S690QL鋼材焊接工藝及應(yīng)用

鄧凱　張春永　何鏡明　張智明

摘 要：本文針對(duì)屈服強(qiáng)度≥690 MPa鋼材S690QL的材質(zhì)特點(diǎn)，以手工電弧焊為研究方向，對(duì)焊接熱輸入量和層間溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，采用適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?，制定出合理的焊接工藝，以保證焊接接頭的焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：S690QL；工藝流程；工藝參數(shù)；生產(chǎn)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U671.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In view of the material characteristics of the high-tensile steel of ≥690MPa S690QL， this paper proposes the reasonable welding technology for manual arc welding by strict control of welding heat input and inter-pass temperature and proper post-weld heat treatment to ensure the welding quality of welding joint.

Key words： S690QL； Technological process； Welding parameters； Application

1 前言

隨著海洋工程裝備的不斷發(fā)展，對(duì)于某些特殊結(jié)構(gòu)或設(shè)備選用高強(qiáng)鋼也越來(lái)越廣，如特種船舶起重機(jī)底座和臂桿、科考船A字架、自升式鉆井平臺(tái)樁腿等。S690QL鋼是一種力學(xué)性能遠(yuǎn)高于普通船用鋼的高強(qiáng)鋼，在同級(jí)別高強(qiáng)鋼領(lǐng)域應(yīng)用較廣，但其焊接難度較大，對(duì)焊接工藝流程的控制是該材料焊接的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

S690QL鋼最小屈服強(qiáng)度可達(dá)690 MPa，由于該強(qiáng)度級(jí)別的材料是通過(guò)調(diào)質(zhì)（淬火+回火）處理以保證其強(qiáng)度要求，而焊接過(guò)程會(huì)對(duì)熱影響區(qū)的母材的性能造成一定的影響，特別是焊接熱影響區(qū)的粗晶粒區(qū)域有一定的冷裂傾向，并有韌性下降的現(xiàn)象，以及受熱時(shí)其最高溫度低于Ac1線、高于鋼調(diào)質(zhì)處理的回火溫度的那個(gè)區(qū)域會(huì)有軟化或脆化的傾向。該級(jí)別的材料在常規(guī)船舶結(jié)構(gòu)中很少采用，主要用于特種船舶的強(qiáng)受力結(jié)構(gòu)，焊接難度大，技術(shù)要求高，特別是對(duì)于厚板的焊接，必須對(duì)焊接工藝參數(shù)及焊接過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2 焊接性分析

該材料的含碳量不超過(guò)0.2%，由于合金元素的強(qiáng)化作用，焊縫及焊接熱影響區(qū)淬硬性得到提高，焊后組織均為馬氏體，其轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)Ms較高，后續(xù)焊縫可對(duì)上一層焊縫形成的馬氏體組織自動(dòng)回火，組織的改善降低了冷裂紋產(chǎn)生的幾率，使焊接過(guò)程中冷裂紋傾向減小。但焊接過(guò)程中如果熱輸入過(guò)于集中或冷卻速度較慢，則在焊接熱影響區(qū)易發(fā)生軟化或脆化現(xiàn)象；若冷卻速度過(guò)快，焊接熱影響區(qū)又易發(fā)生淬硬組織，有出現(xiàn)冷裂紋和韌性下降的傾向。

因此，制定焊接工藝時(shí)應(yīng)著重注意預(yù)熱溫度及層間溫度的控制，同時(shí)為了提高焊接接頭的抗裂性，應(yīng)盡量降低焊接接頭的含氫量，焊后及時(shí)對(duì)接頭進(jìn)行消氫處理。并采用小的線能量進(jìn)行焊接，盡量減少粗晶熱影響區(qū)的高溫停留時(shí)間，降低奧氏體的過(guò)熱長(zhǎng)晶和穩(wěn)定性，從而降低熱影響區(qū)的脆化程度。

3 焊接工藝設(shè)計(jì)

3.1 焊接接頭

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)采用60°的V形坡口，而工程應(yīng)用中的焊接接頭采用AWS D1.1推薦的坡口形式，以保證焊接操作和焊縫熔合，避免焊接缺陷的產(chǎn)生。

3.2 焊接方法和焊接材料

為了更好的控制焊接線能量，焊接采用小線能量的手工電弧焊；焊材的選擇應(yīng)綜合考慮焊縫金屬的韌性、強(qiáng)度和焊接性，為了提高焊縫的抗裂性，應(yīng)采用低碳合金系數(shù)，并盡量降低焊縫金屬的硫、磷雜質(zhì)含量。經(jīng)過(guò)試用對(duì)比，焊材選用林肯E11018M-H4焊條。

3.3 材料切割

在切割前需對(duì)材料進(jìn)行均勻預(yù)熱，使用電加熱片或加熱槍進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在120 ℃～150 ℃區(qū)間；切割邊緣必需打磨光滑平整，確保沒(méi)有裂紋、缺口和其他可能影響焊接質(zhì)量的缺陷；切割完成后，采用打磨或機(jī)加工的方法將切割面至少2 mm的表層去除，確保切割邊緣光順、平整。

3.4 裝配及清潔處理

在裝配之前，焊縫以及焊縫臨近區(qū)域的所有水銹、熔渣、氧化物或其他雜質(zhì)必須清理干凈；在開(kāi)始定位焊前，定位焊區(qū)域必須按工藝要求進(jìn)行預(yù)熱；定位焊嚴(yán)格按照焊接的工藝要求施工，同時(shí)盡量減少不必要的臨時(shí)附件的點(diǎn)焊（如支架、支托和碼板等）；定位焊燒完后，需對(duì)焊縫進(jìn)行保溫緩冷。

3.5 焊前預(yù)熱及層間溫度控制

預(yù)熱主要是為了防止裂紋、降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，通過(guò)馬氏體“自回火”作用提高抗裂性；同時(shí)，在焊接過(guò)程中要嚴(yán)格控制層間溫度，避免層間溫度過(guò)高，使800 ℃～500 ℃之間的冷卻速度低于出現(xiàn)脆性混合組織的臨界冷卻速度，使熱影響區(qū)的韌性下降；預(yù)熱溫度控制在120 ℃～150 ℃區(qū)間。預(yù)熱采用火焰加熱器或者電熱毯，預(yù)熱/層間溫度檢測(cè)位置在焊道兩側(cè)至少75 mm的位置，檢查方法采用測(cè)溫筆或測(cè)溫儀測(cè)量，層間溫度最高不超過(guò)200 ℃。

3.6 焊接工藝參數(shù)

焊接采用手工電弧焊，控制焊接熱輸入是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，熱輸入的大小直接影響到焊接接頭的組織和性能，應(yīng)選擇合適的電流、電壓、焊接速度等工藝參數(shù)，以獲得最佳的熱輸入，見(jiàn)表1。

3.7 焊接過(guò)程控制

（1）調(diào)試電流只能在焊接板上調(diào)試，不能在焊縫或母材上調(diào)試；焊接時(shí)引弧和熄弧要在坡口內(nèi)進(jìn)行，嚴(yán)禁在坡口以外的母材表面引?。?/p>

（2）焊接過(guò)程中不能隨意停止焊接，要保證所熔敷的金屬厚度在母材厚度的2/3以上；焊接盡可能采取連續(xù)作業(yè)，若要中途停頓應(yīng)做好相應(yīng)的保溫措施；

（3）焊接過(guò)程中要控制好焊接速度，確保焊接厚度不太厚或太??；焊道不要過(guò)寬，嚴(yán)禁超過(guò)焊條直接的2.5倍；endprint

（4）為避免應(yīng)力集中，每層焊道的斷點(diǎn)位置應(yīng)間隔50 mm，在焊接下一道焊縫前必須仔細(xì)打磨焊道邊角處以確保不會(huì)有夾雜、咬邊和氣孔；

（5）每道焊縫完成后在下一道焊縫開(kāi)始前必須對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，任何不規(guī)整的地方都要用打磨或其他的手動(dòng)工具清理干凈，避免后期補(bǔ)焊返修。

3.8 焊后熱處理

焊接結(jié)束后，采用電加熱毯在焊縫兩側(cè)150 mm范圍內(nèi)進(jìn)行后熱處理，溫度控制在220 ℃～250 ℃，保溫時(shí)間2小時(shí)，以減少焊接接頭的擴(kuò)散氫的含量，降低焊縫的脆性，提高接頭的綜合性能，處理完成后，對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行緩冷。

3.9 無(wú)損檢驗(yàn)

焊接完成72小時(shí)后對(duì)試件進(jìn)行NDT檢驗(yàn)，包括焊縫外觀檢查、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)或射線檢測(cè)等

4 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果與分析

無(wú)損檢驗(yàn)磁粉檢測(cè)和射線檢測(cè)結(jié)果顯示，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)的焊縫缺陷，檢驗(yàn)結(jié)果合格；

無(wú)損檢測(cè)后按照英國(guó)勞氏船級(jí)社的要求進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為835 MPa / 860 MPa，高于最低770 MPa的要求；

焊接接頭的彎曲試樣經(jīng)過(guò)180o的彎曲試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)缺陷或開(kāi)裂，焊接接頭的塑性滿足要求；沖擊試驗(yàn)結(jié)果均大于30 J的技術(shù)要求，焊接接頭的沖擊性能滿足要求；

韋氏硬度（HV10）檢測(cè)結(jié)果均未超過(guò)420（HV10），滿足接頭的使用要求。

通過(guò)上述嚴(yán)格的工藝程序，在已完成的大型起重船“萊韋冠軍”輪基座、克令吊臂桿以及科考船A架等項(xiàng)目，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，所有焊縫均未發(fā)現(xiàn)任何裂紋現(xiàn)象及其他缺陷，滿足了標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件要求。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，該工藝采用手工電弧焊對(duì)S690QL鋼板進(jìn)行焊接，焊材匹配得當(dāng)，焊接工藝切實(shí)可行，通過(guò)嚴(yán)格地執(zhí)行焊接工藝，能夠滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求，同時(shí)手工電弧焊操作性強(qiáng)、便于控制，適用于項(xiàng)目的改裝和維修。

參考文獻(xiàn)

[ 1 ] 陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.

[ 2 ] EN 10025-6， 2004[S].

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