高强钢实芯焊丝焊接工艺研究

2021-10-29沈波吴正峰田小林

金属加工(热加工) 2021年10期

沈波，吴正峰，田小林

南通振华重型装备制造有限公司江苏南通 226000

1 序言

目前，公司海工平台事业部涉及EH690级别钢材的焊接均采用焊条电弧焊方式，因其焊接效率低，劳动强度大，并且现阶段焊工日趋老龄化，年轻人又不愿从事焊接工作，所以各种因素直接影响了生产进度。为提高生产效率，虽然曾采用药芯焊丝进行高强钢现场焊接，但因其抗裂性相对较差，且现场焊接条件极为苛刻，所以多次导致焊接质量事故。为改变目前现状，提高生产效率，同时也为后期大批量采用焊接小车进行高强钢焊接做好技术储备，公司专门进行大热输入的焊接试验，确认在大电流、大热输入的焊缝金属力学性能的合理范围。

2 试验方法

试验采用焊接小车进行试板焊接，确保焊接过程中热输入的稳定性，热输入分为2.0kJ/mm、2.5kJ/mm、3.0kJ/mm3种，焊接完成后立即对试板进行后热处理。后热温度和时间为（280±20）℃保温2h，之后经理化试验来确认3种热输入的焊接接头的力学性能是否满足标准要求。

（1）试验材料试验采用舞阳钢铁责任有限公司生产的EH690低碳调质钢板，厚度为30mm。EH690钢板属于高强度结构钢，其具有良好的塑性、韧性、耐磨性以及焊接性，广泛用于煤矿机械、工程机械等重要构件。EH690钢板的化学成分见表1，力学性能见表2。通过表1、表2得知，试验采用的母材化学成分及力学性能均满足标准要求。

表1 EH690钢板的化学成分（质量分数）（%）

表2 EH690钢板的力学性能

（2）焊接材料焊接材料采用等强匹配的原则，选用新日铁NSSW YM-80A（φ1.2mm）和神钢MG-S88A（φ1.2mmm）实芯焊丝，执行标准为JIS Z3312 G78A6UM N7M4T；焊接保护气体采用80%Ar+20%CO2混合气，以减少焊接过程中的飞溅，两种焊接材料的化学成分见表3。

表3 焊接材料的化学成分（质量分数）（%）

（3）焊接工艺具体焊接工艺过程如下。

1）确定焊接预热及后热温度。低碳调质钢焊接性的主要特点是：在焊接热影响区，特别是焊接热影响区的粗晶粒区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向，在焊接热影响区受热时为完全奥氏体化的区域，以及受热时高于Ac1；而高于钢调质处理的回火温度的区域有软化和脆化的倾向。低碳调质钢的淬硬倾向较大，但在焊接热影响区的粗晶区形成的是低碳马氏体，而这类钢的Ms点较高，在焊接冷却的过程中，所形成的马氏体可以自回火，因而这类钢的冷裂倾向比中碳调质钢小得多。为了可靠地防止冷裂纹的产生，还必须严格控制焊接时焊缝中的氢含量，并制定合适的焊接工艺。

根据日本JIS和WES标准规定的碳当量公式：

计算EH690钢碳当量为0.47%，依照冷裂敏感指数的计算公式：Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B(%)计算得知，EH690钢冷裂纹敏感系数为0.2335。又根据Pcm、板厚h或拘束度R，建立了冷裂敏感性Pc、冷裂敏感指数Pcm及防止冷裂所需要的预热温度的计算公式。

式中H——熔敷金属中扩散氢含量（mL/100g，甘油法）；

R——接缝拉伸拘束度(kg/mm·mm)；

h——板厚(mm)；

Pcm——冷裂敏感指数。

当Pc＞0时，即有产生裂纹的可能性，经计算得知Pc=0.3585。

利用Pc、Pw公式，可以计算出无裂纹焊缝所需预热温度：

两式适用条件：扩散氢含量[H]为1.0～5.0mL/100g；板厚为19～50mm；热输入为17～30kJ/cm；经计算得出防止冷裂纹所需的预热温度为124℃，最高道间温度按照AWS D1.1相关标准要求确定为200℃；试板焊接完成立即在280℃±20℃区间范围内进行后热，后热时间为2h，后热的作用是让焊缝中的扩散氢能够及时的逸出。避免延迟裂纹的出现。

2）焊接参数设定。实芯焊丝直径为1.2mm，试验焊接参数原计划采用300～360A，电弧电压采用25～30V。经过多次试验，现有的焊接小车设备无法满足上述参数，多次出现电极熔断的情况，后续对参数进行修正和调整，并经过试验性焊接后，焊接电流采用250～270A，电弧电压采用26～30V。

3）热输入范围设定。一般焊接材料在正常的热输入范围内焊接问题不大，但实际焊接过程中经常采用较大热输入，以求较好的熔透性及大幅提高生产效率。另外，从经验来看，由于热输入在≤2.0kJ/mm的焊接接头的性能均能保证，因此此次热输入试验主要采用2.0kJ/mm、2.5kJ/mm、3.0kJ/mm3种，以验证实芯焊丝在大焊接电流、电弧电压、较慢的焊接速度下焊接接头的力学性能是否满足标准要求。

3 试验结果

实际焊接过程中，热输入范围有些波动，但是波动区域均在±0.2kJ/mm范围内，焊前预热，焊接过程中的温度区间控制，以及焊后立即进行后热消氢处理均按照工艺要求进行。后热完成后48h后进行MT/UT检测，试板的外观和试板内部无损检测，结果符合ISO 5817—2014 B级标准要求。之后按照CCS中国船级社《材料与焊接规范》2018标准要求进行试样加工，每组试板取横向拉伸试样2组，侧弯试样4组，冲击试样6组（标准要求5组），宏观及硬度试样共2组，试验结果（数据为每组试样平均值）见表4～表6。另外，需要说明的是在焊接过程中发现新日铁YM-80A熔敷金属表面几乎没有焊渣，些许焊渣经过钢丝轮略微清理即可全部清理干净（见图1），而神钢MG-S88A焊接过程中在熔敷金属表面形成的黑色焊渣极难清理（见图2），且经过钢丝轮打磨仍旧难以清理干净，这对保证焊接质量及生产效率的提高有着极为不利的一面。

图1 新日铁YM-80A焊渣机械清理后

图2 神钢 MG-S88A焊渣机械清理后

表4 试样力学性能

从表4数据可以看出，从屈服强度来看，两种焊接材料的熔敷金属均满足标准要求并有一定富余空间，且新日铁稍逊于神钢；从抗拉强度来看，两者均合格，且新日铁随着热输入增加，数值小幅上扬，神钢则表现平稳；从伸长率来看，两种焊接材料均符合标准要求还有上升空间，随着热输入的加大，新日铁焊接材料表现平稳，而神钢焊接材料伸长率数据则呈逐渐下降趋势。

（1）弯曲试验根据CCS中国船级社《材料与焊接规范》2018标准要求进行侧弯试验。每组评定4个试样，弯曲试样表面任何方向上表面缺陷不得超过3mm，试样规格为10mm×30mm×250mm，压头直径按结构钢焊缝弯曲试验要求中焊接工艺认可试验规定：试样材料最小屈服强度规定值500MPa＜Reh≤690MPa，压头直径为6倍板厚，即为60mm，弯曲角度为180°。新日铁YM-80A焊接试板进行加工的弯曲试样，表现出良好的塑性和延展性；神钢MG-S88A焊接试板进行加工的试样在弯曲试验中出现角部裂纹及其他裂纹，试验不合格。从试验结果可以看出，神钢焊接材料焊接的坡口焊缝接头的完好性和延展性不足。

（2）冲击试验从表5冲击吸收能量数据可以看出，使用新日铁YM-80A焊接材料焊接的3组不同热输入试样，无论是焊缝中心、熔合线、熔合线+2mm等均超过标准要求，焊缝中心随着热输入的加大先小幅下降之后再次跃升，由此可以看出新日铁焊接材料比较适用于大的热输入。因为大的热输入反而可以保证焊缝的冲击韧性，所以冲击吸收能量试验合格。而使用神钢MG-S88A焊接材料焊接的试件热输入提高到3.0kJ/mm左右时，焊缝中心冲击值再次降值33.9J（标准值下限时32.2J）也是勉强合格，韧性偏低且余量不足。由此可以看出，神钢焊接材料不适用大热输入的焊接。