高强度低合金板焊接研究

陈 静

（安徽博微长安电子有限公司，安徽 六安 237000）

1 低合金高强钢的焊接特点

低合金高强度钢不仅强度高，而且具有良好的塑性和韧性。因此，广泛应用于工程焊接结构，在工程中越来越受关注。国内外关于低合金强度的学者研究了钢的焊接性，包括焊接强度和韧性的匹配，焊接工艺特性，焊接裂纹感受性，焊接金属和热影响部分的微观结构和性质。低合金淬火高强度钢的碳含量在0.18%以下，其焊接性比中碳淬火钢好。

在具有800MPa 或更高拉伸强度的低合金淬火高强度钢中，HAZ（尤其是粗粒HAZ）倾向于产生冷间裂纹并降低韧性。焊接后不需要热处理的焊接，需要严格控制焊接部的扩散性氢的含量，选择适当的焊接方法和焊接工艺参数。低碳含量，硫，磷杂质的严格控制，低淬火淬火高强度钢的高温裂纹倾向很小。这种钢主要通过淬火和回火来强化。受焊接热循环的影响，低碳淬火钢的热影响部分可能存在脆化和软化现象。强度等级越高，软化现象就越明显。因此，根据母材的化学组成、结构式、要求性能，可以合理选择焊接方法和焊接材料。另外，如果通过淬火回火获得低合金高张力钢的强化效果，则容易受焊接热循环的影响，有时会在热影响部发生脆化和软化。强度等级越高，软化现象就越明显。

因此，在低合金淬火高强度钢的焊接中应该解决的课题是，防止冷间裂纹，根据高强度的要求提高焊接金属和HAZ 的冲击韧性。为了消除裂缝，使焊接效率最大化，通常采用金属惰性气体焊接（MIG）和活性气体焊接（MAG）等半自动机械焊接。另外，严格限制焊接线的能量，不会超过焊接热影响部的冷却时间。同时，焊接不应使用大口径电极或焊接线，应尽量采用多层化、多路径焊接。对于低合金淬火高强度钢的热影响部的软化现象，应采用熔接后的再加热、回火的对策，对于焊接后不进行热处理的部件，焊接时对母材的焊接入热的影响应受到严格限制。

在焊接低合金高强度钢时，选择合理的焊接工艺和规范，并进行公式化是非常重要的。焊接方法的影响很大。为了确保焊接过程的稳定性和所需的焊接形状和尺寸，可以根据结构部件的特性和形状来调整适当的焊接热循环和工艺，以获得高品质的焊接接头。对于具有较高热敏性和较低固化倾向的其他钢，焊接规范必须更小。除较小的焊接规格外，还进行焊接前的预热、焊接后的热保存、缓冷处理。一般来说，预热温度可以由钢的碳当量、冷裂感受性指数和热影响部的最大硬度值来决定。一般来说，预热温度为500℃，所以在部件的刚性大的情况下，可以适当地增加预热、层间温度，但一般可以在300℃以下。焊接后的热处理可以根据产品的使用条件来决定。在强度等级6b ＞0.5中，一般在焊接后的时间进行热处理以除去焊接残余应力，加速焊接部和热影响部的氢逃，改善焊接部附近的金属组织。预热和后热处理的方法可以根据结构部件的形式、尺寸和各条件来确定。一般有电炉，火焰加热，远红外线加热。如果预热和热处理后不方便，也可以使用铝硅酸盐绝缘焊接工艺。该工序使用铝硅酸盐进行单面、双面和低温预热和热保存，以在焊接后的焊接和热处理前达到预热的相同效果。这是由于焊接部的冷却时间增加，硬化倾向降低，产生冷间裂纹的倾向。

由于高强度钢的切口感受性，焊接部变得容易破裂，成为限制其开发和应用的重要问题。据统计分析，建筑机械焊接结构的通用故障模式是疲劳破坏，脆性破坏，过载破坏，冷间裂缝等，裂缝引起的结构破坏事故占总破坏事故的70%以上80%。根据文献统计，焊接结构的90%是疲劳断裂。根据国际焊接学会（IXW）的XIII 委员会的调查，由于疲劳引起的金属结构故障，占故障结构的约90%。测试结果表明，屈服强度大于高强度钢板的应力集中灵敏度提高，大大降低了屈服强度的有效性。由于高强度钢对应力集中的敏感性高于低强度钢，所以高强度钢焊接结构的综合性能比低处理钢的情况低。近年来，开发二次精炼、真空脱气、压力淬火等技术，特别是在冶炼和压延热处理中，为开发计算机自动控制技术的广泛应用焊接结构提供了重要的技术保证。另一方面，高效焊接方法，焊接工序，焊接接头部的性能（特别是冲击韧性）有很高的要求。在选择焊接材料时，欧美、美国等国最初使用的焊接材料强度比母材低。但是，焊接焊缝的根，t 接头和圆周对焊和纵向焊接的框架连接中发现了焊接裂纹。通过调整钢的组成，很难完全解决焊接裂纹问题。焊接材料和焊接工艺的正确选择可以解决这个问题。对于使用具有低强度、高塑性、韧性的焊接材料来减少和防止焊接裂纹是有效的。

2 低合金高强钢组织性能研究

低合金高强度钢的焊接金属的最终微观结构是复杂的。焊接金属的化学组成对微观结构转变有重要影响。合金元素的适当含量有助于改善微观结构和组成并改善焊接金属的机械性能。熔体池的熔融温度和奥氏体化条件在奥氏体粒度中起决定性作用，并且在800℃～1300℃下的奥氏体化过程对共沉淀铁氧体有很大的影响。小的冷却速度促进扩散相转变，增加了晶界铁氧体网状尺寸和针状铁氧体的比例。不同的焊接热循环也可能引起焊接金属不同的微观结构。由于低合金钢和高强度钢的原因，碳和合金元素的含量相对较低，焊接金属中的铁氧体的比例较大。

拉伸强度500mpa 至1000mpa 的低合金高强度钢焊接金属组织的电子衍射分析表明，在低合金高强度钢的焊接金属中存在m-a 结构。当合金元素含量少时，M-A 结构是粒状的，而当合金元素含量多时是玻璃形状的。当m-a 结构不连续存在时，对焊接金属的韧性几乎没有影响，但是当连续存在时，焊接金属的冲击韧性明显下降。在选择焊接材料和制定焊接工艺参数时，应考虑微观结构对焊接金属强度和韧性的影响。

近年来，低合金高强度钢焊接韧性研究的突破是针状铁氧体（af）提高了原始焊接部分的低温冲击韧性。当针状铁氧体在焊接部分的比例较高时，低温韧性明显提高。为了控制微结构和提高韧性，研究焊接部针状铁氧体的成核机制是重要的。许多精细交叉针状铁氧体的成核核表明是颗粒内的非金属夹杂物。然而，没有关于针状铁氧体的成核机制的共识。既有人建议TiN 促进AF 成核，也有人建议A0 铁氧体的晶格错位度最小，成核的表面能最小，因此Ti0 比TiN 有效。利克斯大夹杂物认为减少成核的能垒并促进AF 成核。但是，拉伸强度。研究了控制800MPa HSLA 钢焊接部针状铁氧体量的方法。

针状铁氧体和块状铁氧体的破坏特性不同。当裂纹通过针状铁氧体时，裂纹前面的应力集中由于变形而减弱，裂纹以波状传播，形成破裂的波纹击穿和高冲击韧性。当铁氧体是大质量时，在相边界处容易产生裂纹，并且通过开闭破坏铁氧体。破坏单位的大小与相应的微观结构中的块状铁氧体相同，其冲击韧性低于针状铁氧体。

3 低合金高强钢焊接工艺

低合金淬火高强度钢的一般焊接方法包括手动电弧焊接、CO2气体屏蔽焊接和混合气体屏蔽焊接。决定焊接方法时，必须考虑强度等级，服务性能，建设困难性，母材的经济性。从实际生产中，采用了高效、高品质、良好的工作条件和简便的运行方法。一般来说，手动电弧焊接、亚焊弧焊接及CO2焊接可用于低合金淬钢，降伏强度小于680MPa。CO2气屏蔽焊接具有低合金淬火高强度钢焊接中广泛使用的高效、低成本、均匀均匀的焊接形成、良好的焊接质量和低劳动强度的优点。在薄肉、中板、高强度焊接部，由于热影响部和深度方向的沉淀，热影响部狭窄变形少，焊接、热影响部破裂或其他缺陷不容易。

热影响区冷却时间（t8/5“t8/3”）由于上部贝奈特（bu）和m-a成分有时以低冷却速度出现在haz 粗糙的粒区域，所以不会太长。冷却时间太短的话，硬化的构造多，导致冷间破裂。

为了限制过大的焊接线能量，在低碳淬火及高强度钢焊接中不使用大口径电极或焊接线。多层和多路径焊接工艺不仅需要进一步地采用HAZ 和焊接金属，而且应尽可能地采用以降低焊接变形。关于双层焊接的焊接，焊接根由碳电弧空气的研磨清洗，表面在焊接前用磨削空气研磨。

为了防止冷裂，低合金钢的焊接大多使用预热和后热处理。然而，为了避免形成HAZ 的m-a 分量和粗糙的贝奈特结构，需要减缓HAZ 的冷却速度，导致HAZ 强度和韧性的降低。

HQ70，HQ80，HQ100 钢的焊接一般需要低温预热。在高预热下的低碳淬火钢，提高了HAZ 软化和脆化倾向，降低HAZ 韧性，软化和强化HAZ，焊接过程复杂。

低碳淬钢结构的焊接部一般来说，焊接接头部的强度和韧性过低时，只要焊接结构不受到应力和应力腐蚀，为了确保焊接后的构造尺寸，需要高精度加工。后处理热处理温度必须低于母材的退火温度。

钢的强度特性是高强度钢的主要机械性质指标，屈服强度（as）是确定工程设计中容许应力的主要基础，拉伸强度（6b）是强度后备力的重要指标。屈服强度与屈服强度之比被称为屈服比（6}ab），是材料选择的重要参数，并且在不同应用中具有不同要求。低屈服比有助于加工和成型，具有高结构可靠性，高屈服比极大地发展了钢的强度电位，具有承受不稳定损伤的能力。建筑机械钢需要高屈服比，高拉伸强度，韧性，硬度，高耐磨性钢。除了强度性能之外，在高强度钢的动态负载，重负载和低温条件下要求高韧性。

焊接材料的选定应由母材的强度，化学组成，结构和性能来决定。首先，必须确保焊接金属的塑性和耐裂纹性。关于焊接金属的强度，在这一点上过去也有过理解。焊接金属的强度越高越好。实际上，焊接金属的强度越高，越容易产生裂纹，其韧性尤其相对于结构刚度大的焊接部尤其低。如果允许性能要求，则使用具有较低强度（所谓“低强度匹配”）的焊接材料有利于增强焊接金属的可塑性和韧性，减少硬化和冷裂的倾向。结果，焊接接头的强度不一定低于母材的强度。关于焊接金属，强度越高韧性越低，比低矮金属低。对于具有800MPa 以上拉伸强度的高强度钢，焊接金属和母材的强度必须相等，焊接部的韧性预备力不够。此时，通过稍微牺牲焊接强度，可以提高韧性预备力，有利于焊接接头的性能和安全性。

4 结语

综上所述，在低合金高强度钢的连续开发中，满足了焊接结构在高强度，高温电阻，低温电阻，耐腐蚀方面的要求，广泛应用于桥梁，锅炉，压力容器，汽车，船舶，石油管道等领域。低合金高强度钢主要调整钢中碳和合金元素的质量分数，并与适当的热处理一致。当然，碳和合金元素的增加会对钢的焊接性产生不利影响。在低合金高强度钢中，随着强度等级和碳合金元素的质量比增加，接头脆化，软化，裂纹倾向增加。这些焊接性问题的出现不仅降低了焊接结构安全驾驶的可靠性，也给国家的财产和人民的生活带来了巨大的损失。为了连续改善低合金钢的焊接性，国内自1980 年代以来，开始开发和生产具有良好焊接性的超合金钢和新一代的超微粒钢，对钢的焊接性产生了很大的变化。随着产业的持续发展，钢焊接接头的要求性能有高轴承强度、良好的塑性、韧性、耐疲劳性、耐龟裂性等高性能，钢的开发趋势也在逐渐变化。