S690QL高強(qiáng)鋼橫焊埋弧焊工藝研究及硬度降低方法

■ 付偉龍

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1. 概述

桅桿式起重機(jī)是海洋工程起重機(jī)之一。該桅桿由多個(gè)筒體環(huán)縫焊接。當(dāng)筒體直徑較小時(shí)，環(huán)縫可以采用平焊焊接，隨著起重能力的提高，筒體的直徑和壁厚隨之增加，無(wú)法采用平焊焊接。由于我公司承接了一臺(tái)5000t的起重機(jī)，筒體壁厚65mm， 直徑10m。橫焊埋弧焊的方法被首次引入生產(chǎn)中，如圖1所示。

埋弧焊通常采用平焊，熔化的鐵液在重力的作用，能夠理想的熔入焊縫坡口。而橫焊埋弧焊面臨著鐵液下趟，易產(chǎn)生未熔合的風(fēng)險(xiǎn)。

公司承接的起重機(jī)桅桿采用S690QL的材料，屈服強(qiáng)度為690MPa，要求的沖擊溫度為-40℃。該鋼材的使用有助于減輕起重機(jī)的自重。但是新鋼材，新工藝給焊接過(guò)程帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)項(xiàng)目要求，該焊接執(zhí)行美國(guó)焊接學(xué)會(huì)AWS D1.1和英國(guó)勞氏船級(jí)社（LR）的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 筒體埋弧焊橫焊

2. 焊接工藝

（1）焊接性分析 S690QL屬于低合金高強(qiáng)鋼，鋼板的交貨狀態(tài)是淬火加回火，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1和表2所示。

（2）焊材的選擇 焊接材料的選擇除了要考慮與鋼材強(qiáng)度，韌性等性能相匹配外，還要盡量減少焊縫中擴(kuò)散氫含量，保證接頭沖擊韌性，減少裂紋的傾向。為此焊材的選定必須為低氫，擴(kuò)散氫的含量為H5（≤5mL/100mg）。

結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)，打底焊材選擇Stein 品牌Megafil 742M（φ1.2mm），填充和蓋面采用Topcore 742B（φ4.0）匹配ST 55焊劑。Megafil 742M 焊材型號(hào)為E110C—G ， Topcore 742B 型號(hào)為F11A8—EC—F5，Topcore 742B為藥芯埋弧焊絲，因?yàn)樗巹┑淖饔?，可以達(dá)到-60℃的沖擊性能。

（3）預(yù)熱溫度的確定 預(yù)熱溫度參照AWS D1.1 的附件來(lái)選擇。首先計(jì)算Pcm（焊接冷裂紋敏感指數(shù)）的含量。本測(cè)試工藝Pcm=0.29。其次根據(jù)焊材含氫量選擇對(duì)應(yīng)的敏感度指數(shù)分類(lèi)。本試驗(yàn)由于海工環(huán)境的要求，選擇低氫焊絲（H1組類(lèi)）。確定敏感度指數(shù)分組為D組。再次根據(jù)拘束度及板厚確定預(yù)熱溫度為130℃。本試驗(yàn)選擇中等等級(jí)拘束度。

（4）坡口的設(shè)計(jì) 筒體對(duì)接，埋弧焊平焊通常采用雙V形坡口（X坡口）。如果該坡口用于橫焊埋弧焊，面臨著焊接工作量較大，鐵液容易下趟，焊劑堆積過(guò)量的問(wèn)題。為此將坡口改進(jìn)為K形坡口，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)埋弧焊導(dǎo)電桿容易和焊縫底部產(chǎn)生短路。最終選擇坡口設(shè)計(jì)如圖2所示。坡口預(yù)留3～5mm 的間隙，上部45°坡口，底部預(yù)留15°坡口。根部采用陶瓷襯墊打底。

（5）焊接參數(shù)及熱輸入 橫焊的焊接參數(shù)值略小于平焊的參數(shù)。因此根據(jù)焊材材質(zhì)書(shū)的參數(shù)，稍微調(diào)小，得到理想的焊縫成形。焊接參數(shù)如表3所示。參照鋼板制造商的介紹，S690QL 的最大熱輸入不應(yīng)超過(guò)2.5kJ/mm。

3. 理化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果

（1）理化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 依據(jù)船級(jí)社LR和AWS D1.1 的要求，試驗(yàn)項(xiàng)目包括橫向拉伸，側(cè)向彎曲，低溫沖擊，宏觀及硬度。

（2）試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果 首先，完工的焊縫進(jìn)行外觀檢測(cè)，達(dá)到ISO5817—B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其次，待焊縫冷卻48h后，進(jìn)行磁粉檢測(cè)和超聲波檢測(cè)，無(wú)超標(biāo)缺陷，尤其是不可以產(chǎn)生裂紋。再次，試板送理化試驗(yàn)測(cè)試。接頭拉伸、彎曲、沖擊測(cè)試結(jié)果如表4～表6所示。理化試驗(yàn)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。

硬度檢測(cè)示意如圖3所示，宏觀照片如圖4所示，接頭硬度測(cè)試值如表7所示。

圖2 坡口設(shè)計(jì)

圖3 硬度檢測(cè)示意

表1 S690QL1鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 S690QL1鋼板力學(xué)性能

表3 焊接參數(shù)

4. 硬度值分析及回火焊道

從硬度值可以看出以下幾個(gè)規(guī)律。

（1）從鋼板厚度方向上，根部的硬度比鋼板的表面硬度低，這得益于后續(xù)焊道對(duì)根部焊道的反復(fù)熱處理。

（2）同一個(gè)厚度上，熱影響區(qū)硬度值高于母材及焊縫區(qū)域。

（3）焊縫表面，最后一道熱影響區(qū)比第一道熱影響區(qū)硬度高25HV10，這是由于最后一道焊縫沒(méi)有后續(xù)焊道的回火處理。

為了降低最后一道熱影響區(qū)的硬度，特調(diào)整蓋面的焊道順序，采用回火焊道（見(jiàn)圖5）。改進(jìn)后的第7道焊縫不在母材邊緣，它給第6道焊縫進(jìn)行回火。第6道焊縫熱影響區(qū)的硬度通過(guò)第7道的回火作用得到降低。通過(guò)額外的工藝測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該焊道排布對(duì)焊縫內(nèi)部力學(xué)性能沒(méi)有影響，但明顯降低了表面的熱影響區(qū)硬度。

該回火焊道的方法被廣泛用于高強(qiáng)鋼的焊接。對(duì)于平焊、立焊和仰焊，可采用從兩側(cè)往中間焊接的方法，其硬度降低的效果比橫焊更明顯（見(jiàn)圖6）。

5. 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)驗(yàn)證了橫焊埋弧焊適用于S690QL的可行性。通過(guò)采用合適的預(yù)熱溫度、焊接參數(shù)、焊材及回火焊道等措施，取得了良好的焊接效果。

圖4 宏觀照片

表4 橫向拉伸性能

表5 橫向彎曲性能

表6 焊接接頭沖擊性能

表7 接頭硬度測(cè)試（≤420HV10合格）

圖5 橫焊的回火焊道

圖6 改進(jìn)的蓋面順序