890 MPa高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲在大型工程機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

萬(wàn)斌，趙鈺，張曉剛，樊志勤，楊國(guó)華，楊曉冬，趙凱，梁雁斌

(太原重工股份有限公司，山西太原030024)

0 前言

隨著國(guó)內(nèi)外工程機(jī)械、煤礦機(jī)械、海工裝備、水電裝備等向著優(yōu)質(zhì)、高強(qiáng)度、高韌性、大型化、輕型化的方向發(fā)展，焊接金屬材料由傳統(tǒng)的碳素鋼、低合金鋼向高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼(Q890、Q960等)等領(lǐng)域擴(kuò)展。高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼在大型工程機(jī)械制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，也促進(jìn)了高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲行業(yè)的快速發(fā)展，使得工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲制造技術(shù)水平處于全球領(lǐng)先地位。如法國(guó)液化空氣焊接集團(tuán)瑞士奧利康公司(G894MMn4Ni2CrMo焊絲)、奧鋼聯(lián)伯樂(lè)焊接(中國(guó))有限公司(Tunion GM120焊絲)、瑞典伊薩公司(OK.AristoRod89焊絲)、奧鋼聯(lián)意大利飛樂(lè)公司(FILEUR ERM焊絲)。以上國(guó)際跨國(guó)公司的高強(qiáng)鋼焊絲產(chǎn)品，目前幾乎壟斷全球焊接材料市場(chǎng)。

我國(guó)焊接材料長(zhǎng)期以來(lái)大量采用抗拉強(qiáng)度為50 kg級(jí)以內(nèi)的碳素鋼、低合金鋼等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械制造領(lǐng)域設(shè)計(jì)從降低設(shè)備自重、提高承載能力、方便運(yùn)輸及降低制造成本等多個(gè)環(huán)節(jié)考慮，使得屈服強(qiáng)度890 MPa級(jí)高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼的需求量逐年增長(zhǎng)。尤其是在大型工程機(jī)械制造領(lǐng)域(如1 200 t履帶式伸縮臂起重機(jī)、1 200 t全地面伸縮臂起重機(jī)、750 t履帶式起重機(jī)等)高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼已成為大型工程機(jī)械制造常用金屬結(jié)構(gòu)材料之一，促使我國(guó)高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲用量穩(wěn)定增長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)已有30多家焊材企業(yè)推出了高強(qiáng)度實(shí)心焊絲產(chǎn)品，但我國(guó)高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲制造起步晚，焊絲制造技術(shù)還不太成熟，導(dǎo)致焊絲質(zhì)量不穩(wěn)定，另外焊絲供貨周期長(zhǎng)、批量小、價(jià)格高，國(guó)外品牌焊絲壟斷我國(guó)焊接材料市場(chǎng)的局面仍未打破。國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼焊絲質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定的生產(chǎn)企業(yè)有:林肯電氣(錦泰)公司(JM120焊絲等)、哈焊所威爾公司(HS－90焊絲等)、四川大西洋公司(CHW－95C焊絲等)、河北鑫宇焊業(yè)公司(XM—130焊絲等)。我國(guó)高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲產(chǎn)品尚處在研制開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用階段，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定差距。

1 890 MPa高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲特點(diǎn)

高強(qiáng)鋼焊絲一般采用 Mn－Si－Cr－Ni－Mo 合金體系進(jìn)行強(qiáng)化，并加入適當(dāng)?shù)奈⒘吭?V、Ti、Zr、B、稀土等)以凈化焊縫組織，細(xì)化晶粒，提高焊縫韌性，從而獲得良好的綜合力學(xué)性能，更好地滿足高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼的焊接。

一般國(guó)外知名品牌890 MPa高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲執(zhí)行ISO16834－A(2006)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，焊絲牌號(hào)表述為G894M21Mn4Ni2CrMo，它相當(dāng)于 AWS A5.28—2005 標(biāo)準(zhǔn)的ER120S－G焊絲，符合GB/T8110—2008國(guó)標(biāo)的ER83－G焊絲。

2 G894M21Mn4Ni2CrMo與ER83－G焊絲對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)選用國(guó)外某知名品牌G894M21Mn4Ni2CrMo(直徑1.2 mm)焊絲和國(guó)內(nèi)某品牌ER83－G(直徑1.2 mm)焊絲，按ISO16834－A(2006)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系列試驗(yàn)。

2.1 焊絲化學(xué)成分分析

分別對(duì)兩種焊絲進(jìn)行取樣，按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊絲化學(xué)成分分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，G894M21Mn4Ni2CrMo焊絲原材料的C、S、P、Cu等有害元素控制較嚴(yán)，Ni元素含量偏標(biāo)準(zhǔn)上限，這對(duì)提高焊絲熔敷金屬綜合力學(xué)性能十分有利。國(guó)外品牌焊絲在化學(xué)成分設(shè)計(jì)、有害元素控制等方面明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)品牌焊絲。

表1 焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 焊絲的焊接工藝性能試驗(yàn)

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)兩種焊絲進(jìn)行焊接工藝性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表2中。

表2 焊絲焊接工藝性能試驗(yàn)

從表2中可以看出，G894M21Mn4Ni2CrMo焊絲的送絲性能穩(wěn)定，焊縫成形良好，焊接飛濺小，焊絲的各項(xiàng)焊接工藝性能指標(biāo)均好于ER83－G國(guó)產(chǎn)焊絲。這使得在大型工程機(jī)械產(chǎn)品制造中，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)優(yōu)選國(guó)外高強(qiáng)鋼品牌焊絲，我國(guó)高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲產(chǎn)業(yè)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2.3 焊絲熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)

焊絲熔敷金屬力學(xué)性能是高強(qiáng)鋼焊絲的重要技術(shù)指標(biāo)，試板選用Q890E(δ=20 mm)材料，對(duì)試板進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)列于表3中，試板焊后經(jīng)X射線探傷達(dá)到I級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 焊接參數(shù)

表4 焊絲熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)

由表4不難看出，兩種焊絲熔敷金屬力學(xué)性能都達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。而G894M21Mn4Ni2CrMo國(guó)外焊絲熔敷金屬抗拉強(qiáng)度適中，其塑性與低溫沖擊韌性較高，非常適用于高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼的焊接。國(guó)產(chǎn)ER83－G焊絲熔敷金屬塑性和低溫沖擊韌性低于G894M21Mn4Ni2CrMo焊絲，這不利于高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼的焊接。由此可見(jiàn)，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲質(zhì)量有待進(jìn)一步提高，才能滿足焊接生產(chǎn)的快速發(fā)展。

3 890 MPa高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼焊接工藝要點(diǎn)

890 MPa高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼焊接主要存在兩個(gè)問(wèn)題:一是焊接的冷裂紋敏感性問(wèn)題。二是焊接熱循環(huán)可能導(dǎo)致熱影響區(qū)(HAZ)及焊縫金屬的綜合力學(xué)性能降低，主要是強(qiáng)度、塑性和韌性。為此施焊中首先要采用合理的焊前預(yù)熱措施，控制好層間溫度，并要求焊后立即進(jìn)行后熱處理，降低焊縫熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量。其次要嚴(yán)格控制熱輸入，采用小線能量，應(yīng)用快速焊與窄焊道方法，一般不允許擺動(dòng)，每焊完一道焊縫，要求必須立即快速錘擊焊縫，改善應(yīng)力分布狀態(tài)。以保證焊接接頭質(zhì)量。

3.2 890 MPa高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲的生產(chǎn)應(yīng)用

由于國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲的C、S、P、Cu等有害元素控制水平低于國(guó)外產(chǎn)品，焊絲制造設(shè)備與技術(shù)尚未成熟，還處于研制開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用階段。目前國(guó)內(nèi)大型工程機(jī)械制造企業(yè)，在焊接890 MPa高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，大部分企業(yè)應(yīng)用進(jìn)口焊絲，只有少數(shù)企業(yè)選用國(guó)產(chǎn)焊絲。如我公司TZM500t和TZM1200t全地面伸縮臂起重機(jī)的伸縮臂主焊縫、支腿結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及底盤結(jié)構(gòu)等主焊縫的焊接。TZT1200t履帶式伸縮臂起重機(jī)的伸縮臂主焊縫、支腿結(jié)構(gòu)和車架結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)等主焊縫的焊接。TZC660和TZC750履帶式起重機(jī)桁架臂主管與接頭、拉管與接頭、車架和轉(zhuǎn)臺(tái)及履帶架等主焊縫的焊接，曾分別使用瑞士奧林康公司G894M21Mn4Ni2CrMo、伯樂(lè)焊接(中國(guó))有限公司Tunion GM120、瑞典伊薩公司OK AristoRod 89、意大利飛樂(lè)公司FILEUR ERM等高強(qiáng)鋼焊絲，焊縫質(zhì)量經(jīng)檢查完全滿足上述產(chǎn)品技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

890 MPa高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼已成為我國(guó)大型機(jī)械工程制造領(lǐng)域常用的金屬材料之一。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外890 MPa高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲的對(duì)比試驗(yàn)研究與生產(chǎn)應(yīng)用，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲制造設(shè)備與技術(shù)成熟，原材料化學(xué)成分設(shè)計(jì)合理，焊絲的工藝性能和熔敷金屬綜合力學(xué)性能優(yōu)良，適用于高強(qiáng)度細(xì)晶粒調(diào)質(zhì)鋼的焊接。由于我國(guó)高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲制造起步較晚，與國(guó)外品牌焊絲比較，還有一定差距，國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼焊絲產(chǎn)業(yè)任重道遠(yuǎn)。這就需要國(guó)內(nèi)鋼廠與焊材生產(chǎn)企業(yè)密切協(xié)作，在高校和科研院所及用戶的共同努力下，盡快研制生產(chǎn)出質(zhì)量好、品種全的國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲，打破國(guó)外產(chǎn)品壟斷的被動(dòng)局面，以更好地適應(yīng)我國(guó)焊接生產(chǎn)的快速發(fā)展。