工程機(jī)械用低合金高強(qiáng)鋼焊接性分析及建議

趙小康，侯國清，張海燕，肖毅強(qiáng)，鄧穎章，蘇雅萍

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州545007）

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，工程機(jī)械行業(yè)朝著“三高一大”即：高端、高技術(shù)含量、高附加值，大噸位的方向發(fā)展，故對整機(jī)結(jié)構(gòu)件的輕量化、使用壽命以及對材料更高屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐沖擊性、良好的焊接使用性提出了更高的要求[1]。低合金高強(qiáng)鋼相比較普通碳素鋼而言，在具備高抗拉強(qiáng)度的同時，還具有良好的塑韌性、屈強(qiáng)比高，能夠減輕構(gòu)件重量等優(yōu)點(diǎn)[2]，而被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械行業(yè)，如：起重機(jī)吊臂、液壓支架、土石方機(jī)械、混凝土機(jī)械等[3]。低合金高強(qiáng)鋼的使用不僅減輕了整機(jī)自身的重量，而且提高了整機(jī)承受復(fù)雜多變載荷的能力，保證了鋼結(jié)構(gòu)在復(fù)雜工況下工作的可靠性。但是工程機(jī)械用鋼大多需要進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接結(jié)構(gòu)件約占整機(jī)重量的50%～70%，焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，將直接決定整機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和使用可靠性[4]。低合金高強(qiáng)鋼雖然含碳量較低，但是較多合金組元的添加，使其實(shí)際碳當(dāng)量并不低，并且對于一系列低合金高強(qiáng)鋼來說，隨著強(qiáng)度級別的升高，合金元素的加入提高了鋼的淬透性，其沖擊韌性往往會下降，鋼材的氫脆敏感性顯著增加，增加了低合金高強(qiáng)鋼焊接的難度。所以如何確保低合金高強(qiáng)鋼焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，得到可靠的焊接結(jié)構(gòu)變得尤為重要。本文主要從低合金高強(qiáng)鋼本身的焊接性出發(fā)，對低合金高強(qiáng)鋼的焊接做出理論性指導(dǎo)。

1 目前低合金高強(qiáng)鋼焊接存在的問題

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，試驗(yàn)研究及對實(shí)際應(yīng)用中低合金高強(qiáng)鋼焊接構(gòu)件的失效分析發(fā)現(xiàn)，低合金高強(qiáng)鋼焊接主要存在的問題是焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的焊接冷裂紋，熱影響區(qū)的脆化和軟化失強(qiáng)及部分熱裂紋現(xiàn)象[5]。

低合金高強(qiáng)鋼的焊接相比較普通鋼材而言，焊接過程難于控制，焊縫易于出現(xiàn)問題，這就需要在焊接過程中嚴(yán)格控制焊接參數(shù)，正確布置焊道，對于脆硬性大，強(qiáng)度級別高的鋼材在焊接前還需要進(jìn)行預(yù)熱，后熱等處理。而在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)中，由于焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜且通常屬于大型構(gòu)件，自身重量大，考慮到效率、產(chǎn)量、成本、工作條件及環(huán)境因素，焊接工藝的實(shí)施往往存在著隨意性，未能以最理想的焊接狀態(tài)對低合金高強(qiáng)鋼進(jìn)行施焊，故如何解決在工程化用低合金高強(qiáng)鋼焊接的問題至關(guān)重要。

2 低合金高強(qiáng)鋼焊接性分析及評價方法

2.1 低合金高強(qiáng)鋼的冷裂敏感性

常用于判斷焊接冷裂敏感性的準(zhǔn)則主要有化學(xué)成分分析法和焊接試驗(yàn)法。

2.1.1 碳當(dāng)量法

國際焊接學(xué)會IIW，日本JIS標(biāo)準(zhǔn)，美國焊接學(xué)會AWS對碳當(dāng)量計算分別做了相關(guān)規(guī)定。每個公式的運(yùn)用要對應(yīng)相應(yīng)的適用范圍。如日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碳當(dāng)量計算公式如下：

使用范圍：低碳調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼（σb=500~1 000 MPa） C≤0.2%；Si≤0.55%；Mn≤1.5%；Cu≤1.5%；Ni≤2.5%；Cr≤1.25%；Mo≤0.7%；V≤0.1%；B≤0.006%.

根據(jù)材料的化學(xué)成分可以計算出相應(yīng)的碳當(dāng)量，即碳當(dāng)量數(shù)值越大，表明被焊鋼材的脆硬傾向越大，熱影響區(qū)越容易產(chǎn)生冷裂紋，焊接時需要通過預(yù)熱來防止焊接裂紋的產(chǎn)生。并且隨著板厚的增加，預(yù)熱溫度也需要相應(yīng)提高，不同板厚推薦預(yù)熱溫度的主曲線如圖1所示[6]。

圖1 不同板厚推薦預(yù)熱溫度

2.1.2 冷裂紋敏感指數(shù)Pc

其中，Pcm為冷裂敏感系數(shù)，δ為板厚（mm），H為熔敷金屬擴(kuò)散氫含量（mL/100g）。

通常情況下，當(dāng)Pcm≥0.2%時被焊鋼材具有冷裂傾向[7]。為防止冷裂所需要的最低預(yù)熱溫度T0可以通過下式計算：

我國根據(jù)國產(chǎn)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的特點(diǎn)，通過考慮板厚δ（mm），熔敷金屬擴(kuò)散氫含量[H]（mL/100g），冷裂敏感系數(shù)Pcm和鋼材抗拉強(qiáng)度σb（MPa），建立了防止冷裂紋的預(yù)熱溫度計算公式：

2.1.3 試驗(yàn)法判斷材料的冷裂敏感性

判斷材料冷裂敏感性的試驗(yàn)方法主要有熱影響區(qū)最高硬度法，斜Y坡口對接裂紋試驗(yàn)（小鐵研法），插銷試驗(yàn)，拉伸拘束裂紋試驗(yàn)（TRC），剛性拘束裂紋試驗(yàn)（RRC）等。

通過上述試驗(yàn)可以對被焊材料的冷裂敏感性做出判斷。當(dāng)被焊鋼材焊接熱影響區(qū)的最高維氏硬度超過350 HV時，既具有一定的冷裂傾向。對于熱影響區(qū)最高硬度除實(shí)際測量外，可通過經(jīng)驗(yàn)公式：HV=1 470Pcm+52-810logt8/5，計算得來[8]。對于材料的斜Y裂紋敏感性試驗(yàn)，認(rèn)為裂紋率在20%以下即為安全[9]。

在低合金高強(qiáng)鋼焊接前可通過上述方法，對被焊材料的冷裂敏感性做出判斷，根據(jù)大量文獻(xiàn)記載，多數(shù)低合金高強(qiáng)鋼在焊接時存在不同程度的冷裂傾向，其主要取決于：材料的脆硬傾向，焊接結(jié)構(gòu)本身的拘束度及接頭熱影響區(qū)及焊縫熔合帶中擴(kuò)散氫含量[10]。單純從焊縫組織角度出發(fā)，對于調(diào)質(zhì)態(tài)的低合金高強(qiáng)鋼而言，由于該類鋼含碳量很低，具有較高的轉(zhuǎn)變溫度Ms點(diǎn)，如果合理控制冷卻速度，生成的馬氏體可進(jìn)行一次“自回火”處理，得到強(qiáng)度和韌性較好的回火馬氏體和回火貝氏體，可起到防止冷裂紋的效果[11]。從防止低合金高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋的角度出發(fā)，應(yīng)采取熱量集中、線能量較低的焊接方法，相應(yīng)的焊前預(yù)熱和焊后熱處理措施，選用低氫型和超低氫型焊接材料。對于抗拉強(qiáng)度800 MPa以上的鋼種，可考慮運(yùn)用“低強(qiáng)匹配”的焊材，以保證其綜合指標(biāo)[12]。

2.2 低合金高強(qiáng)鋼的熱烈敏感性

低合金高強(qiáng)鋼含碳量較低，Mn含量較高，且對S、P 控制嚴(yán)格，該類鋼 W（Mn）/W（S）比例大，故熱裂傾向較小。但是對于高Ni低Mn類型的鋼種有一定的熱裂敏感性，其主要產(chǎn)生于熱影響區(qū)的過熱區(qū)。對于Cr-Mo和Cr-Mo-V鋼存在再熱裂紋傾向[11]。

針對鋼材的熱裂紋和再熱裂紋敏感性，可通過熱裂敏感指數(shù)HCS（6），再熱裂紋敏感指數(shù)法PSR（7）及臨界應(yīng)變增長率CST（8）進(jìn)行有效分析。普遍認(rèn)為：當(dāng)HCS≤2時，不會產(chǎn)生熱裂紋；PSR≤0時，再熱裂紋敏感性不強(qiáng)；CST≥6.4×10-4，可以防止裂紋。

2.3 低合金高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)的脆化和軟化

對于低合金高強(qiáng)鋼而言，熱影響區(qū)通常是組織不均勻的部位，同時存在焊接接頭脆化（韌性下降）和軟化的現(xiàn)象。低合金高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)脆化主要體現(xiàn)在焊接熱循環(huán)的作用下，當(dāng)t8/5增加時，熱影響區(qū)過熱區(qū)奧氏體晶粒粗化，并且伴隨著上貝氏體和M-A組元的形成，導(dǎo)致接頭沖擊韌性顯著降低[11]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，低碳調(diào)質(zhì)鋼熱影響區(qū)獲得較細(xì)小的低碳馬氏體（ML）組織或下貝氏體（BL）組織時，韌性良好，而韌性最佳的組織為低碳馬氏體（ML）與低溫轉(zhuǎn)變貝氏體（BL）的混合組織；對于調(diào)制態(tài)的低合金高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)的軟化主要發(fā)生在峰值溫度高于母材回火溫度至Ac1的區(qū)域，特別是峰值溫度靠近Ac1的區(qū)域，這跟該區(qū)域組織轉(zhuǎn)變及碳化物的析出沉淀和聚集長大有關(guān)[8]。軟化區(qū)的存在往往成為最終焊接接頭失效的薄弱環(huán)節(jié)。焊接前母材的回火溫度越低，焊后熱影響區(qū)的軟化則越嚴(yán)重。焊接接頭的脆化和軟化，可以通過控制焊接熱輸入和預(yù)熱溫度來防止。

3 低合金高強(qiáng)鋼焊接過程應(yīng)注意的問題

3.1 焊縫金屬的強(qiáng)韌性匹配

焊縫強(qiáng)度匹配系數(shù)S=（σb）w/（σb）b（其中（σb）w為焊縫強(qiáng)度，（σb）b為母材強(qiáng)度）可以表征焊縫與母材之間的強(qiáng)度匹配關(guān)系，當(dāng)（σb）w/（σb）b=1時為等強(qiáng)匹配；（σb）w/（σb）b＞1時為超強(qiáng)匹配；（σb）w/（σb）b＜1低強(qiáng)匹配。在實(shí)際生產(chǎn)過程中對于焊接材料的選擇往往是基于熔敷金屬的強(qiáng)度進(jìn)行選擇，可是焊縫金屬的強(qiáng)度并不等同于熔敷金屬的強(qiáng)度，對于高強(qiáng)鋼焊接材料，其焊縫金屬的強(qiáng)度往往比熔敷金屬的強(qiáng)度高，所以基于熔敷金屬強(qiáng)度選擇的焊接材料，則會出現(xiàn)名義“等強(qiáng)”實(shí)際“超強(qiáng)”的結(jié)果，使得焊縫塑性，韌性，抗裂性顯著下降，使用性能變差。在高強(qiáng)鋼的焊接中，保證焊縫金屬具有與母材相當(dāng)?shù)捻g性水平至關(guān)重要[11]。很多工程構(gòu)件的失效脆斷，往往是在低應(yīng)力下，由于疲勞和應(yīng)力腐蝕等原因使裂紋沿著韌性最差的部位進(jìn)行，最終在低應(yīng)力下斷裂，其主要是因?yàn)轫g性不足引起的。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，在高強(qiáng)鋼的焊接中，采用“低強(qiáng)匹配”能夠獲得綜合使用性能較優(yōu)的焊接接頭，可提高焊縫區(qū)的韌性儲備及抗裂敏感性，最大限度地降低焊縫內(nèi)的應(yīng)力，提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和使用可靠性。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，對于σb≥800 MPa的高強(qiáng)鋼，采用“低強(qiáng)匹配”能有效防止裂紋，適當(dāng)降低焊縫強(qiáng)度可以降低接頭拘束應(yīng)力而減輕熔合區(qū)的負(fù)擔(dān)，有利于降低根部裂紋的生成傾向，且認(rèn)為只要焊縫金屬的強(qiáng)度不低于母材強(qiáng)度的87%，仍可保證焊接接頭的強(qiáng)度性能。并且采用“低強(qiáng)匹配”且超低氫的焊接材料焊接時，可以降低預(yù)熱溫度，改善生產(chǎn)條件，降低能耗。文獻(xiàn)[14]關(guān)于10 mm厚調(diào)制態(tài)Q690D的焊接中，使用“低強(qiáng)匹配”焊絲ER69-G，在80%Ar+20%CO2保護(hù)的GMAW方法下，通過控制焊接線能量在8 kJ/cm左右，得到了成性良好，綜合性能高的焊縫，其焊縫強(qiáng)度僅低于母材的12%，滿足其使用要求。文獻(xiàn)[6]中，作者通過自制的“低強(qiáng)匹配”實(shí)心焊絲配合 80%Ar+20%CO2氣體保護(hù)焊對25 mm的Q960E高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到180℃以上時，可有效防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生。在文獻(xiàn)[1]中等人提到，對受應(yīng)力集中的部位高強(qiáng)鋼焊接，采用較低的軟基材料進(jìn)行打底，可整體提高接頭的塑性儲備，減小接頭根部的拘束應(yīng)力，降低產(chǎn)生根部裂紋的傾向。文獻(xiàn)[15]中，作者選取HS-80“低強(qiáng)匹配”焊絲對SHT900鋼進(jìn)行了焊接，在控制相關(guān)焊接過程的基礎(chǔ)上得到了性能滿足使用要求的焊接接頭。

3.2 焊接工藝過程的控制

3.2.1 焊接方法

在低合金高強(qiáng)鋼的焊接中盡量選用中，低線能量的焊接方法，通過控制焊接熱輸入，避免線能量過高，造成焊接接頭發(fā)生脆化和軟化。從經(jīng)濟(jì)性、適用性及工作效率出發(fā)，目前工程機(jī)械行業(yè)大多采用焊接熱輸入密度集中、中，低線能量、熔池保護(hù)及脫氫效果良好、操作簡單、生產(chǎn)效率高的CO2焊和20%Ar+80%CO2富氬混合氣體保護(hù)焊。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，新型的焊接方法也被用于高強(qiáng)鋼的焊接，諸如新型脈沖MIG焊機(jī)，在20%CO2+80%Ar富氬條件下，通過快速壓縮電弧工藝，實(shí)現(xiàn)低電流射流過渡完成高強(qiáng)鋼高品質(zhì)的焊接[16]；還有激光焊，激光-電弧復(fù)合法，超窄間隙MAG焊等方法被用于高強(qiáng)鋼的焊接。并且在相關(guān)高強(qiáng)鋼焊接的研究中，往往會采用兩種或者兩種以上的焊接方法，完成焊接作業(yè)，如文獻(xiàn)[17]中提到，在打底焊時可采用熱輸入更低的脈沖TIG焊，獲得質(zhì)量優(yōu)良的根部焊道，填充層可采用MAG焊。

3.2.2 預(yù)熱溫度的選擇

對于普遍的低合金高強(qiáng)鋼而言，由于其具有較高的碳當(dāng)量和本身含有一定量Cr、Mo等淬透型元素，使其焊接冷裂敏感性強(qiáng)，此時往往需要通過預(yù)熱的措施控制焊接冷速，避免熱影響區(qū)生成過多的脆硬馬氏體，降低焊接應(yīng)力和熱影響區(qū)硬度，且通過預(yù)熱使氫從焊接接頭易于逸出，從而防止裂紋的產(chǎn)生。在低合金高強(qiáng)鋼焊接時，需要嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度的大小。根據(jù)文獻(xiàn)[1]推薦，高強(qiáng)鋼的預(yù)熱溫度應(yīng)該控制在100～150℃.預(yù)熱溫度過高，反而會使熱影響區(qū)沖擊韌性和塑性降低。

3.2.3 熱輸入的選擇

在焊接熱循環(huán)過程中，焊接熱輸入的大小直接影響著焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能。根據(jù)文獻(xiàn)記載[16]，在高強(qiáng)鋼的焊接中，當(dāng)材料的屈服強(qiáng)度σs≤600 MPa時，其冷裂敏感性小，適合較大熱輸入的焊接，而對于屈服強(qiáng)度σs≥700 MPa高強(qiáng)度級別的鋼材，冷裂傾向大，此時不宜采用大熱輸入的焊接。合理的熱輸入大小，會使焊縫具備良好的耐沖擊性，韌性和強(qiáng)度提高，熱影響區(qū)變窄縮小軟化區(qū)寬度，接頭殘余應(yīng)力降低。

對于熱輸入大小的合理選擇可以基于相關(guān)焊接熱模擬試驗(yàn)，焊接接頭的韌性好壞及微觀組織來選擇。諸如，文獻(xiàn)[9]利用斜Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)，在不同熱輸入情況下，驗(yàn)證了焊絲MK-G76對于Q690鋼焊接時的適用性，研究表明：當(dāng)焊接熱輸入＜20kJ/cm時，焊接接頭裂紋率較低；當(dāng)焊接熱輸入＞20kJ/cm時，接頭裂紋均明顯提高。在焊接方法一定的情況下，焊接熱輸入的大小直接影響著焊接粗晶區(qū)的冷卻時間（即t8/5），對于中，高線能量的焊接方法，往往具有較高的t8/5時間。文獻(xiàn)[18]通過熱模擬的方法驗(yàn)證了不同t8/5對Q690CDF鋼板粗晶區(qū)韌性的影響，研究表明：當(dāng)t8/5大于40 s以后，粗晶區(qū)韌性顯著降低，沖擊吸收功出現(xiàn)明顯下降，并且認(rèn)為當(dāng)焊縫粗晶區(qū)生成低碳板條馬氏體和少量下貝氏體時，具有較高的韌性。對于Q690鋼材焊接，選擇中線能量的焊接方法，控制線能量低于20 kJ/cm時，可得到綜合性能較優(yōu)的焊接接頭。文獻(xiàn)[19]研究發(fā)現(xiàn)，在Q960鋼的焊接中，焊接熱輸入稍低于12 kJ/cm時，焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響均具有良好的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性，當(dāng)熱輸入大于12 kJ/cm時，接頭性能顯著降低。然而在文獻(xiàn)[20]中提到Q960適合小熱輸入焊接，熱輸入控制在12～24 kJ/cm，t8/5時間在20 s時，焊接接頭具有良好的綜合性能。對于熱影響區(qū)t8/5時間的控制可以基于下列公式進(jìn)行計算：

三維傳熱（厚板）：

二維傳熱（薄板）：

其中:δcr為臨界板厚；η 為相對熱效率（℃）；T0為初始溫度，E 為焊接線能量（J/cm），F(xiàn)2、F3為三維和二維傳熱時的接頭系數(shù)。

當(dāng)被焊鋼材的厚度δ＞0.75 δcr時采用式 7；δ≤0.75δcr時采用式（8）.相關(guān)量的查詢可參考文獻(xiàn)[21].

3.2.4 焊接參數(shù)的設(shè)置及相關(guān)焊接規(guī)范

焊接參數(shù)的設(shè)置要使焊接接頭具有優(yōu)良的性能，在實(shí)際焊接中對于焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)往往是對電流、電壓、焊接速度、焊槍角度及擺動大小的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[22]中有提到，中厚板（8～30 mm）的低合金高強(qiáng)鋼，推薦以達(dá)到噴射過渡焊接電流為宜。重要結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵焊縫盡可能要求全焊透，要求鈍邊≤1 mm，盡可能采用多層多道的焊接方法，相比較單層焊可顯著降低根部裂紋，后焊焊縫可促進(jìn)氫的逸出，改善前道焊縫和熱影響區(qū)的組織，但是要嚴(yán)格控制層間溫度，層間溫度要稍高于預(yù)熱溫度，在低合金高強(qiáng)鋼焊接時，層間溫度控制在150～200℃時，可得到拉伸和沖擊性能較優(yōu)的焊接接頭[1，15]。在文獻(xiàn)[23]中提到，為了限制焊接熱輸入，多層多道錯位焊接技術(shù)能夠減少熱影響區(qū)高溫停留時間，對防止焊接接頭脆性斷裂有很大幫助，一般每層每道焊縫接頭錯開距離應(yīng)控制在20～50 mm.并且在文獻(xiàn)[1，23]中規(guī)定，對于多層多道焊接中，除根部和蓋面焊縫外，其余焊層焊道厚度應(yīng)不超過5 mm，寬度不大于10 mm，焊接操作時盡量不采取橫向擺動和跳弧焊接。

3.2.5 焊接后熱處理

焊后熱處理的目的是為了消除焊接內(nèi)應(yīng)力，改善焊接接頭微觀組織及機(jī)械性能，提高構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性，增強(qiáng)抗應(yīng)力腐蝕，提高結(jié)構(gòu)件后期使用的質(zhì)量穩(wěn)定性和工作安全性。文獻(xiàn)[1]中提到，對于強(qiáng)度高于650 MPa或拘束接頭較大的焊接接頭，焊后應(yīng)立即進(jìn)行消氫處理，消氫溫度控制在300～400℃之間，時間為1～2 h.對于工程機(jī)械大型構(gòu)件，整體加熱不易實(shí)現(xiàn)，通常是將焊縫及周圍100 mm范圍內(nèi)均勻加熱到300～350℃，保溫1.5～2 h，緩冷。

對于低合金高強(qiáng)鋼的焊接除了上述焊接過程中應(yīng)該注意的問題外，還應(yīng)該嚴(yán)格控制焊接前的準(zhǔn)備，如被焊材料焊前的坡口清理，焊接接頭的正確組坯，裝配間隙，定位焊的質(zhì)量，以及焊接順序?qū)附淤|(zhì)量的影響。

4 結(jié)論

低合金高強(qiáng)鋼以其優(yōu)越的性能，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域。在低合金高強(qiáng)鋼的焊接過程應(yīng)對被焊鋼材做出合理的焊接性評定，制定焊接規(guī)范，如預(yù)熱溫度，焊接熱輸入，焊材匹配，焊道布置，焊后熱處理等，避免針對工程機(jī)械用低合金高強(qiáng)鋼出現(xiàn)的冷裂及熱影響區(qū)的脆化軟化問題。