S690QL钢材焊接工艺及应用

邓凯　张春永　何镜明　张智明

摘 要：本文针对屈服强度≥690 MPa钢材S690QL的材质特点，以手工电弧焊为研究方向，对焊接热输入量和层间温度进行严格控制，采用适当的焊后热处理，制定出合理的焊接工艺，以保证焊接接头的焊接质量。

关键词：S690QL；工艺流程；工艺参数；生产应用

中图分类号：U671.8 文献标识码：A

Abstract： In view of the material characteristics of the high-tensile steel of ≥690MPa S690QL， this paper proposes the reasonable welding technology for manual arc welding by strict control of welding heat input and inter-pass temperature and proper post-weld heat treatment to ensure the welding quality of welding joint.

Key words： S690QL； Technological process； Welding parameters； Application

1 前言

随着海洋工程装备的不断发展，对于某些特殊结构或设备选用高强钢也越来越广，如特种船舶起重机底座和臂杆、科考船A字架、自升式钻井平台桩腿等。S690QL钢是一种力学性能远高于普通船用钢的高强钢，在同级别高强钢领域应用较广，但其焊接难度较大，对焊接工艺流程的控制是该材料焊接的难点和重点。

S690QL钢最小屈服强度可达690 MPa，由于该强度级别的材料是通过调质（淬火+回火）处理以保证其强度要求，而焊接过程会对热影响区的母材的性能造成一定的影响，特别是焊接热影响区的粗晶粒区域有一定的冷裂倾向，并有韧性下降的现象，以及受热时其最高温度低于Ac1线、高于钢调质处理的回火温度的那个区域会有软化或脆化的倾向。该级别的材料在常规船舶结构中很少采用，主要用于特种船舶的强受力结构，焊接难度大，技术要求高，特别是对于厚板的焊接，必须对焊接工艺参数及焊接过程进行严格控制。

2 焊接性分析

该材料的含碳量不超过0.2%，由于合金元素的强化作用，焊缝及焊接热影响区淬硬性得到提高，焊后组织均为马氏体，其转变温度点Ms较高，后续焊缝可对上一层焊缝形成的马氏体组织自动回火，组织的改善降低了冷裂纹产生的几率，使焊接过程中冷裂纹倾向减小。但焊接过程中如果热输入过于集中或冷却速度较慢，则在焊接热影响區易发生软化或脆化现象；若冷却速度过快，焊接热影响区又易发生淬硬组织，有出现冷裂纹和韧性下降的倾向。

因此，制定焊接工艺时应着重注意预热温度及层间温度的控制，同时为了提高焊接接头的抗裂性，应尽量降低焊接接头的含氢量，焊后及时对接头进行消氢处理。并采用小的线能量进行焊接，尽量减少粗晶热影响区的高温停留时间，降低奥氏体的过热长晶和稳定性，从而降低热影响区的脆化程度。

3 焊接工艺设计

3.1 焊接接头

焊接工艺评定试验采用60°的V形坡口，而工程应用中的焊接接头采用AWS D1.1推荐的坡口形式，以保证焊接操作和焊缝熔合，避免焊接缺陷的产生。

3.2 焊接方法和焊接材料

为了更好的控制焊接线能量，焊接采用小线能量的手工电弧焊；焊材的选择应综合考虑焊缝金属的韧性、强度和焊接性，为了提高焊缝的抗裂性，应采用低碳合金系数，并尽量降低焊缝金属的硫、磷杂质含量。经过试用对比，焊材选用林肯E11018M-H4焊条。

3.3 材料切割

在切割前需对材料进行均匀预热，使用电加热片或加热枪进行预热，预热温度控制在120 ℃～150 ℃区间；切割边缘必需打磨光滑平整，确保没有裂纹、缺口和其他可能影响焊接质量的缺陷；切割完成后，采用打磨或机加工的方法将切割面至少2 mm的表层去除，确保切割边缘光顺、平整。

3.4 装配及清洁处理

在装配之前，焊缝以及焊缝临近区域的所有水锈、熔渣、氧化物或其他杂质必须清理干净；在开始定位焊前，定位焊区域必须按工艺要求进行预热；定位焊严格按照焊接的工艺要求施工，同时尽量减少不必要的临时附件的点焊（如支架、支托和码板等）；定位焊烧完后，需对焊缝进行保温缓冷。

3.5 焊前预热及层间温度控制

预热主要是为了防止裂纹、降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体“自回火”作用提高抗裂性；同时，在焊接过程中要严格控制层间温度，避免层间温度过高，使800 ℃～500 ℃之间的冷却速度低于出现脆性混合组织的临界冷却速度，使热影响区的韧性下降；预热温度控制在120 ℃～150 ℃区间。预热采用火焰加热器或者电热毯，预热/层间温度检测位置在焊道两侧至少75 mm的位置，检查方法采用测温笔或测温仪测量，层间温度最高不超过200 ℃。

3.6 焊接工艺参数

焊接采用手工电弧焊，控制焊接热输入是保证焊接质量的关键，热输入的大小直接影响到焊接接头的组织和性能，应选择合适的电流、电压、焊接速度等工艺参数，以获得最佳的热输入，见表1。

3.7 焊接过程控制

（1）调试电流只能在焊接板上调试，不能在焊缝或母材上调试；焊接时引弧和熄弧要在坡口内进行，严禁在坡口以外的母材表面引弧；

（2）焊接过程中不能随意停止焊接，要保证所熔敷的金属厚度在母材厚度的2/3以上；焊接尽可能采取连续作业，若要中途停顿应做好相应的保温措施；

（3）焊接过程中要控制好焊接速度，确保焊接厚度不太厚或太薄；焊道不要过宽，严禁超过焊条直接的2.5倍；endprint

（4）为避免应力集中，每层焊道的断点位置应间隔50 mm，在焊接下一道焊缝前必须仔细打磨焊道边角处以确保不会有夹杂、咬边和气孔；

（5）每道焊缝完成后在下一道焊缝开始前必须对焊缝进行外观检查，任何不规整的地方都要用打磨或其他的手动工具清理干净，避免后期补焊返修。

3.8 焊后热处理

焊接结束后，采用电加热毯在焊缝两侧150 mm范围内进行后热处理，温度控制在220 ℃～250 ℃，保温时间2小时，以减少焊接接头的扩散氢的含量，降低焊缝的脆性，提高接头的综合性能，处理完成后，对焊缝区域进行缓冷。

3.9 无损检验

焊接完成72小时后对试件进行NDT检验，包括焊缝外观检查、磁粉检测、超声波检测或射线检测等

4 力学性能检测结果与分析

无损检验磁粉检测和射线检测结果显示，未发现超标的焊缝缺陷，检验结果合格；

无损检测后按照英国劳氏船级社的要求进行破坏性实验，拉伸实验结果焊接接头的抗拉强度为835 MPa / 860 MPa，高于最低770 MPa的要求；

焊接接头的弯曲试样经过180o的弯曲试验后，未发现缺陷或开裂，焊接接头的塑性满足要求；冲击试验结果均大于30 J的技术要求，焊接接头的冲击性能满足要求；

韦氏硬度（HV10）检测结果均未超过420（HV10），满足接头的使用要求。

通过上述严格的工艺程序，在已完成的大型起重船“莱韋冠军”轮基座、克令吊臂杆以及科考船A架等项目，产品经过试验，所有焊缝均未发现任何裂纹现象及其他缺陷，满足了标准和设计文件要求。

5 结论

经过实际应用表明，该工艺采用手工电弧焊对S690QL钢板进行焊接，焊材匹配得当，焊接工艺切实可行，通过严格地执行焊接工艺，能够满足产品的质量要求，同时手工电弧焊操作性强、便于控制，适用于项目的改装和维修。

参考文献

[ 1 ] 陈祝年.焊接工程师手册[M].机械工业出版社， 2002.

[ 2 ] EN 10025-6， 2004[S].

[ 3 ] Lloyd' s Register Rules and Regulations 2015[S].endprint