S550MC高強(qiáng)度鋼薄板焊接工藝簡述

段江麗，楊鵬輝，郭 昊

(中國船舶第七一三研究所，河南 鄭州 450001)

某專用車的車底盤車架大梁采用S550MC，縱向長約4 m，橫向?qū)捈s2 m，其縱、橫大梁截面為110 mm×70 mm×2.5 mm的矩形管，該矩形管厚度由2件2.5 mm的S550MC鋼板成C形后對接接焊，各件焊接而成。車架其他支承梁采用厚度為2.5 mm的Q355B矩形管，車架整體尺寸約4 m×2 m。

S550MC是一種國內(nèi)近年成功生產(chǎn)出的高強(qiáng)度鋼，強(qiáng)化機(jī)理主要為細(xì)晶強(qiáng)化，輔以沉淀強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化，尤其適用于汽車大梁。汽車大梁用鋼主要用于制造汽車縱梁、橫梁、保險杠等結(jié)構(gòu)件，受力復(fù)雜，工作條件苛刻。因此，汽車大梁需要具有較高的強(qiáng)度、耐疲勞性等[1-2]。汽車大梁鋼的高強(qiáng)化是汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢，采用高強(qiáng)度的汽車大梁鋼可以顯著降低車輛質(zhì)量，且能在不增加車輛自身質(zhì)量的前提下大幅度提高汽車有效載荷[3-5]。

本文對S550MC鋼的焊接性進(jìn)行了分析，根據(jù)此車架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用MAG的方法進(jìn)行了S550MC高強(qiáng)度鋼同種材質(zhì)之間、S550MC與Q355B鋼異種鋼薄板的焊接工藝試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比與分析，驗(yàn)證了焊接工藝的合理性，依試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際產(chǎn)品車架的焊接工作，該型車已生產(chǎn)多輛，經(jīng)試驗(yàn)，車架焊接接頭性能良好，達(dá)到了預(yù)期要求。

1 母材焊接性分析

2.5 mm厚的Q355B鋼板在GB/T 1591標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表1和表2。S550MC是一種高屈服強(qiáng)度熱連軋鋼板，為我國近年研制的高強(qiáng)度鋼，上海寶鋼生產(chǎn)的S550MC鋼，化學(xué)成分例值及力學(xué)性能例值分別見表1和表2。

表1 Q355B和S550MC的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 Q355B和S550MC的力學(xué)性能

塑積常作為汽車鋼的評價指標(biāo)之一，塑積<25 000 MPa%的汽車用鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)[6]，由表2可得，試驗(yàn)用S550MC薄板的塑積為8 675 MPa%。

S550MC是一種高強(qiáng)度鋼。積塑對于高強(qiáng)度的焊接性，因其具有淬硬傾向，是冷裂紋產(chǎn)生的必要條件，與普通低合金鋼相比，在擴(kuò)散氫、拉應(yīng)力場的共同作用下極易產(chǎn)生冷裂紋；隨著強(qiáng)度級別的提高、板厚的增大，冷裂紋傾向變大。熱輸入小，冷卻速度較快，熔敷金屬氫含量高，會增加冷裂紋的敏感性，強(qiáng)度越高，冷裂問題將越突出[7]。

用碳當(dāng)量間接評估鋼材的焊接性是應(yīng)用廣泛的簡便易行的方法，式1為國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算公式，依此計算實(shí)驗(yàn)用S550MC的碳當(dāng)量CE僅為0.185 4[8]，依此判斷S550MC鋼冷裂紋傾向很低。

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

(1)

由表1可知，S550MC鋼含碳量很低，宜采用焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm來作為冷裂紋的判據(jù)[9]，計算方法如式2所示，依此計算實(shí)驗(yàn)用S550MC鋼的Pcm為0.117 5，依此也可判斷出S550MC鋼冷裂紋傾向很低。

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+P)/20+
Ni/60+Mo/15+V/10+5B

(2)

Q355B是一般用途的低合金高強(qiáng)度鋼，焊接性良好，GB/T 1591標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定其碳當(dāng)量CEV≤0.45%。S550MC鋼為低合金高強(qiáng)度鋼，常用于汽車大梁等。S550MC鋼含碳量低，通過添加Mn及微量的Nb、合金元素提高鋼的強(qiáng)度，其中Mn為固溶強(qiáng)度化元素，Nb、Ti能夠起到細(xì)化晶粒、提高鋼的強(qiáng)度和韌性的作用[10]。結(jié)合S550MC鋼碳當(dāng)量及焊接裂紋敏感性指數(shù)的計算結(jié)果可知，S550MC鋼冷裂紋傾向很低，焊接性良好。

2 焊接工藝試驗(yàn)

共3種試驗(yàn)，試件編號分別為A、B、C(見表3)。每種焊接試驗(yàn)采用規(guī)格為400 mm×150 mm×2.5 mm的鋼板，對接焊接，焊成后的試件規(guī)格為400 mm×300 mm×2.5 mm。

表3 試驗(yàn)分類

2.1 焊接方法、焊接材料

S550MC、Q355B鋼的焊接性良好，各種常用焊接方法均可焊接。結(jié)合產(chǎn)品車架的結(jié)構(gòu)形式，從減少焊接變形、便于操作的角度考慮，最終選用MAG的焊接方法進(jìn)行焊接。

焊接材料選擇方面，主要考慮與母材強(qiáng)度的匹配，最終S550MC同種材質(zhì)間的焊接選用山東索力得生產(chǎn)的焊絲SLD-70，其化學(xué)成分例值及力學(xué)性能例值分別見表4和表5。S550MC與Q355B異種材質(zhì)間的焊接選用型號為ER50-6的焊絲，該焊絲為常用的低合金鋼焊絲，GB/T 8110標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見表4和表5。焊絲的規(guī)格均為φ1.0 mm。

表4 ER50-6和SLD-70焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表5 ER50-6和SLD-70焊絲的力學(xué)性能

2.2 坡口型式、焊接位置

接頭采用I型坡口，間隙1～2 mm，焊接位置為平焊。

2.3 預(yù)熱、后熱

由材料的焊接性分析可知，S550MC、Q355B焊接性能均較好，冷裂紋傾向小，且接頭處母材厚度較薄，僅為2.5 mm，故不需焊前預(yù)熱以及焊后熱處理。

2.4 氣體

采用混合氣體保護(hù)：φ(Ar)85%+φ(CO2)15%進(jìn)行正面保護(hù)，氣體流量15～20 L/min。Ar使電弧燃燒穩(wěn)定，熔滴向熔池過渡時平穩(wěn)，飛濺小，CO2的加入使電弧穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，改善焊縫成形并降低電弧輻射強(qiáng)度。采用此種混合氣體保護(hù)，配合防飛濺劑的使用，在合理的焊接工藝下，可使焊接后清理量大大減少，甚至基本不用清理飛濺。

2.5 焊接工藝參數(shù)

因縱、橫梁較長，焊接時將會存在多處接頭，為了驗(yàn)證接頭的性能，試件A、B采用分段退焊形式。各試驗(yàn)焊接工藝主要參數(shù)見表6。

表6 焊接工藝主要參數(shù)

2.6 焊后消應(yīng)力熱處理

考慮到熱處理時工件表面氧化皮的影響，采取較低熱處理保溫溫度的方式進(jìn)行。焊接試件B焊后熱處理的具體參數(shù)為：350～450 ℃保溫1～2 h，開爐門空冷至200 ℃以下，出爐空冷至室溫。

2.7 技術(shù)措施

焊前清理采用常規(guī)的機(jī)械清理方法，清理焊縫及20 mm范圍內(nèi)的油、銹、污等至見金屬光澤。采用固定工件的方法以減少焊接變形。

2.8 焊接試驗(yàn)結(jié)果

對各試件焊縫按NB/T 47013.2—2015進(jìn)行100%滲透無損檢測，質(zhì)量分級均達(dá)到I級。分別取樣進(jìn)行焊接接頭的拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和金相試驗(yàn)。按GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》宏觀酸蝕后，各金相試樣焊縫金屬熱影響區(qū)無裂紋、未熔合、未焊透、夾渣缺陷。彎曲試驗(yàn)后，各彎曲試樣各部位均未出現(xiàn)肉眼可見裂紋及其他缺陷。焊接接頭拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 焊接接頭拉伸、彎曲試驗(yàn)

從表7中可以看出，試件A焊接接頭的抗拉強(qiáng)度范圍為674～688 MPa，試件B焊接接頭的抗拉強(qiáng)度范圍為642～681 MPa。與試件A相比，試件B的抗拉強(qiáng)度差別不明顯，且試件A、B焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均高于S550MC的抗拉強(qiáng)度最低值600 MPa。試件C焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為552、553 MPa，均高于標(biāo)準(zhǔn)中Q355B的抗拉強(qiáng)度下限值470 MPa。

3 效果驗(yàn)證

綜合考慮試件B對焊后應(yīng)力消除的效果、焊后加熱對車架縱、橫梁表面質(zhì)量的影響及生產(chǎn)進(jìn)度的要求，最終決定采用A、C方案的焊接工藝進(jìn)行產(chǎn)品的焊接。采用與方案A、C焊接試驗(yàn)相同的焊接工藝對車架進(jìn)行焊接，效果良好，焊后對縱、橫梁，對矩形管上對接焊縫按NB/T 47013.2—2015進(jìn)行100%滲透無損檢測，質(zhì)量分級均達(dá)到I級。該型車已生產(chǎn)多輛，經(jīng)試驗(yàn)，車架焊接接頭無裂紋，性能良好，達(dá)到了預(yù)計要求。

4 結(jié)語

對于S550MC高強(qiáng)度鋼同種材質(zhì)間的焊接，以及S550MC與Q355B鋼異種鋼之間的焊接，通過上述焊接試驗(yàn)及分析以及產(chǎn)品效果驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

1)S550MC高強(qiáng)度鋼焊接性能良好，不易產(chǎn)生冷裂紋。對于S550MC鋼薄板的焊接，無需焊前預(yù)熱、后熱，在合適的焊接工藝下，即可獲得質(zhì)量優(yōu)良的焊接接頭。

2)S550MC高強(qiáng)度鋼同種材質(zhì)間的焊接，采用SLD-70焊絲，在合適的焊接工藝下，焊后進(jìn)行350～450 ℃保溫1～2 h的熱處理(試件B)或焊后不進(jìn)行任何加熱處理(試件A)，均能得到質(zhì)量良好的焊接接頭，滿足要求。

3)S550MC與Q355B鋼異種鋼之間的焊接，采用ER50-60焊絲，采用試件C的焊接工藝，可得到質(zhì)量良好的焊接接頭，滿足要求。