Q960E、Q690qENH異種鋼MAG焊接工藝及接頭組織性能研究

楊燮 YANG Xie

（杭州墨塔科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

目前對大橋的施工中常常要求大規(guī)模的連接，青榮鐵路特別大橋的施工全橋不能通過一個螺釘，全部通過焊縫進行連接，所以研究橋鋼的連接工藝和焊縫特性對于大橋施工中有著重要性。根據(jù)本項目的實際應用背景，為實現(xiàn)高強度，高耐蝕性及各自性能的優(yōu)點，本論文特別選擇了1000MPa級的Q960E高強度鋼板和800MPa級的Q690qENH耐候鋼，釆用合理的焊接工藝完成了高強度-耐候異種連接結構。

1 MAG焊

MAG焊因其優(yōu)勢，在液壓支撐的焊接工作中獲得應用。山東大學所對對煤炭綜采裝置的液壓支撐Q890/Q690和Q890/Q960異種鋼的焊接接頭開展了深入研究，由孫健雄教授用MKGHS-60＞MKGHS-70＞MK-GHS-80三種焊絲，用GMAW焊接頭對Q890/Q960異種鋼實施焊接工作，研究表明用打底層蓋面的復合焊工藝，有著良好的沖擊韌性和更高的經(jīng)濟效益。許紅國等人對采用MKGHS-70MKGHS-80MKGHS-90三種焊絲，用GMAW焊對Q890/Q960異種鋼進行了焊接，發(fā)現(xiàn)在焊接之前用高溫加熱器100-150，再加溫后輸入12～20kJ/cm，而采用三種焊絲所進行的焊接接頭的根部斷裂度都小于20%，而不管采用了單一焊絲還是MKGHS-80MKGHS-90復合焊絲，焊接接頭都有著優(yōu)異的彈性，其中單一焊絲的彈性最高。

2 激光-MAG復合焊

雷正龍網(wǎng)等人利用激光-MAG復合焊技術開展了Q890/Q550異種鋼焊縫實驗研究，對各種熱注入異種鋼焊縫接頭顯微組織結構與熱力學性能開展了深入研究，結果表明熱注入的增加將引起熱影響區(qū)晶粒增加，且在三個熱注入下的拉伸試樣均開裂于母材Q550鋼。

呂航測采用了激光-MAG復合焊接的方法，將SUS304用不銹耐酸鋼板材料和低合金鋼板Q345材料進行焊接，并深入研究了異種鋼板焊縫連接時處在高應力和腐蝕環(huán)境下的焊縫接頭破壞情況。發(fā)現(xiàn)的焊縫接頭中各區(qū)由于組織結構差異，應力與腐蝕裂紋擴大速度也有所不同。

3 Q960E/Q690qENH異種鋼焊接方案及測試方法

3.1 兩種母材介紹

根據(jù)課題的使用特點，主要采用了10mm厚度的Q960E高強度鋼材和Q690qENH耐候鋼，表1為二種材料的物理化學結構性質，表2為二類材料的熱動力學性能。

表1 Q960E及Q690qENH的化學成份（質量分數(shù)0.1%）

表2 Q960E及Q690qENH的力學性能

3.2 焊接方法及焊接材料選擇

3.2.1 焊接方法選擇

結合了Q960E/Q690qENH的化學組成和特性，并根據(jù)理論研究結果和本課題前期研發(fā)工作的基礎，考慮到了MAG焊具產(chǎn)品成本低，適用性廣，制造效率高，焊接效果好等優(yōu)勢。本課題用MAG進行Q960E/Q690qENH等異種高強耐候鋼連接工作。

試驗中所用的焊接設備是松下電器MAG焊接機器人系統(tǒng)，如圖1所述。焊機型號為YD-500GR型數(shù)字化焊機，焊機頭具有一元化調整功能，可通過輸入電流（或電壓）自動匹配電壓（或電流）。

圖1 松下MAG焊接機器人系統(tǒng)

3.2.2 焊接材料選擇

關于與Q960E/Q690qENH鋼連接時，本項目鋼絲的選取準則一般包括：連接各種硬度等級的高強鋼材，重點是在適當調整焊縫接頭的組合織構以與強韌配合，在滿足高等匹配連接剛度和耐久性能的前提下，著重兼顧鋼絲的耐受力與焊縫金屬的強韌，并優(yōu)先選擇低硫和超低氫的鋼絲和塑韌性極佳的鋼絲。鑒于二類母材強度等級差異，按強度等級最低的母材（Q690qENH）進行了焊絲選用。并根據(jù)工程使用背景和上述要求，選用了ER91T1-G耐候鋼焊絲和XY-80QNH鋼絲，單獨加以了深入研究。

3.2.3 焊接方案設計

實驗中采用二種耐候鋼焊絲，對Q960E/Q690qENH完成檢驗，并根據(jù)母材和鋼絲特點初步建立了焊縫工藝數(shù)據(jù)，通過調整焊縫溫度，測定熱流量和壓力，再通過檢驗，進而評價焊縫接頭特性（組織分析、硬度測試、拉伸性能檢驗及電化學測試），并完成工藝參數(shù)設計。研究在二種焊絲，根據(jù)各種工藝參數(shù)對其機械性能的影響規(guī)律，通過對比分析結果得出了本項目Q960E/Q690qENH異型高強度耐候鋼焊縫的最佳工藝參數(shù)，以便于為實際工程提出指導的依據(jù)。

4 Q960E/Q690qENH異種鋼ER91T1-G焊絲MAG焊工藝研究

4.1 焊接工藝參數(shù)制定及調整

4.1.1 焊接工藝參數(shù)制定

在本課題前期研制工作基礎上，鑒于焊絲的材料結構和特性，確定了首先把焊頭的傾斜部設置為單面V型斜面處，以實現(xiàn)打底層焊、填塞焊和蓋面焊。因為采用了具有一元式調整功能的電焊機，在給出輸出電壓值后會自動調用正確的電流參數(shù)，所以最終確定的焊接工藝參數(shù)見表3，焊接時保護氣為20%C02+80%Ar，氣體流速為25L/min。

表3 初步試驗焊接工藝參數(shù)

4.1.2 焊接過程

焊器結構如圖2所述，在完成打底焊與填充焊時，發(fā)現(xiàn)焊縫中并未焊滿，且最后一道焊縫也沒有蓋滿的寬度，于是完成了二道并搭設蓋邊焊，焊接后的外觀形態(tài)如圖2（b）所述。在圖片中我們看到連接接頭前部形狀相對完善。但是連接接頭后部存在較差的焊接瘤，所以必須對打底層連接頭形狀進行重新設計。

圖2 焊接過程中焊件樣貌

4.1.3 焊接工藝參數(shù)調整

使用了電焊機的一元化調整功能，并針對焊接電流、焊接速率、焊絲干伸長情況和如何使用熄弧板，設計了以下參考表進行了測試（見表4）。

當使用焊接的電流密度為180A，且加熱速率約為0.5m/min后，計算余寬為2.2mm，熔寬則為7.0mm。所以在不一樣的焊接工藝技術參數(shù)下，可以將鈍邊填充的打底焊熔寬在6.0-7.5mm左右，在實踐中也可以將鈍邊填充的工藝余寬在1.7-2.0mm左右，這樣才能完成后續(xù)試驗。

經(jīng)打底層焊的連接實驗表明，在MAG焊縫中，當焊接速度不變，焊縫電流密度差愈大，則余高愈高，故熔寬愈廣，則熔深愈深。這是因為在焊縫電壓很大時，試塊受的電極力也會加大，使得熔深更深，而且對焊縫的一元化調整也會相對提高了焊縫電壓，從而使得熔寬加大，就相當于直接提高了熱輸入，從而使得焊絲的熔融量增加，由此使得實際余高的幾何長度增加。另外值得注意的是在調整焊絲干伸長程度時，如果采用同樣焊接電流和相同連接速率，則焊絲干伸長程度越長，實際焊縫的余高度也越高，這很可能是以MAG焊的焊絲為電極時，干拉伸部分越長則焊絲產(chǎn)生的電壓也越大，所以實際焊縫的熱輸入也越大而造成的。

4.1.4 綜合分析

在以上的多項實驗結果和大數(shù)據(jù)分析基本上提出了工藝技術參數(shù)如表5，與第1道的打底焊焊接技術參數(shù)基本相同，均是焊縫電壓160A，焊縫速率為0.5m/mm，表中不再列舉。

表5 焊接工藝參數(shù)表

可看出隨著焊縫速度的提高，焊縫熱量輸入減少較多，所以焊縫道次也從一道改為三道。通過測定可看出，由于焊縫輸出電壓的逐漸降低，焊縫在杭州市余杭高級中學附近逐漸變大。表6為焊接件余高和熔寬的尺寸表示。

表6 不同工藝參數(shù)下焊板余高及熔寬尺寸

4.2 異種高強耐候鋼焊接接頭性能研究

4.2.1 抗拉強度分析

根據(jù)實驗結果可以得知，在采用ER91T1-G焊絲實施連接時，焊縫區(qū)是整個焊條中接頭硬度最低點的地方。焊縫工藝參數(shù)也對焊縫接頭拉伸特性有一定的影響，從表7中可以得知采用A工藝參數(shù)下時的抗拉強度最小，為728.32MPa，而D焊縫工藝參數(shù)下的時候焊縫接頭的抗拉強度最大，平均抗拉強度為771.50MPa，而同時采用了B，C兩個工藝參數(shù)下得出的焊縫接頭抗拉強度也差異并不大。

表7 ER91T1-G焊絲下Q690qENH/Q960E異種鋼焊接接頭拉伸性能

截然不同的焊接方法，顯示出了截然不同的抗拉硬度。當用上ER91T1-G焊絲后，各種點焊方法的每道道次焊縫的總熱能輸入都是不一樣的，在A施工中單一道次熱能輸入最大，同時其抗拉力值也最低，熱均數(shù)是728.33MPa，而在D施工中的單一道次熱能輸入則最低。

其平均抗拉強度為最高，約為771.5MPa。通過觀察便可看出，該組實驗中四種工藝所得到的接頭抗拉強度隨著單道熱量輸入的減少而增大。

4.2.2 拉伸斷口分析

為研究用ER91T1-G焊絲時，Q960E/Q690qENH異種型高強鋼板焊頭的切斷形式，并應用SEM技術進行了斷口分析（如圖3）。韌窩通常為長橢圓形至圓形，以及數(shù)量較多的不規(guī)則多邊形，在部分大韌窩內(nèi)還出現(xiàn)了許多的小韌窩。韌窩通常是被內(nèi)部的應力拉開所造成，經(jīng)?？梢钥吹皆诓糠猪g窩中出現(xiàn)的小晶粒。韌窩中具有大小不等的坑洞，主要是由于焊縫金屬在內(nèi)部受力條件時生成的塑性變化，從而使得基體與金屬表面之間在異相的周圍形成應力聚集，而內(nèi)部應力聚集后又會導致基體金屬塊和異相顆粒之間的界面被打開，直至斷裂所產(chǎn)生的深坑穴孔。拉長過程中，由于拉伸應力的逐步上升，腔體逐步擴大，留有顆粒的一邊顆粒粘附在上面，而沒有顆粒的一邊產(chǎn)生了坑孔。

圖3 典型焊接接頭拉伸斷口SEM圖像

5 結論

針對Q960E/Q690qENH等異種高強度鋼板焊縫，通過選擇MAG的連接方法，選擇了ER91T1-G焊絲完成了連接，并對工藝技術技術參數(shù)展開了研究；對獲得的焊縫接口，通過了開展對金相結構、硬度、拉伸等特性展開了檢測和研究，四個焊縫工藝技術下都可獲得良好的焊縫接口，并無氣孔，裂紋等問題；四個焊縫工藝技術下的接頭的焊縫組織中都存在著豐富的針狀鐵素體含量，其中A、B、C三個工藝技術技術參數(shù)下的焊接組織中存在著先共析鐵素體含量和后側板條鐵素體含量。通過拉伸試驗及研究，對四個焊縫工藝參數(shù)下的焊縫試樣實施了拉伸測試，發(fā)現(xiàn)主要裂紋部位都在焊縫部，對斷口位置實施了觀測并發(fā)現(xiàn)主要裂紋形態(tài)均為塑性裂紋，存在大部分韌窩?？估瓘姸纫灿捎诤缚p工藝參數(shù)的差異而有所不同，D的抗拉強度最大，為771.50MPa。