S690QL 钢材的焊接性能研究

刘明川，龚 毅，李 俭

1 工程背景

老挝XPXN 水电站压力钢管采用秦皇岛首秦金属材料有限公司生产的S690QL 高强度调质钢。由于该钢材在我国水电工程上应用较少，虽然钢厂在研制新钢种时必须考虑焊接性，并做了一系列焊接性试验。但是，由于焊接性除取决于钢材自身品质外，还和焊接方法、焊材、设备等有关。因此，钢厂提供的有限的技术资料具有局限性，有必要对该钢种及配套的焊材进行焊接试验，以评价钢材及其配套焊材的焊接性。在焊接操作过程中对焊接材料的选择至关重要，如果焊接材料的选择不恰当，则会对整个焊接工艺造成影响，且在焊接过程中会出现各种故障和缺陷问题，甚至会导致焊接区域出现断裂现象。

老挝XPXN 水电站项目位于老挝南部阿速坡省，气温常年高达三十多度，属于高温高湿度环境，高压隧洞洞内常年平均气温高达三十度，室外压力钢管段和岔管段旱季高达四十多度,基于此，本项目选用超低氢型焊条，来降低钢管的预热温度，同时对高温高湿度环境中的焊接材料进行研究。S690QL 钢材焊接工艺的探究，不仅能为高温高湿度环境中焊接工艺提供数据参考，还能促进S690QL 高强度调质钢在我国南部高温高湿环境下水电工程上的应用。

2 试验

2.1 原料

2.1.1实验钢板

试验钢板牌号：S690QL

化学成分：碳C-0.130%、锰Mn-0.921%、磷P-0.013%、硫S-0.0008%、硅Si-0.313%、铜Cu-0.251%、镍Ni-0.711%、铬Cr-0.620%、钼Mo-0.413%、铝Al-0.040%、Nb-0.002%、锆Zr-0.001%、钒V-0.048%、 铊Ti-0.005%、 硼B-0.0026%、Als-0.036%、 氮N-0.0064%、CEJIS-0.545%、Pcm-0.287%。

机械性能：炉号——5N05916，屈服强度——799MPa，拉伸强度——833MPa，延伸率——19.5%，零下40°C 冲击功，238J、216J、251J、235J。

抗裂性试验使用44mm 厚的钢板，焊接线能量试验使用36mm 厚的钢板。

窗口试验拘束板牌号：S690QL，板厚60mm，规格尺寸为60mm×1200mm×1200mm。

2.1.2焊条

焊条型号：A5.5：E1105-G，化学成分：碳C-0.05%、锰Mn-1.51%、硅Si-0.19%、镍Ni-1.74%、铬Cr-0.37%、钼Mo-0.39%。

机械性能：①焊态：屈服强度——700MPa、拉伸强度——750MPa、延伸率——18%，冲击功——-40℃，47J；②580℃消除应力退火：屈服强度——690MPa、拉伸强度——740MPa、延伸率——18%，冲击功——-40℃，47J。

埋弧焊-焊剂型号：F11A6-EG-G—SAFB155ACH5。

化学成分：碳C-0.12%、锰Mn—1.5%、硅Si-0.09%、镍Ni-2.99%、铬Cr-0.34%、钼Mo-0.5%，埋弧焊丝型号F11A6-EG-G—SAFB15ACH5。

机械性能：①焊态：屈服强度——690MPa、拉伸强度——780MPa、延伸率——18%，冲击功——-40℃，60J；②580℃消除应力退火：屈服强度——690MPa、拉伸强度——780MPa、延伸率——18%，冲击功——-40℃，47J。

焊剂的主要成分：二氧化硅（SiO2）+二氧化钛（TiO2）——15%、氧化钙（CaO）+氧化镁（MgO）——35%、三氧化二铝（AL2O3）+一氧化锰（MnO）——18%、二氟化钙（CaF2）——23%、其他成分4%。

2.2 试验过程

2.2.1抗裂性试验

（1）斜Y 型拘束焊接裂纹试验基本参数：焊条直径Φ4.0mm，焊接电流160A，焊接电压24±1V，焊接速度：150±10mm/min。试板及坡口尺寸见图1。该试验按GB/T 4675.1-1984 焊接性试验斜Y 型坡口焊接裂纹试验方法进行。

焊接方法：焊条电弧焊；焊条：THJ-SG80DR；试板预热温度分别为：150℃、100℃、75℃、50℃。

（2）窗口拘束焊接裂纹试验。焊接方法：埋弧自动焊；焊材：F11A6-EG-G—SAFB155ACH5+OK80FLUXSG（焊剂）；试板预热温度分别为：75℃、50℃、室温。

①试验焊缝多层多道，填满坡口焊基本参数：焊丝直径Φ4.0mm，焊接电流450A，焊接电压28±1V，焊接速度：360mm/min。②试验焊缝单道焊（不填满坡口）基本参数：焊丝直径Φ4.0mm，焊接电流500A，焊接电压28±1V，焊接速度：400mm/min。③窗口拘束焊接裂纹试验。取斜Y 试验大底板150*200，两侧60 个单位处设置焊缝坡口拘束，中间80 个单位为焊缝坡口；此法系将待试钢板预先用角焊缝固定在厚大底板的“窗口”上，然后两面用多层多道填满坡口。焊后放置48h 后，用X 射线及磨片检查。磨片检查时沿焊缝中心线将焊缝纵向剖开，用渗透法检查横向裂纹。其中单道焊时主要检查表面、断面和根部裂纹。

窗口拘束焊接裂纹试验时还参照了GB/T13817-1992 对接接头刚性焊接裂纹实验方法，以及JISZ3159-1993 H 型拘束焊接裂纹试验方法的一些要求和方法。

2.2.2焊接线能量试验

（1）焊接线能量试板尺寸及坡口形状：①手工焊试板尺寸——340mm*450mm，坡口位置及大小——上坡口60°、下坡口60°；②埋弧焊试板尺寸——340mm*600mm，坡口位置及大小——上坡口55°、下坡口60°，下坡口中心下移4 个单位。

（2）线能量板的试样种类、数量：拉伸试样2 个，侧弯试样4 个，硬度试样1 个，冲击试样18 个。18 个冲击试样中-20℃冲击试样9 个：分别是焊缝试样3 个，熔合线试样3 个，HAZ 试样3个；-40℃冲击试样9 个：分别是焊缝试样3 个，熔合线试样3 个，HAZ 试样3 个。

（3）焊接线能量基本参数①打底层：SAW 法、分类—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、 直 径 —φ4.0mm、 极 性 —DCEP、电流—500A ～580A、电弧电压—29V ～32V、焊接速 度400mm/min ～500mm/min；②填 充 层：SAW 法、分类—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、直径—φ4.0mm、极性—DCEP、电流—500A ～580A、电弧电压—31V ～35V、焊接速度400mm/min ～500mm/min；③盖面层：SAW 法、分类—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、直 径—φ4.0mm、极 性—DCEP、电流—500A ～580A、电弧电压—31V ～35V、焊接速度400mm/min ～500mm/min；④打底层：SAW 法、分类——E11015-G、直径—φ4.0mm、极性—DCEP、电流—90A ～120A、电弧电压—20V ～25V、焊接速度40mm/min ～100mm/min；⑤填充层：SAW 法、分类—E11015-G、直径——φ4.0mm、极性—DCEP、电流—170A ～200A、电弧电压—22V ～28V、焊接速度40mm/min ～100mm/min；⑥盖面层：SAW 法、分类——E11015-G、直径—φ4.0mm、极性—DCEP、电流—170A ～200A、电弧电压—22V ～28V、焊接速度40mm/min ～100mm/min。

（4）线能量试板上试样的取样位置为“舍弃两端，然后从一侧到另一端的顺序分别为：侧弯试样—拉伸试样—侧弯试样—冲击试样—硬度试样—侧弯试样—拉伸试样—侧弯试样”。

（5）线能量试验焊接接头硬度测试位置为“两相邻压痕中心之间的距离应至少为压痕直径的2.5 倍，并且不应小于1mm，测点中心与熔合线之间的距离不应大于0.5mm。”。

2.2.3焊接接头测试

（1）拉伸试样形状尺寸为①焊条总长度为600mm ～700mm；②夹持部分宽度为27mm；③平行部分宽度为13mm；④夹持部分长度为75mm；⑤过渡圆弧半径为25mm。

（2）侧弯试样形状尺寸为①试样厚度应大于10mm；②试样长度应为150mm 或按要求加工；③试样的棱角应当用机械加工成半径不大于3mm 的圆角。

对于非P-No.1 材料的工艺评定，如侧弯试样的表面是气割法下料的，则必须采用机加工或打磨的办法修除表面，修除量不少于3mm，对于P-No.1 材料表面是气割法下料造成的粗糙，则必须采用机加工或打磨的办法加以修整，对于QW/QB-422 中所有材料的技能评定，如侧弯试样是气割法下料造成的表面粗糙，必须采用机加工或打磨的办法加以修整。

（3）冲击试样取样位置为当冲击试样为V 型缺口：①焊缝位于缺口，缺口面垂直焊缝表面，缺口中心线在焊缝中心线；②缺口中心线位于熔合线区域，缺口面垂直焊缝表面，缺口中心线在熔合线上；③缺口中心线位于热影响区，缺口面垂直焊缝表面，缺口中心线在热影响区中心线；大坡口侧的试样用来做-40℃冲击，小坡口侧的试样用来做-20℃冲击。

拉伸试验按GB2651-1989 焊接接头拉伸试验方法进行；弯曲试验按照GB2653-1989 焊接接头弯曲及压扁试验方法进行，按委托方要求弯头直径为66mm，支座间距为90mm；冲击试验按照GB2650-1989 焊接接头冲击试验方法进行，试验温度为-20℃、-40℃；硬度测试按照GB2654—1989 焊接接头及堆焊金属硬度试验方法进行。

2.3 试验结果分析

抗裂性试验结果表明，THJ-SG80DR 焊条与S690QL（44mm厚）钢板焊接时，预热温度75℃以上不产生裂纹；在预热50℃、间隙2 ～2.15 时，表面裂纹率为100%；在同样温度下、间隙为1.85 时，表面裂纹率为68%。由此可见装配间隙对裂纹的影响之大。

窗形拘束试验表明，试板厚度为44mm，焊丝为F11A6-EG-G—SAFB155ACH5，焊剂为OK80FLUXSG，环境温度为7℃～11℃，相对湿度20%～50%。试验结果是预热50℃以上不产生裂纹。

焊接线能量试验结果为：①焊条电弧焊（-20℃）条件下：焊接线能量5KJ/cm 时冲击功为89J、焊接线能量15KJ/cm 时冲击功为71J、焊接线能量25KJ/cm 时冲击功为84J、焊接线能量35KJ/cm 时冲击功为59J；②焊条电弧焊（-20℃）条件下：焊接线能量5KJ/cm 时冲击功为75J、焊接线能量15KJ/cm 时冲击功为69J、焊接线能量25KJ/cm 时冲击功为55J、焊接线能量35KJ/cm 时冲击功为38J；③埋弧自动焊（-20℃）条件下：焊接线能量15KJ/cm 时冲击功为145J、焊接线能量25KJ/cm 时冲击功为121J、焊接线能量35KJ/cm 时冲击功为140J；④埋弧自动焊（-40℃）条件下：焊接线能量15KJ/cm 时冲击功为91J、焊接线能量25KJ/cm 时冲击功为68J、焊接线能量35KJ/cm 时冲击功为130J。

数据表明不同工艺方法及线能量下，接头的抗拉强度均满足标准要求。对于焊条电弧焊试板，随着焊接线能量的增大，焊缝的冲击功呈明显的下降趋势，线能量为35kJ/cm 时，焊缝的-40℃冲击功明显偏低。而且线能量为30kJ/cm、35kJ/cm 时接头冷弯试验均出现了裂纹超标的情况，说明线能量大于或等于30kJ/cm 时，接头得不到良好的综合机械性能，施工中应加以控制。对于埋弧自动焊试板，线能量为20kJ/cm ～35kJ/cm，均有良好的综合机械性能。

从硬度测试结果看，硬度值一般都在250HV ～400HV 之间，而且热影响区和母材的硬度差别不大，说明焊接过程没有引起钢板硬度的大幅度变化。

3 焊接注意事项

3.1 焊接过程控制

第一，只能在焊接板上调试电流，焊接时在坡口内控制弧和熄弧。

第二，焊接过程要连续，按照母材厚度2/3 以上的标准控制熔敷的金属厚度，焊接过程中还要做好保温措施。

第三，做好焊接速度的控制，按照不超过焊条直径2.5 倍的标准控制焊道宽度。

第四，每道焊道端点间距为520mm 从而解决应力集中的问题，在下道焊缝打磨前要对焊接质量进行检查。

3.2 热处理控制

工作人员要根据图纸和技术要求规定的升温、保温、降温等过程热处理锻件，工作人员在控制回火温度过程中要充分尊重材料的特性。

通常在炉内完成结构的热处理工作，在热处理过程中工作人员要保证严格地控制好炉内温度，并且准确地记录。炉子的规格要和锻件相符合，保证能够均匀地加热整个锻件，保证严格控制热处理过程。通常在热处理之后需要检查锻件的硬度，如果偏差较大那么可以通过二次处理的方式确保其在合理的范围内，在确认合格后可以由专业的人员进行检验，确认锻件的热处理效果。

4 结语

S690QL 钢 板 焊 接 时，埋 弧 自 动 焊（ 用F11A6-EG-G—SAFB155ACH5 焊丝+OK80FLUXSG 焊剂）预热温度不应小于50℃，焊条电弧焊（用THJ-SG80DR 焊条）预热温度不应小于100℃；层间温度均按不大于150℃为宜。

为了确保良好的焊接接头综合机械性能，建议焊条电弧焊时，焊接线能量的适用范围为20kJ/cm ～30kJ/cm，埋弧自动焊的焊接线能量的适用范围为22kJ/cm ～35kJ/cm。

结合前文分析，选购焊材时还应考虑到以下问题：

（1）由于本工程选用焊材药皮成分合金元素比重大和普通焊材操作有个习惯过程，所有参与过程焊工需进行适应性练习并通过考试。

（2）焊条长度亦不容忽视。鉴于本工程钢管安装隧洞岩壁与管外壁（浇筑敷设轨道用混凝土底板之后）设计为600mm ～700mm。因此φ4 焊条长度选350mm。

（3）考虑到线能量和焊接位置的原因，焊条直径选用4mm以下。另一方面，由于线能量较小，则φ3.2焊条应多占一些比例，以便在多道焊时与φ4 焊条混合使用，易于控制焊道宽度和良好成形。

（4）经过多次焊接试验最终选定焊接方法为焊条电弧焊和埋弧自动焊。