高強鋼小角度坡口深熔焊工藝

李建宇， 倪川皓， 江亞平， 賈小磊

(中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410013)

0 前言

隨著現(xiàn)代工程機械結(jié)構(gòu)件更大、更高、更輕的發(fā)展趨勢，行業(yè)內(nèi)的結(jié)構(gòu)件主要采用屈服強度為690 MPa及以上的高強鋼進行制造[1]，而且890 MPa以上的高強鋼占比越來越大。材料對應的國標為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T 1591)和高強度結(jié)構(gòu)用調(diào)質(zhì)鋼板(GB/T 16270)。在行業(yè)競爭不斷加劇的情況下，降低高強鋼結(jié)構(gòu)件焊接成本的要求也越來越高。

目前行業(yè)中結(jié)構(gòu)件主要采用常規(guī)MAG(熔化極混合氣體保護電弧焊)的多層多道焊接工藝[2]。焊接接頭的坡口角度大部分為50°～70°[3-5]，焊縫熔敷金屬量大。因此焊接材料消耗量大，而且存在焊接效率低、焊接變形大等缺點。目前國內(nèi)高強鋼焊材市場主要為國外品牌[6]，而進口焊材的價格非常昂貴。為了降低焊接結(jié)構(gòu)件中焊材的用量，降低熔敷金屬比例，提高焊接效率，近年來相關學者提出了許多高效焊接方法[7-9]，但這些工藝方法分別存在裝配精度要求高、坡口加工難度大、設備投資大等缺點，影響了這些方法的推廣應用。同時由于高強鋼碳當量高，焊接過程及焊后容易產(chǎn)生冷裂紋，而且焊縫及熱影響區(qū)的馬氏體組織在焊接熱循環(huán)影響下容易軟化[10-11]。因此，高強鋼焊接對焊接熱輸入要求較嚴格。

文中主要從熔深和熔敷效率兩方面入手，采用小角度的焊接坡口，選用GMAW(氣體保護電弧焊)深熔焊工藝和匹配的焊接工藝參數(shù)，降低了焊接接頭的熔敷金屬量和焊接時間。在焊接工藝參數(shù)上，選用較大焊接電流，滿足深熔焊噴射電弧和高熔敷率的要求，再匹配較高的焊接速度，控制了焊接熱輸入，獲得了質(zhì)量良好的焊接接頭。

1 工藝方案設計

1.1 GMAW深熔焊

試驗將采用德國克魯斯(CLOOS)公司開發(fā)推廣的GMAW深熔焊電源，該公司稱該工藝方法為Rapid Weld，在碳鋼焊接時熔深可達6 mm。該焊接方法的電弧工作在GMAW電弧的噴射電弧階段，其電弧形態(tài)為錐狀電弧，熔滴過渡形式主要為射流過渡。圖1為深熔焊的電弧形態(tài)。因電弧集中度高，即使坡口角度很小，仍能保證焊縫根部穩(wěn)定的熔合。

圖1 深熔焊的電弧形態(tài)

1.2 焊接接頭和焊接工藝參數(shù)

根據(jù)工程機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件常用板厚范圍，選用15 mm板厚做對接接頭焊接試驗。通常行業(yè)內(nèi)該接頭在采用常規(guī)MAG工藝時，一般采用單面焊接的60° V形坡口。設定鈍邊為1 mm，間隙為1 mm，焊縫背面余高為0.5 mm。焊縫正面余高按較小的值進行設定，余高h=1+0.1b=2.7 mm(b為焊縫寬度)。焊接接頭的熔敷示意圖如圖2所示。

圖2 單面60°坡口對接接頭

通過計算可知圖2中常規(guī)MAG熔敷金屬截面的面積S1為160 mm2。為減少熔敷金屬的填充量，需根據(jù)深熔焊方法的大熔深工藝特點重新設計焊接接頭，減少圖2中的陰影部分面積。參考焊接電源廠家碳鋼焊接熔深可達6 mm數(shù)據(jù)，設計該次試驗的焊接接頭尺寸為雙面對稱20°坡口，鈍邊5 mm，間隙1 mm。對接接頭示意如圖3所示。

圖3 雙面20°坡口對接接頭

為使焊接接頭的焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬區(qū)獲得良好的貝氏體+馬氏體的金相組織，焊接熱輸入要控制在1～1.5 kJ/mm的范圍內(nèi)。當采用Ar+CO2混合氣作為保護氣體時，想要獲得穩(wěn)定的焊接噴射電弧，焊接電流要大于300 A。焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 工藝試驗

2.1 試驗材料

選用某鋼廠生產(chǎn)的屈服強度為890 MPa的型號為Q890D的15 mm厚高強鋼板作為焊接母材。鋼板的化學成分見表2，力學性能見表3。試驗鋼板按400 mm×150 mm進行下料后，按圖3所示尺寸加工焊接坡口。采用熔化極混合氣體保護焊，保護氣體選用80%Ar+20%CO2的混合氣體。按等強匹配原則，焊接材料選用林肯所生產(chǎn)的氣體保護焊實心焊絲，型號為Carbofil FK1000，直徑為φ1.2 mm。焊絲的化學成分見表4，焊絲熔敷金屬的力學性能見表5。

表2 Q890D鋼板的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表3 Q890D鋼板的力學性能

表4 Carbofil FK1000焊絲的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表5 Carbofil FK1000焊絲熔敷金屬的力學性能

2.2 焊接試驗

試驗選用克魯斯焊機，型號為QINEO NexT 602。為了在較高焊接速度下穩(wěn)定的焊接，試驗采用了焊接小車夾持焊槍進行焊接。保護氣體流量為20 L/min。焊接前用百葉輪打磨清理焊縫附近的鐵銹及其他污物，減少有害元素對焊縫質(zhì)量的影響。焊接位置選用水平位置焊接。焊接時的環(huán)境溫度約15 ℃，焊前預熱至100～110 ℃。對于新設計的焊接接頭，采用雙面焊接，共焊接2道即可填滿接頭，即正反兩面各焊接1層1道。正面焊接完成后，立即翻面測量反面待焊接區(qū)域的溫度，當層間溫度低于200 ℃時，進行反面焊縫的焊接。正反面焊接時焊槍都不擺動，實際焊接工藝參數(shù)見表6。由于深熔焊的熔深大，預計反面焊接時可熔透鈍邊與正面焊縫良好熔合，因此選擇了反面焊接前不清根處理的工藝。

表6 焊接工藝參數(shù)

對于常規(guī)的單面60° V形坡口焊接接頭，日常生產(chǎn)過程中需采用單面焊雙面成形工藝焊接。焊接過程中，需分為3層焊接5～6道才能填滿整個焊接接頭。因此新型接頭的焊接效率和生產(chǎn)成本比常規(guī)接頭有明顯的優(yōu)勢。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊縫外觀分析

焊縫正反兩面外觀基本一致，表面成形良好。由于深熔焊的電弧為噴射電弧，焊縫附近的鋼板表面幾乎無飛濺。正反面焊縫外觀如圖4和圖5所示。按GB/T 19418—2003《鋼的弧焊接頭 缺陷質(zhì)量分級指南》對焊縫外觀質(zhì)量進行檢測，焊縫余高滿足C級要求，其余外觀質(zhì)量滿足B級要求。

圖4 正面對接焊縫成形

圖5 反面對接焊縫成形

3.2 焊接接頭無損檢測

焊接試板冷卻到室溫后，按GB/T 3323.1—2019《焊縫無損檢測 射線檢測 第1部分：X和γ射線的膠片技術(shù)》進行檢測，焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足GB/T 19418—2003《鋼的弧焊接頭 缺陷質(zhì)量分級指南》的B級要求。

3.3 焊接接頭力學性能檢測

按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》、GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》、GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》分別進行焊接接頭拉伸、彎曲、沖擊、硬度、宏觀金相試樣的制備和檢驗。彎曲試驗選用圓形壓頭彎曲，壓頭直徑D為6倍板厚。根據(jù)母材沖擊韌性等級，沖擊試驗溫度選擇-20 ℃。力學性能的拉伸、彎曲、沖擊試驗結(jié)果分別見表7、表8和表9。沖擊試樣尺寸55 mm×10 mm×10 mm硬度、宏觀金相試驗結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

表7 拉伸試驗結(jié)果

表8 彎曲試驗結(jié)果

表9 沖擊試驗結(jié)果

圖6 焊接接頭硬度試驗結(jié)果

圖7 焊縫金相試驗結(jié)果

從表7～表9中可以看出，焊接接頭抗拉強度大于母材強度標準值，斷裂位置在母材(PM)上，斷口表面檢查無肉眼可見缺陷。彎曲試件表面無明顯裂紋。各項沖擊試樣的沖擊吸收能量都大于標準值。圖6的硬度試驗結(jié)果中，熱影響區(qū)(HAZ)硬度范圍為314～391 HV10，說明在熱影響區(qū)獲得了貝氏體+馬氏體的金相組織，熱影響區(qū)的軟化得到較好的控制[11]。從圖7宏觀金相圖中可直觀的測量出反面焊縫的熔深為8 mm。焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬(WM)未見裂紋、未熔合等低倍缺陷。力學性能檢測結(jié)果說明按照該深熔焊工藝方案焊接獲得了質(zhì)量良好的焊接接頭。

3.4 試驗效果分析

根據(jù)焊縫外觀檢測數(shù)據(jù)與宏觀金相圖測量數(shù)據(jù)，焊縫寬度為15 mm，余高為3.5 mm。深熔焊接頭熔敷示意圖如圖8所示。

圖8 雙面20°坡口對接接頭

通過計算可知圖8中深熔焊熔敷金屬截面的面積S2為97 mm2。

焊材消耗質(zhì)量m與熔敷金屬面積S的關系為：

m=ρSlη

(1)

式中：m為焊材消耗質(zhì)量；ρ為熔敷金屬密度；S為熔敷金屬截面的面積；l為焊縫長度；η為焊材的焊接損耗系數(shù)。從式(1)中可知，焊材消耗質(zhì)量m之比就是熔敷金屬截面的面積S之比。深熔焊與常規(guī)MAG焊熔敷金屬截面面積相比較，S2比S1減少了約39%。即焊接15 mm板厚高強鋼的對接接頭，采用上述深熔焊工藝方案，可比常規(guī)MAG焊工藝節(jié)省約39%的焊材。

4 結(jié)論

(1)GMAW深熔焊工藝可采用大電流高焊接速度的焊接工藝參數(shù)，實現(xiàn)對小角度坡口接頭的大熔深焊接。不僅獲得了質(zhì)量良好的焊接接頭，還節(jié)省了大量的焊材。在進口品牌高強鋼焊材昂貴的市場行情下，能較大地降低結(jié)構(gòu)件的焊接成本。

(2)在Q890D高強鋼15 mm板厚對接接頭深熔焊試驗中，采用了大電流焊接，提高了熔敷效率，省去了背面清根?？商岣呱a(chǎn)效率，降低結(jié)構(gòu)件的焊接成本。同時匹配合適的焊接速度控制焊接熱輸入，控制了接頭組織的軟化，獲得了力學性能良好的焊接接頭。

(3)工程機械結(jié)構(gòu)件中有較多板厚大于15 mm的焊接接頭，其中包括多種接頭形式。通過坡口角度優(yōu)化分析可知，采用深熔焊工藝方法預計能節(jié)省出比39%更多的焊材，需要通過進一步試驗進行驗證。