冷却过程中，在800～500℃的区间温度内，焊缝金属的冷却速度过慢而导致焊缝金属中形成B上组织和M-A的混合脆性组织。

图2 CO2气体保护焊t8/5=11s时所推荐的预热温度及热输入

表8 SLD-80焊丝化学成分

表9 SLD-80焊丝熔敷金属力学性能

综合以上因素以及实际生产能力，按8/5=11s时所推荐的预热温度及热输入，得到焊态下与母材接近的力学性能，以及综合性能及成本要求，采取“等强匹配”原则，焊接方法采用手工钨极氩弧焊打底+富氩混合气体保护焊（气体配比80%Ar+20%CO2）盖面的工艺方法，焊丝选用SLD-80（SLD/ZY-GJ-10-36）。该焊丝化学成分及熔敷金属力学性能见表8、表9。

3 焊接工艺参数选择

3.1 焊接工艺方法确定

该横梁工艺流程如图3所示。研制初期，该横梁折弯工艺中，考虑到整体折弯后两槽型件对扣拼接时将会产生错边量，拼焊完成后横梁焊缝质量存在风险，槽型件宽度未成形下料。因此为保证槽型件对扣拼接时，严格控制错边量，槽型件整体折弯后采用机加工方式加工高度50mm以及两侧35°坡口，保证对接面错边量及直线度等要求。

槽型件对接组装时，采用刚性固定法并在横梁中间部位焊缝截面上采取反变形措施。由于母材为HG785D高强板，为保证焊缝金属强度与母材匹配，焊丝选用山东索立得焊材有限公司生产的SLD-80（SLD/ZY-GJ-10-36）。为验证所选焊接工艺方法的合理性——钨极氩弧焊打底+富氩混合气体保护焊（气体配比80%Ar+20%CO2）盖面，增加二氧化碳气体保护焊工艺试验，焊后采用X射线探伤，判定二者焊缝等级合格率以及焊缝缺陷数量。

图3 横梁工艺流程图

3.2 焊接试验

经过采用两种焊接工艺方法及焊接设备——气体保护焊设备：Panasonic YD-500FR；钨极氩弧焊设备：Panasonic YC-400TX，对横梁焊缝进行施焊，焊后100%外观质量检测及X射线探伤检测。焊接工艺参数如表10所示。

表10 焊接工艺参数

3.2.1 实验1

焊接方法：CO2气体保护焊；焊缝外观质量：经目视及十倍放大镜检测，此焊缝表面成形差，弧坑、咬边以及飞溅等杂质多，焊缝背面成形差，见图4。X射线检测结果：焊缝根部有未熔合、焊缝内部气孔等缺陷。

图4 焊缝1

3.2.2 实验2

焊接方法：钨极氩弧焊+富氩混合气体保护焊（80%Ar+20%CO2）；焊缝外观质量：经目视及十倍放大镜检测，由于焊接工艺参数偏大，焊后焊缝背面烧穿而出现焊瘤、焊缝表面成形差，见图5。X射线检测结果：焊缝背面存在焊瘤等缺陷，内部存有少量气孔。

图5 焊缝2

3.3.3 实验3

图6 焊缝3

焊接方法：钨极氩弧焊+富氩混合气体保护焊（80%Ar+20%CO2）；焊缝外观质量：经目视及十倍放大镜检测，在实验2的基础上调整工艺参数后，焊缝表面成形优良，背面无焊瘤等缺陷，见图6。X射线检测结果：焊缝符合QJ176A中I级要求。

实验结果对比表明，采用手工钨极氩弧焊打底+富氩混合气体保护焊（气体配比80%Ar+20%CO2）盖面的工艺方法能够保证焊缝质量要求，且工艺参数合理、焊缝成形优良。

4 结束语

通过改进焊接工艺方法，合理选择焊接工艺参数，实现了HG785D高强板超长矩形截面梁拼接焊缝单面焊双面成形，有效地解决了该型号研制生产难点，焊缝等级达QJ176A—1999《地面设备熔焊通用技术条件》中I级，焊缝经过100%X射线探伤，合格率达到100%。

1 陈祝年. 焊接工程师手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002

2 朱政强. 强度匹配对低合金高强钢焊接接头断裂行为影响的综合研究[D]. 天津：天津大学，2002

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4 胡新阳，李红涛，宋绪丁. HG785D钢在不同焊接工艺下的焊接接头疲劳裂纹扩展研究[J]．热加工工艺，2015，44(9)：31～33

5 郭宝军，于鹏，张泽，等. HG785D高强钢焊接工艺研究[J]. 金属加工（冷加工），2016(S1)：981～983

6 陈建武. 强度匹配对HG785钢焊接接头力学性能影响的研究[J]. 热加工工艺，2016，45(17)：201～204

7 周振丰. 焊接冶金学（金属焊接性）[M]. 北京：机械工业出版社，2000

8 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册·第2卷[M]. 北京：机械工业出版社，2007

Experimental Study on Weldability of HG785D Long-high Strength Steel Rectangular Section Beam

Ma Dianxiang Ren Jinping Zhang Zhongyuan Li Chenda Wu Chunde Yang Hui

(Changzhi Qinghua Machinery Factory,Changzhi 046012)

In order to adapt to the structure’s requirement of light-weight and strength, the steel plate is bent to groove part and then welded to the rectangular section beam. By improving the welding technology and welding parameters, the one side welding with back formation is achieved for the rectangular section beam. And the 100% X ray flaw detection showed that the passing rate of one time inspection reached 100%.

HG785D high strength steel；rectangular section beam；one side welding with back formation；rich argon mix gas shielded arc welding

马殿响（1990），工程师，机械设计制造及其自动化专业；研究方向：大型结构件焊接及机械加工工艺研究。

2017-07-31