結(jié)構(gòu)鋼焊接過(guò)程工作溫度控制研究

徐彥偉 金建飛 方廣超

摘要：為滿足社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的要求，工業(yè)設(shè)備的輕量化勢(shì)在必行，結(jié)構(gòu)鋼向著更高級(jí)別和更加理想的綜合性能發(fā)展。近年來(lái)大型履帶吊和高端煤礦機(jī)械液壓支架規(guī)格及數(shù)量不斷增長(zhǎng)，使得市場(chǎng)上對(duì)屈服強(qiáng)度890MPa以上級(jí)別高強(qiáng)鋼的需求不斷增多，更高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在工程機(jī)行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用?；诖?，本文主要對(duì)結(jié)構(gòu)鋼焊接過(guò)程工作溫度控制進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)鋼;焊接;溫度控制

中圖分類號(hào)：TG161 ?????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

近年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，高鐵建設(shè)項(xiàng)目更是取得了舉世矚目的成就，城市大型建筑、鐵路大跨度橋梁也日益增多。我國(guó)目前廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁工程的結(jié)構(gòu)鋼，隨著建筑規(guī)模、橋梁跨度的越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也越來(lái)越大，傳統(tǒng)用鋼已越來(lái)越難以滿足實(shí)際需要。本文主要對(duì)結(jié)構(gòu)鋼焊接過(guò)程工作溫度控制策略進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

1結(jié)構(gòu)鋼焊接過(guò)程工作溫度影響分析

1.1淬火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼性能和顯微組織的影響

870℃淬火時(shí)，屈服和抗拉強(qiáng)度最低，達(dá)不到Q890E的標(biāo)準(zhǔn)要求;淬火溫度提高至890℃，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高75MPa和68MPa;890～930℃淬火時(shí)，強(qiáng)度變化不明顯;950℃淬火，抗拉強(qiáng)度略有升高，而屈服強(qiáng)度顯著降低，屈強(qiáng)比變化情況與屈服強(qiáng)度變化情況相似，先升高后降低，在950℃淬火時(shí)達(dá)到最低值0.9。870～910℃淬火時(shí)，沖擊性能較好，在100J以上，890℃淬火最好，平均沖擊功169J;淬火溫度升高到930～950℃，沖擊性能急劇降低，950℃淬火最差，平均沖擊功僅28J。硬度性能隨淬火溫度升高變化趨勢(shì)與抗拉強(qiáng)度變化近似，淬火溫度由870℃提高至890℃，硬度提高30HV左右;890～930℃淬火時(shí)，硬度變化不大，較為接近;淬火溫度提高至950℃時(shí)，硬度提高10HV左右。綜合強(qiáng)韌性的匹配考慮，890～910℃為比較理想的淬火溫度。不同溫度淬火條件下的顯微組織，軋態(tài)組織由少量板條貝氏體、粒狀貝氏體以及M-A組元構(gòu)成，晶粒形態(tài)為扁平狀。在進(jìn)行淬火加熱時(shí)，鋼板組織重新奧氏體化，軋態(tài)扁平晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒。870℃淬火時(shí)，因加熱溫度低，一些未溶碳化物阻止晶粒長(zhǎng)大，使得晶粒較為細(xì)小，可提高試驗(yàn)鋼的強(qiáng)韌性;但在此溫度下加熱，試驗(yàn)鋼奧氏體化不完全，合金元素不能全部固溶，影響其淬透性，從而使強(qiáng)度性能降低;此外，部分未奧氏體化的鐵素體在淬火后保留于最終組織中，分布在馬氏體基體上，這種欠熱組織也會(huì)降低試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度，但這種組織構(gòu)成使得試驗(yàn)鋼具有較高的延伸率。隨著淬火加熱溫度提高至890℃以上時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微組織以回火索氏體為主。淬火溫度升高，鋼中更多的碳化物溶于奧氏體中，晶粒尺寸逐漸增大，晶界面積減小，鐵素體形核點(diǎn)數(shù)量減少，鋼的淬透性提高。同時(shí)，這些固溶于奧氏體中的碳和合金元素可在淬火后的回火過(guò)程中大量析出，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化組織，提高試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度。但隨著碳化物的固溶，抑制晶粒長(zhǎng)大的作用削弱，細(xì)晶強(qiáng)化效果減弱，對(duì)強(qiáng)度有不利的影響，因此，淬火溫度對(duì)強(qiáng)度性能的影響是多方面原因的綜合作用的結(jié)果。在890～950℃淬火時(shí)抗拉強(qiáng)度變化不大，說(shuō)明淬透性的提高和回火時(shí)碳化物的析出對(duì)強(qiáng)度的有利影響抵消了晶粒長(zhǎng)大的不利影響。在890～930℃淬火時(shí)，屈服強(qiáng)度變化情況呈現(xiàn)出類似抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律;當(dāng)淬火溫度升高至950℃時(shí)，屈服強(qiáng)度急劇降低，這是因?yàn)榫Я４执?，晶界減少使得試驗(yàn)鋼位錯(cuò)滑移阻力減小。淬火溫度對(duì)奧氏體晶粒度和隨后回火過(guò)程碳化物析出的影響同樣導(dǎo)致了沖擊韌性的差異。淬火溫度升高，晶粒長(zhǎng)大，淬火后板條束尺寸增大，降低材料的低溫沖擊韌性;而更多固溶的合金元素增大了淬火組織的過(guò)飽和度，回火后，大量彌散分布的碳化物提高了材料的沖擊韌性。在本文試驗(yàn)條件下，晶粒尺寸對(duì)韌性的影響更為明顯，淬火溫度高于930℃，沖擊功急劇降低。

1.2回火溫度對(duì)試驗(yàn)鋼性能的影響

不同溫度回火處理試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)450～600℃保溫60min回火處理，隨著回火溫度的升高，鋼試樣抗拉強(qiáng)度先降低再升高，屈服強(qiáng)度逐漸升高，屈強(qiáng)比逐漸升高。

2結(jié)構(gòu)鋼焊接過(guò)程工作溫度控制研究

2.1預(yù)熱溫度的控制

低溫環(huán)境下，管口溫度較低，散熱速度快，突然將溫度提升至金屬熔融溫度，會(huì)導(dǎo)致管材驟然開(kāi)裂，因此，對(duì)T91/P91鋼管焊前預(yù)熱，對(duì)防止產(chǎn)生冷裂紋、改善接頭組織和減少焊接殘余應(yīng)力起到重要的作用。通常T91/P91鋼管氬弧焊預(yù)熱溫度為：150～200℃，焊條電弧焊預(yù)熱溫度：200～250℃。為保證低溫環(huán)境下管道預(yù)熱溫度達(dá)到工藝要求，焊前預(yù)熱措施應(yīng)在防風(fēng)保溫棚內(nèi)進(jìn)行，以減緩熱量散失;加熱方式應(yīng)采用自動(dòng)控制遠(yuǎn)紅外電加熱，熱電偶對(duì)稱分布于坡口兩側(cè)，且不少于2個(gè)，熱電偶距離坡口邊緣25～35mm;加熱時(shí)，保溫材料必須覆蓋整個(gè)加熱器，且保溫材料應(yīng)包厚一點(diǎn)。

2.2層間溫度的控制

在整個(gè)焊接過(guò)程中，焊口層間溫度要嚴(yán)格控制在焊接工藝所規(guī)定的溫度范圍內(nèi)200～300℃，層間溫度過(guò)高、過(guò)低都不利于接頭缺陷和性能控制。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，層間溫度偏差較大，僅依靠熱電偶測(cè)溫不能反映真實(shí)的層間溫度，易造成層間溫度超標(biāo)。為確保層間溫度差不超過(guò)允許值，可采用便攜式遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀對(duì)層間溫度輔助測(cè)溫，以達(dá)到較好的效果。

2.3熱輸入控制

低溫環(huán)境下，對(duì)熱輸入的控制要求很高，熱輸入的大小對(duì)焊縫及其熱影響區(qū)的性能也有很大影響。熱輸入過(guò)大，晶粒尺寸生長(zhǎng)越大，易形成魏氏組織、粗大晶粒和網(wǎng)狀晶界，降低焊縫沖擊韌性、增大冷裂傾向。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，采用小的熱輸入，如小的焊接電流、低電弧電壓、窄焊道薄焊層、較快的焊接速度、較小直徑的焊條可以防止產(chǎn)生過(guò)熱組織和晶粒粗化，提高焊縫沖擊韌性。

2.4焊接道間溫度控制

通過(guò)合理控制焊接道間溫度，可有效降低冷卻速度，防止出現(xiàn)冷裂紋和脆硬組織。在合適的道間溫度下，隨著焊縫冷卻過(guò)程中散熱溫度梯度的降低，在400℃左右冷卻緩慢，對(duì)焊縫中的脆硬組織起到回火作用。道間溫度高會(huì)使焊接冷卻速度慢和道間熱作用區(qū)寬度增加，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)。實(shí)際生產(chǎn)中要求焊接道間溫度高于預(yù)熱溫度、低于評(píng)定最高道間溫度，最低道間溫度的控制目的是希望能降低脆性組織轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，最高道間溫度的控制是避免冷卻速度慢而形成組織粗大。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，結(jié)構(gòu)鋼焊接材料以鋼鐵為主，材料熔點(diǎn)多在150℃左右，在外力作用下，缺陷處或應(yīng)力集中處會(huì)產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，最后導(dǎo)致焊接接頭處產(chǎn)生了冷裂紋.因此隨著預(yù)熱溫度的升高，焊接接頭的冷卻速度逐漸降低，焊縫中擴(kuò)散氫含量減少，準(zhǔn)解理、韌窩斷為確保焊接縫可以完全吻合，焊接兩端穩(wěn)固性聯(lián)合，要求焊接人員要在焊接時(shí)，準(zhǔn)確把握焊接材料的焊接溫度。

參考文獻(xiàn)

[1]郭宏光.結(jié)構(gòu)鋼高溫成形及組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究[D].河北工程大學(xué)，2017.

[2]黃樂(lè)慶，王彥鋒，狄國(guó)標(biāo)，楊永達(dá)，韓承良.回火溫度對(duì)F/B結(jié)構(gòu)鋼組織及性能的影響[J].鋼鐵，2017，52（09）：79-83+91.

[3]張龍，王東城，馬曉寶，王志杰，陳素文.30Cr2Ni2Mo合金鋼高溫流變應(yīng)力模型[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2017，24（04）：144-149+172.

[4]戴明陽(yáng).碳素結(jié)構(gòu)鋼高效鹽浴滲氮技術(shù)研究[D].常州大學(xué)，2017.

[5]蘇立武.高鐵用結(jié)構(gòu)鋼淬透性及熱處理工藝試驗(yàn)[J].熱處理，2017，32（02）：24-27.

[6]胡恒法，王運(yùn)起，賈濤.低成本熱軋結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)[J].熱加工工藝，2017，46（07）：141-143+147.