Q690E低合金高強(qiáng)鋼MAG焊接工藝研究

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211170)

Q690E低合金高強(qiáng)鋼MAG焊接工藝研究

劉軍華

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京211170)

采用KOBELCO型機(jī)器人離線編程方法，遠(yuǎn)程控制單絲焊接系統(tǒng)，使用焊材MG-S88A對(duì)Q690E低合金高強(qiáng)鋼進(jìn)行MAG焊接試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)Q690E焊接性分析，合理設(shè)計(jì)焊接工藝，嚴(yán)格控制焊接關(guān)鍵因素，解決了Q690E高強(qiáng)鋼焊接接頭韌性低的問(wèn)題。結(jié)果表明，KOBELCO型機(jī)器人MAG焊接方法適用于Q690E的焊接。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，焊接接頭彎曲和拉伸性能符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm、熔合線+5 mm沖擊吸收能量在-40 ℃條件下均大于69 J。

低合金高強(qiáng)鋼機(jī)器人焊接中厚板焊接力學(xué)性能

0 序 言

低合金高強(qiáng)鋼Q690E因其優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配被廣泛應(yīng)用到工程機(jī)械、港口機(jī)械、海洋平臺(tái)、鍋爐和船舶的使用上，不僅可以增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和減輕自重，而且能夠顯著降低總成本[1]。

傳統(tǒng)焊接方法采用焊條電弧焊，焊接時(shí)采取先焊接正面坡口、反面碳弧氣刨清根、打磨、探傷、再預(yù)熱、背面焊接等制作工藝。傳統(tǒng)工藝工序復(fù)雜、穩(wěn)定性差、一次焊接合格率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大且生產(chǎn)周期長(zhǎng)。因此，尋找焊接機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)成為當(dāng)務(wù)之急。所以，迫切需要解決Q690E低合金高強(qiáng)鋼機(jī)器人MAG焊接工藝在焊接自動(dòng)化生產(chǎn)的應(yīng)用[2]。

文中針對(duì)Q690E中厚板焊接要求，采用KOBELCO機(jī)器人MAG焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接試驗(yàn)研究，探索影響Q690E焊接性的關(guān)鍵因素，總結(jié)焊接工藝規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)Q690E焊接自動(dòng)化生產(chǎn)提供工藝借鑒[3]。

1 焊接材料及設(shè)備

1.1 焊接材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑榈秃辖鸶邚?qiáng)鋼Q690E，填充材料為MG-S88A實(shí)心焊絲，焊絲直徑為φ1.2 mm，保護(hù)氣體為82%Ar+18%CO2，氣體流量20 L/min。母材與焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1～2。焊接試板尺寸為：500 mm×200 mm×60 mm，坡口形式如圖1所示。

圖1 工件示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

焊接設(shè)備為KOBELCO型機(jī)器人單絲焊接系統(tǒng)，焊接電源為AB500脈沖電源，如圖2所示；焊接系統(tǒng)采用離線編程方法進(jìn)行遠(yuǎn)程示教，離線編程界面如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備及工件

圖3 離線編程界面

類別CSiMnCrMoNiSPQ690E0.130.281.280.520.592.360.0080.010MG-S88A0.070.401.200.080.723.120.0020.005

表2 Q690E與MG-S88A熔敷金屬力學(xué)性能

2 試驗(yàn)方法與焊接工藝

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用KOBELCO機(jī)器人單絲MAG焊，焊接位置為PA，焊前進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度T為150 ℃，焊后保溫?zé)崽幚?.5 h×200 ℃。

2.2 焊接工藝

試驗(yàn)采用單絲焊接，共有15層41道。打底焊接時(shí)，焊絲指向坡口根部中心位置，確定焊槍角度基準(zhǔn)。焊接過(guò)程中每道焊接參數(shù)、焊接線平移均在機(jī)器人數(shù)據(jù)庫(kù)中編輯，避免每道焊接進(jìn)行示教，提高焊接效率。焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

3 焊接關(guān)鍵因素控制

Q690E焊接工藝區(qū)間比較敏感，需要合理調(diào)整焊接工藝進(jìn)行焊接。根部焊縫質(zhì)量控制、焊層厚度控制、T8/5冷卻時(shí)間、確定送絲速度與弧長(zhǎng)匹配關(guān)系是提高Q690E焊接接頭焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

3.1 根部焊縫質(zhì)量控制

焊材、母材、墊板屬于三種不同的化學(xué)元素體系。為了降低根部熔合比，保證根部焊接接頭力學(xué)性能的穩(wěn)定性，打底時(shí)電流控制在270～280 A。焊接根部前4層時(shí)，需要控制擺寬和焊接速度，防止側(cè)壁熔合不良；控制送絲量和焊接熱輸入，保證根部焊縫中心沖擊韌性達(dá)到要求。實(shí)際生產(chǎn)為了節(jié)省焊接材料，控制生產(chǎn)成本，焊接Q690E時(shí)要求采用單邊V形30°坡口，間隙10 mm。噴嘴-坡口示意圖如圖4所示。

3.2 焊層厚度控制

根據(jù)文獻(xiàn)記載[4-5]，適用于焊接Q690E的熱輸入范圍需要控制在12～18 kJ/cm。但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，僅僅控制熱輸入并不能達(dá)到符合Q690E焊接接頭力學(xué)性能要求。其中，根部前4層焊接時(shí)熱輸入可控制在14～16 kJ/cm范圍內(nèi)；填充焊接時(shí)，熱輸入比較容易控制，最佳范圍在13～15 kJ/cm。當(dāng)焊層厚度控制在合理范圍之內(nèi)，可獲得力學(xué)性能優(yōu)良的焊接接頭。具體焊道排布方式如圖5所示。

圖4 噴嘴-坡口匹配示意圖

3.3 確定送絲速度與弧長(zhǎng)的匹配關(guān)系

焊接過(guò)程的穩(wěn)定性是獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良焊縫的必要條件。為了保證電弧穩(wěn)定，減少焊接過(guò)程飛濺，需要確認(rèn)弧長(zhǎng)-送絲速度-焊絲伸出長(zhǎng)度之間的匹配關(guān)系?；￠L(zhǎng)過(guò)短會(huì)導(dǎo)致側(cè)壁熔合不良，致使熔合區(qū)沖擊吸收能量產(chǎn)生低值；弧長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響焊槍氣體保護(hù)效果，焊縫中N含量增加，產(chǎn)生氮化物，同樣會(huì)降低焊縫沖擊韌性?？刂扑徒z速度并根據(jù)送絲速度確定電弧電壓是提高Q690E焊接接頭沖擊吸收能量的因素之一。

圖5 60 mm厚Q690E焊道排布方式

4 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

試驗(yàn)預(yù)熱溫度為150 ℃，層間溫度為150 ℃，焊后在200 ℃下保溫2.5 h進(jìn)行后處理。按照標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1/D1.1M—2010進(jìn)行工藝評(píng)定檢測(cè)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微組織觀察分析，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸、側(cè)彎、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，并測(cè)定不同區(qū)域的顯微硬度。

4.1 焊接接頭金相分析

焊接接頭顯微組織分析如圖6所示。圖6a的焊縫組織為貝氏體+鐵素體；圖6b和圖6c的熔合區(qū)組織與焊縫組織有很大區(qū)別，熔合區(qū)粗晶區(qū)組織為低碳馬氏體+貝氏體；圖6d的母材組織為回火索氏體。

4.2 拉伸、彎曲和沖擊性能

4.2.1 拉伸性能

根據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，拉伸試驗(yàn)選取試樣需要覆蓋焊件的全厚度，每個(gè)試樣在厚度方向取樣4件，每件約為12 mm。經(jīng)過(guò)拉伸試驗(yàn)檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度均值為840 MPa，試樣斷裂形式均為母材-韌斷。這說(shuō)明焊接接頭的強(qiáng)度要高于母材，拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

4.2.2 彎曲性能

彎曲試驗(yàn)可以測(cè)定材料承受彎曲載荷時(shí)的力學(xué)性能。檢測(cè)不同位置的4組側(cè)彎試驗(yàn)，壓頭直徑為63.5 mm，側(cè)彎角度為180°，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，焊接接頭均無(wú)裂紋產(chǎn)生，表明焊接接頭具有良好的塑性，證明焊接工藝可行。

圖6 Q690E焊接接頭顯微組織

試件編號(hào)抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷裂位置1841母材/韌斷2863母材/韌斷3805母材/韌斷4852母材/韌斷

表5 彎曲試驗(yàn)

4.2.3 沖擊性能

低溫沖擊吸收能量是檢測(cè)低合金高強(qiáng)鋼Q690E焊接接頭質(zhì)量的重要條件。根據(jù)要求，沖擊試樣取樣位置如圖7所示，去除上、下表面2 mm后取樣，取樣位置為焊縫(WC)、熔合線(FL)、距熔合線2 mm(FL+2 mm)、距熔合線5 mm(FL+5 mm)，每組各取3件。

圖7 取樣位置圖

沖擊試樣加工為55 mm×10 mm×10 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣，焊接接頭在-40 ℃低溫條件下開(kāi)V形槽，沖擊吸收能量均大于69 J。沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

Q690E焊接接頭沖擊韌性在焊縫中心位置最薄弱，焊縫韌性較低是因?yàn)楦邚?qiáng)鋼焊材難以保證其熔化后自身低溫韌性的穩(wěn)定性。但通過(guò)調(diào)整焊接工藝，控制焊接熱輸入，尤其在焊縫根部控制焊接速度和焊接電流，保證根部焊縫韌性。在多層多道焊接條件下，需要盡量保證側(cè)壁熱輸入一致；熔合線、熔合線+2 mm和熔合線+5 mm位置沖擊吸收能量高于焊縫沖擊吸收能量。總體來(lái)說(shuō)，焊接接頭沖擊吸收能量符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 顯微硬度

對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，檢測(cè)位置為距離上、下表面2 mm，如圖7所示。檢測(cè)點(diǎn)順序?yàn)槟覆?直邊熱影響區(qū)-焊縫-斜邊熱影響區(qū)。檢測(cè)結(jié)果如表7所示，熱影響區(qū)位置硬度較高，其主要原因是工件較大，熱影響區(qū)位置散熱較快，在快速冷卻條件下易形成淬硬組織，且上表面熱影響區(qū)硬度值要高于下表面熱影響區(qū)。

表7 顯微硬度

5 結(jié) 論

(1)采用KOBELCO機(jī)器人離線編程，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程示教，離線編程生成焊接程序，完成現(xiàn)場(chǎng)焊接。

(2)通過(guò)對(duì)根部熔合比、高溫停留時(shí)間和熔池冷卻時(shí)間的控制，保證側(cè)壁熱輸入一致以及送絲速度與弧長(zhǎng)穩(wěn)定匹配是保證Q690E焊接接頭沖擊吸收能量滿足要求的關(guān)鍵因素。

(3)Q690E低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭母材組織為回火索氏體；焊縫組織為貝氏體和鐵素體；熔合區(qū)粗晶區(qū)組織為低碳馬氏體+貝氏體。

(4)采用MG-S88A焊絲焊接Q690E低合金高強(qiáng)鋼可以獲得良好的拉伸、彎曲和沖擊性能的焊接接頭。拉伸試驗(yàn)斷裂為母材/韌斷，焊縫強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度均值為840 MPa；彎曲試件無(wú)撕裂現(xiàn)象，焊接接頭熔合良好；各個(gè)位置低溫沖擊吸收能量均通過(guò)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求(-40 ℃，69 J)。

(5)Q690E低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭焊縫處的顯微硬度平均值為307.8 HV，母材顯微硬度平均值為276.8 HV，直邊熱影響區(qū)平均值為368.5 HV，斜邊熱影響區(qū)硬度值平均值為349.8 HV。

[1] 董達(dá)善，俞翔棟，黃婉娟，等．Q690高強(qiáng)鋼厚板MAG焊焊接工藝[J]．電焊機(jī)，2015，45(4)：123-126．

[2] 李亞江．高強(qiáng)鋼焊接[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2010．

[3] 李丹暉，徐亦楠，徐 浩，等．Q960高強(qiáng)鋼焊絲熔敷金屬組織及性能研究[J]．焊接，2017(2)：44-47．

[4] 李亞江，蔣慶磊，暴一品，等．焊接熱輸入對(duì)Q690高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)組織和韌性的影響[J]．中國(guó)科技論文在線，2011，6(2)：98-102．

[5] 張顯輝，賈 軍，楊益清．屈服強(qiáng)度890 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接工藝研究[J]．焊接，2015(8)：35-38．

TG457.11

2017-03-17

江蘇省教育科學(xué)"十三五"規(guī)劃課題(D/2016/03/16)

劉軍華，1968年出生，工學(xué)碩士，副教授，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)椴牧霞庸ぁ?/p>