Q890D高強鋼不預(yù)熱焊接裂紋敏感性技術(shù)研究

譚星，江亞平，倪川皓，曹瑜琦

中聯(lián)重科股份有限公司國家混凝土機械工程技術(shù)研究中心 湖南長沙 410013

1 序言

隨著工程機械向大型化、輕量化方向發(fā)展，工程機械用鋼對性能的要求越來越高，屈服強度890MPa及以上高強鋼在結(jié)構(gòu)用鋼中所占比例不斷提高。Q890D鋼是屈服強度≥890MPa的低合金高強鋼，鋼的強度高，淬硬性大，焊接冷裂敏感性強，其中焊接冷裂紋是其應(yīng)用過程中需要優(yōu)先解決的關(guān)鍵問題[1，2]。為了防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，研究制定了焊前預(yù)熱的工藝措施[3-5]。但工程機械用高強鋼的板厚及其焊縫排列組合非常多，再加上工程機械的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、焊接工作量大和焊縫可達(dá)性差的生產(chǎn)特點，過于保守的焊接預(yù)熱措施會產(chǎn)生生產(chǎn)效率低下、勞動強度大、能耗和成本高等問題?？梢姡芯坎煌穸鹊腝890D高強鋼焊接可不預(yù)熱或低溫預(yù)熱的焊接工藝對工程機械高強鋼結(jié)構(gòu)件的焊接生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文通過對不同板厚的Q890D鋼板進(jìn)行了斜Y坡口試驗和模擬產(chǎn)品工況的角焊縫焊接試驗研究，以確定可不預(yù)熱和低溫預(yù)熱的焊接方案，為高強鋼不預(yù)熱焊接工藝提供參考。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

選用某鋼廠生產(chǎn)的屈服強度為≥890MPa的高強鋼板Q890D為研究對象，板厚分別為10m m、15mm、20mm，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1、表2。焊接材料選用低匹配的氣體保護(hù)焊實芯焊絲，牌號為ER76-G，直徑為1.2mm，化學(xué)成分和熔敷金屬的力學(xué)性能見表1、表3。采用熔化極混合氣體保護(hù)焊（GMAW），保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。

表1 Q890D鋼和ER76-G焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q890D鋼的力學(xué)性能

表3 ER76-G焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能

2.2 斜Y坡口焊接裂紋試驗

按GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗》開展斜Y坡口焊接裂紋試驗，試驗焊縫的預(yù)熱溫度采用10℃、100℃下焊接2組試驗焊縫，主要用于評價厚板多層焊根部焊道的冷裂紋敏感性。斜Y坡口試驗方案如圖1所示。

圖1 斜Y坡口試驗

（1）試驗參數(shù) 拘束焊縫與試驗焊縫的焊絲相同，拘束焊縫采用雙面焊，采用預(yù)熱、控制道間溫度，避免產(chǎn)生角變形、未焊透和裂紋等影響焊接質(zhì)量的缺陷。拘束焊縫的打底焊預(yù)熱溫度為150℃，焊接電流為160A，電弧電壓為19V，焊接速度為30cm/min；填充焊和蓋面焊的層間溫度為150℃，焊接電流為250A，電弧電壓為27V，焊接速度為40cm/min。拘束焊縫完全冷卻后，在兩端完全拘束的情況下開展單道試驗焊縫焊接，以評定裂紋傾向。試驗焊縫在平焊位置施焊，試驗溫度分別為10℃、100℃。試驗焊縫的焊接參數(shù)見表4。

表4 試驗焊縫的焊接參數(shù)

（2）裂紋檢測 試驗焊縫焊接后自然空冷，放置48h后，采用目視和20倍放大鏡觀察檢測，并計算表面裂紋率。

將焊縫寬度開始均勻處與焊縫弧坑中心間長約70mm的試驗焊縫分成4等份，取4個金相試樣（見圖2）。

圖2 斜Y坡口試驗金相取樣

在50倍以上顯微鏡觀察剖面上焊縫金屬和熱影響區(qū)的裂紋，計算剖面裂紋率。

（3）評價方法 斜Y坡口焊接裂紋試驗因接頭拘束度很大，一般認(rèn)為，表面裂紋率＜20%時，用于生產(chǎn)就是安全的，但也不應(yīng)有根部裂紋?？紤]到焊接生產(chǎn)方式，焊接接頭處于不穩(wěn)定的固定狀態(tài)，具有相當(dāng)大的應(yīng)力集中，為了確保不產(chǎn)生裂紋，采取裂紋率近于0的驗收要求。

2.3 角焊縫工藝試驗

為進(jìn)一步模擬產(chǎn)品實際生產(chǎn)條件，采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中常用的3種板厚的角焊縫為研究對象，采用生產(chǎn)中常用的焊接參數(shù)和實際工況的焊接道數(shù)和層間溫度等實際條件，開展T形接頭的角焊縫焊接試驗和硬度測試。

（1）焊接試驗 本次試驗采用20mm、15mm、10mm共3種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中常用的板厚和焊縫形式，立板和底板的長寬尺寸均為300mm×150mm，立板長單邊開35°坡口、1mm鈍邊，如圖3所示。由于實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸大、焊縫長，實際層間溫度僅70～80℃。因此試驗采用不預(yù)熱、層間溫度約70℃的試驗條件。角焊縫試驗焊接參數(shù)見表5。

圖3 T形接頭角焊縫

（2）顯微硬度測試 在焊接試驗的角焊縫中間位置取兩個金相試樣，金相試樣經(jīng)粗磨、精磨、剖光和腐蝕后，用顯微硬度計測試焊縫及其附近的硬度，測試位置如圖4所示。按GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》規(guī)定進(jìn)行。

表5 角焊縫試驗工藝參數(shù)

圖4 角焊縫硬度測試位置

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 斜Y坡口試驗

試板焊后經(jīng)48h自然冷卻后，對試驗焊縫表面進(jìn)行肉眼檢測（見圖5）。然后將試驗焊縫切成4個斷面試樣并進(jìn)行金相測試，在50倍光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行裂紋檢測（見圖6），試驗結(jié)果見表6。

圖5 斜Y坡口試板

圖6 試驗焊縫的金相試樣裂紋檢測

表6 斜Y坡口試驗檢測結(jié)果

由表6可以看出，20mm板在室溫下焊接斷面裂紋率達(dá)55%，預(yù)熱100℃的條件下焊接時，其表面裂紋率和斷面裂紋率均為0。15mm厚和10mm厚的試板，不管是室溫還是預(yù)熱100℃，表面裂紋率和斷面裂紋率均為0。在相同焊接參數(shù)條件下，鋼板厚度越厚，預(yù)熱溫度越低，焊后冷卻速度越快，焊縫熱影響區(qū)形成的淬硬組織越多，冷裂傾向也就越大，因而20mm板在不預(yù)熱條件下容易在焊縫根部熱影響區(qū)開裂，預(yù)熱后可以減緩焊后冷卻速度，熱影響區(qū)的淬硬傾向小，冷裂傾向也小。通過試驗表明，15mm和10mm厚的Q890D鋼的抗冷裂性較好，可不用預(yù)熱焊接，而20mm厚的Q890D鋼的抗冷裂性較差，預(yù)熱至100℃可防止冷裂紋。

3.2 角焊縫工藝試驗

板厚為20mm、15mm、10mm的3種試板角焊縫接頭如圖7所示。角焊縫試驗冷卻后，在焊縫中間采用線切割兩個金相試樣，經(jīng)粗磨、精磨、剖光和腐蝕后，采用顯微硬度計按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》檢測焊縫及其附近的硬度，測試結(jié)果如圖8所示。

圖7 T形接頭角焊縫試板

圖8 角焊縫顯微硬度測試

鋼的淬硬性是形成焊接冷裂紋的主要原因之一，受到焊接熱循環(huán)的影響，焊接熱影響區(qū)有著較高的淬硬傾向，是焊接冷裂紋敏感性較高的區(qū)域。硬度與強度之間存在對應(yīng)關(guān)系，大多數(shù)情況下，硬度越高其對應(yīng)材料的強度也就越高，且對應(yīng)的塑性、韌性也就越差，因此在重要焊接結(jié)構(gòu)中，應(yīng)對焊接接頭熱影響區(qū)最高硬度有一定限制要求。

從圖8可知，20mm和15mm板厚的T形接頭，在不預(yù)熱的情況下，熱影響區(qū)硬度值都有兩個測試點＞400HV10的材料允許硬度值，而10mm板的熱影響區(qū)最高硬度值均低于400HV10。另外，在相同的焊接參數(shù)和環(huán)境條件下，鋼板越厚，焊后冷卻速度越快，熱影響區(qū)的淬硬傾向就越大，從而硬度值偏高，韌性下降，在高于材料推薦的允許硬度值時，在拘束度大的結(jié)構(gòu)件中，就有產(chǎn)生焊接冷裂紋的風(fēng)險。因此，板厚為20mm和15mmT形接頭不預(yù)熱焊接有一定的冷裂風(fēng)險。而板厚10mm的T形接頭在不預(yù)熱的條件下焊接，淬硬和冷裂紋傾向較低，安全性較高。

4 結(jié)束語

本文針對不同板厚的Q890D鋼板進(jìn)行了斜Y坡口試驗和模擬產(chǎn)品工況的角焊縫試驗研究，得出以下結(jié)論：

1）開展斜Y坡口焊接裂紋試驗，結(jié)果表明，20mm板厚在室溫下不預(yù)熱焊接會產(chǎn)生裂紋，預(yù)熱至100℃后不會產(chǎn)生裂紋；而15mm和10mm板厚在室溫下焊接不會產(chǎn)生裂紋。

2）開展模擬產(chǎn)品實際生產(chǎn)條件的角焊縫焊接試驗和硬度測試，結(jié)果表明，20mm板厚和15mm板厚的試樣，均有多個熱影響區(qū)硬度值大于400HV10的材料推薦硬度值，而10mm板厚的所有硬度值均低于材料推薦硬度值。

3）綜合考慮斜Y坡口試驗和模擬產(chǎn)品工況的角焊縫試驗，10mm板焊接不需要預(yù)熱措施，20mm板最低預(yù)熱溫度為100℃，15mm板在拘束度較大的關(guān)鍵焊縫建議預(yù)熱100℃，而在拘束度較小的非關(guān)鍵焊縫可不用預(yù)熱。