Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接方法與工藝要點(diǎn)分析

蔡嘯濤

摘 要：隨著焊接結(jié)構(gòu)輕量化和高強(qiáng)化的發(fā)展趨勢(shì)，Q690MPa級(jí)低合金高強(qiáng)鋼在各類制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼在焊接過程中存在的問題，分析了該鋼種的焊接性，總結(jié)了常見的焊接方法及焊接材料選擇與應(yīng)用，探討了焊接熱輸入、預(yù)熱與焊后熱處理等工藝條件對(duì)焊縫及熱影響區(qū)組織與性能的影響，為焊接施工中制定正確的焊接工藝提供了參考。

關(guān)鍵詞：Q690 焊接 方法 工藝

中圖分類號(hào)：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0112-02

Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼廣泛應(yīng)用于海洋裝備、工程機(jī)械、橋梁結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域，通過控軋控冷、調(diào)質(zhì)處理及組織強(qiáng)韌化，該類鋼種可獲得很高的綜合力學(xué)性能。目前常規(guī)使用的Q690MPa級(jí)鋼主要包括TMCP低碳貝氏體鋼及低碳調(diào)質(zhì)鋼（QT），兩者均采用低碳成分設(shè)計(jì)以改善焊接性，但仍然存在淬硬傾向與冷裂紋傾向大、焊接熱影響區(qū)（HAZ）性能下降等問題。不同的焊接方法及工藝，決定了不同的焊接熱循環(huán)條件，最終決定了焊縫及熱影響區(qū)的組織與性能，因此，探討和分析該類鋼種的焊接方法與工藝對(duì)提高焊接接頭性能具有重要意義。

1 焊接性分析

1.1 冷裂紋

冷裂紋是Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接接頭中較為常見且危害性較大的缺陷。冷裂紋一般是在在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms附近，由擴(kuò)散氫、拘束應(yīng)力及淬硬組織的共同作用而產(chǎn)生，主要出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)等韌性降低的缺口區(qū)域，個(gè)別情況下也出現(xiàn)在焊縫金屬上，一般為穿晶、沿晶斷裂或混合型斷裂[1]。

一般以碳當(dāng)量（CE，Ceq）作為鋼材淬硬傾向和冷裂傾向的判據(jù)，國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的公式為[2]：

日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的碳當(dāng)量公式為[2]：

碳當(dāng)量的數(shù)值越大，被焊鋼材的淬硬傾向越大，焊接區(qū)域越容易出現(xiàn)冷裂紋。使用國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式時(shí)，對(duì)于板厚小于20mm的鋼材，一般認(rèn)為碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，淬硬傾向不大，焊接性較好；當(dāng)碳當(dāng)量在0.4%～0.6%時(shí)，尤其是當(dāng)碳當(dāng)量大于0.5%時(shí)，鋼材已具有較大的淬硬傾向，焊接性變差，此時(shí)焊前需預(yù)熱才能防止冷裂紋，隨著厚度增大預(yù)熱溫度須相應(yīng)提高[3]。從合金成分的角度考慮，Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼中的低碳調(diào)質(zhì)鋼合金元素含量較高，具有一定的冷裂傾向；TMCP低碳貝氏體鋼由于低合金成分設(shè)計(jì)，冷裂傾向相對(duì)較低。

1.2 熱影響區(qū)的脆化及軟化

Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的熱影響區(qū)組織及性能不均勻，在焊接熱循環(huán)作用下，容易出現(xiàn)脆化（塑韌性下降）及軟化現(xiàn)象。其中，脆化現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于奧氏體晶粒粗化、上貝氏體和M-A組元的形成。

2 焊接方法與材料

Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼目前常用的焊接方法包括焊條電弧焊（SMAW）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、鎢極氬弧焊（GTAW）及埋弧焊（SAW）等。為保證焊接接頭的強(qiáng)度、塑韌性及抗裂性，焊接材料選用一般采用等強(qiáng)匹配原則。選用P、S、O、N、H等雜質(zhì)含量低的焊接材料，有利于降低冷裂紋傾向，提高焊縫及熱影響區(qū)的韌性。

2.1 焊條電弧焊

焊條電弧焊施工靈活，熱輸入量較低，熱影響區(qū)寬度較小，因此具有較小的晶粒度及較好的塑韌性。缺點(diǎn)是受焊工技能影響較大、生產(chǎn)效率較低、生產(chǎn)成本較高。特別是對(duì)于不進(jìn)行焊后熱處理的中厚板現(xiàn)場(chǎng)焊接，由于焊接周期長、冷卻速度過大，為降低淬硬及冷裂傾向，必須通過預(yù)熱及保溫處理保持一定的層間溫度（一般不高于200℃），進(jìn)一步增加了施工成本和難度。

2.2 氣體保護(hù)焊

熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）相比焊條電弧焊，提高了一定的生產(chǎn)效率，同時(shí)由于熱輸入量不高，熱影響區(qū)的脆化和軟化程度不大，使用多層多道焊時(shí)，焊接接頭具有良好的綜合力學(xué)性能。焊接材料選用方面，按照AWS 5.28《氣體保護(hù)電弧焊用低合金鋼焊絲規(guī)范》，應(yīng)選用ER110S類別的實(shí)心焊絲，同時(shí)搭配80%Ar+20%CO2混合氣進(jìn)行焊接；按照AWS 5.36《氣體保護(hù)電弧焊用低合金鋼藥芯焊絲規(guī)范》，應(yīng)選用E111T1類別的低氫藥芯焊絲，同時(shí)搭配99.9%純度的CO2保護(hù)氣進(jìn)行焊接。

鎢極氬弧焊（GTAW）由于熱量集中、熱輸入小的特點(diǎn)，焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)異，但由于其較低的生產(chǎn)效率，一般僅用于根部焊道打底及薄板焊接，焊接材料選用ER110S類別的實(shí)心焊絲。

2.3 埋弧焊

埋弧焊的自動(dòng)化程度高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。缺點(diǎn)是由于埋弧焊的熱輸入較大，相應(yīng)的冷卻速度較慢，雖然從防止冷裂紋的角度是有利的，但是過高的熱輸入不僅使得熱影響區(qū)晶粒粗化，同時(shí)會(huì)促使上貝氏體及M-A組元的形成，嚴(yán)重影響焊縫熱影響區(qū)的塑韌性，特別是低溫沖擊韌性。同時(shí)，過高的熱輸入將導(dǎo)致軟化區(qū)寬度增大，造成熱影響區(qū)軟化的危害。因此，使用埋弧焊方法焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入，降低焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性的下降的風(fēng)險(xiǎn)。埋弧焊的焊接材料根據(jù)AWS A5.23《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑規(guī)范》，應(yīng)選用F11A8/P8類別的低氫焊絲與焊劑組合。

3 焊接工藝特點(diǎn)

Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼由于具有高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，通常用于較為重要的焊接構(gòu)件，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的強(qiáng)度及韌性要求較高，同時(shí)要求具備較好的抗冷裂性。焊接工藝對(duì)焊接接頭的組織與性能的影響很大，其中較為重要的工藝因素是焊接熱輸入、預(yù)熱及焊后熱處理。

3.1 焊接熱輸入

在焊接熱源的作用下，靠近熔合區(qū)的母材被加熱到較高的溫度，組織發(fā)生明顯的變化，在加熱過程中，基體組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，原始析出物溶解或粗化，在冷卻過程中，奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、鐵素體、貝氏體以及可能產(chǎn)生的新的析出物。熱輸入較小時(shí)，焊縫區(qū)主要形成低碳馬氏體和少量貝氏體，韌性較高，但由于冷卻速度較大，熱影響區(qū)淬硬性明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致冷裂紋傾向上升，因此需要預(yù)熱或緩冷；隨著熱輸入的提高，冷卻速度降低，峰值溫度升高，從而導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化，焊縫區(qū)韌性下降，同時(shí)熱影響區(qū)開始形成上貝氏體（Bu）甚至M-A組元，導(dǎo)致脆化，但由于該類鋼種碳含量較低，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）較高，形成的馬氏體具有一定的自回火效應(yīng)，一定程度上有利于防止冷裂紋的產(chǎn)生。

3.2 預(yù)熱及焊后熱處理

當(dāng)母材厚度低于10mm，拘束度不大情況下，采用低氫焊材焊接，可以不進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)焊接熱輸入較小或冷卻速度過大時(shí)，需要預(yù)熱及緩冷，主要目的是通過降低馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，利用馬氏體自回火作用防止冷裂紋，但是預(yù)熱溫度不宜過高，否則對(duì)焊接熱影響區(qū)會(huì)有不利的影響（產(chǎn)生Bu，M-A組元等），反而使韌性降低。焊后熱處理主要用于改善焊后力學(xué)性能，降低焊接接頭殘余應(yīng)力，消除擴(kuò)散氫等，對(duì)于低碳調(diào)質(zhì)鋼，焊后熱處理溫度不得高于調(diào)質(zhì)處理的回火溫度。

4 結(jié)論

（1）Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的常用焊接方法包括焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊等，應(yīng)根據(jù)板厚、施工條件、應(yīng)用需求選擇合適的焊接方法，按照等強(qiáng)匹配原則，選用低氫焊材以降低冷裂紋傾向。

（2）Q690MPa級(jí)高強(qiáng)鋼焊接過程中，如工藝因素不當(dāng)，會(huì)造成較大的淬硬、冷裂傾向以及熱影響區(qū)性能的下降，因此應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入，采取預(yù)熱、緩冷及焊后熱處理等工藝措施，從而保證焊接接頭的綜合力學(xué)性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 許廷強(qiáng)，董立新，王長衛(wèi).焊接冷裂紋成因及預(yù)防研究[J].內(nèi)江科技，2005（1）：80.

[2] 曹良裕，魏戰(zhàn)江.鋼的碳當(dāng)量公式及其在焊接中的而應(yīng)用[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，1999，14（1）：39-43.

[3] 李亞江，栗卓新，陳芙蓉，等.焊接冶金學(xué)：材料焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.