S690QL 鋼材的焊接性能研究

劉明川，龔 毅，李 儉

1 工程背景

老撾XPXN 水電站壓力鋼管采用秦皇島首秦金屬材料有限公司生產(chǎn)的S690QL 高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼。由于該鋼材在我國水電工程上應(yīng)用較少，雖然鋼廠在研制新鋼種時(shí)必須考慮焊接性，并做了一系列焊接性試驗(yàn)。但是，由于焊接性除取決于鋼材自身品質(zhì)外，還和焊接方法、焊材、設(shè)備等有關(guān)。因此，鋼廠提供的有限的技術(shù)資料具有局限性，有必要對(duì)該鋼種及配套的焊材進(jìn)行焊接試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)鋼材及其配套焊材的焊接性。在焊接操作過程中對(duì)焊接材料的選擇至關(guān)重要，如果焊接材料的選擇不恰當(dāng)，則會(huì)對(duì)整個(gè)焊接工藝造成影響，且在焊接過程中會(huì)出現(xiàn)各種故障和缺陷問題，甚至?xí)?dǎo)致焊接區(qū)域出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

老撾XPXN 水電站項(xiàng)目位于老撾南部阿速坡省，氣溫常年高達(dá)三十多度，屬于高溫高濕度環(huán)境，高壓隧洞洞內(nèi)常年平均氣溫高達(dá)三十度，室外壓力鋼管段和岔管段旱季高達(dá)四十多度,基于此，本項(xiàng)目選用超低氫型焊條，來降低鋼管的預(yù)熱溫度，同時(shí)對(duì)高溫高濕度環(huán)境中的焊接材料進(jìn)行研究。S690QL 鋼材焊接工藝的探究，不僅能為高溫高濕度環(huán)境中焊接工藝提供數(shù)據(jù)參考，還能促進(jìn)S690QL 高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼在我國南部高溫高濕環(huán)境下水電工程上的應(yīng)用。

2 試驗(yàn)

2.1 原料

2.1.1實(shí)驗(yàn)鋼板

試驗(yàn)鋼板牌號(hào)：S690QL

化學(xué)成分：碳C-0.130%、錳Mn-0.921%、磷P-0.013%、硫S-0.0008%、硅Si-0.313%、銅Cu-0.251%、鎳Ni-0.711%、鉻Cr-0.620%、鉬Mo-0.413%、鋁Al-0.040%、Nb-0.002%、鋯Zr-0.001%、釩V-0.048%、 鉈Ti-0.005%、 硼B(yǎng)-0.0026%、Als-0.036%、 氮N-0.0064%、CEJIS-0.545%、Pcm-0.287%。

機(jī)械性能：爐號(hào)——5N05916，屈服強(qiáng)度——799MPa，拉伸強(qiáng)度——833MPa，延伸率——19.5%，零下40°C 沖擊功，238J、216J、251J、235J。

抗裂性試驗(yàn)使用44mm 厚的鋼板，焊接線能量試驗(yàn)使用36mm 厚的鋼板。

窗口試驗(yàn)拘束板牌號(hào)：S690QL，板厚60mm，規(guī)格尺寸為60mm×1200mm×1200mm。

2.1.2焊條

焊條型號(hào)：A5.5：E1105-G，化學(xué)成分：碳C-0.05%、錳Mn-1.51%、硅Si-0.19%、鎳Ni-1.74%、鉻Cr-0.37%、鉬Mo-0.39%。

機(jī)械性能：①焊態(tài)：屈服強(qiáng)度——700MPa、拉伸強(qiáng)度——750MPa、延伸率——18%，沖擊功——-40℃，47J；②580℃消除應(yīng)力退火：屈服強(qiáng)度——690MPa、拉伸強(qiáng)度——740MPa、延伸率——18%，沖擊功——-40℃，47J。

埋弧焊-焊劑型號(hào)：F11A6-EG-G—SAFB155ACH5。

化學(xué)成分：碳C-0.12%、錳Mn—1.5%、硅Si-0.09%、鎳Ni-2.99%、鉻Cr-0.34%、鉬Mo-0.5%，埋弧焊絲型號(hào)F11A6-EG-G—SAFB15ACH5。

機(jī)械性能：①焊態(tài)：屈服強(qiáng)度——690MPa、拉伸強(qiáng)度——780MPa、延伸率——18%，沖擊功——-40℃，60J；②580℃消除應(yīng)力退火：屈服強(qiáng)度——690MPa、拉伸強(qiáng)度——780MPa、延伸率——18%，沖擊功——-40℃，47J。

焊劑的主要成分：二氧化硅（SiO2）+二氧化鈦（TiO2）——15%、氧化鈣（CaO）+氧化鎂（MgO）——35%、三氧化二鋁（AL2O3）+一氧化錳（MnO）——18%、二氟化鈣（CaF2）——23%、其他成分4%。

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1抗裂性試驗(yàn)

（1）斜Y 型拘束焊接裂紋試驗(yàn)基本參數(shù)：焊條直徑Φ4.0mm，焊接電流160A，焊接電壓24±1V，焊接速度：150±10mm/min。試板及坡口尺寸見圖1。該試驗(yàn)按GB/T 4675.1-1984 焊接性試驗(yàn)斜Y 型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法進(jìn)行。

焊接方法：焊條電弧焊；焊條：THJ-SG80DR；試板預(yù)熱溫度分別為：150℃、100℃、75℃、50℃。

（2）窗口拘束焊接裂紋試驗(yàn)。焊接方法：埋弧自動(dòng)焊；焊材：F11A6-EG-G—SAFB155ACH5+OK80FLUXSG（焊劑）；試板預(yù)熱溫度分別為：75℃、50℃、室溫。

①試驗(yàn)焊縫多層多道，填滿坡口焊基本參數(shù)：焊絲直徑Φ4.0mm，焊接電流450A，焊接電壓28±1V，焊接速度：360mm/min。②試驗(yàn)焊縫單道焊（不填滿坡口）基本參數(shù)：焊絲直徑Φ4.0mm，焊接電流500A，焊接電壓28±1V，焊接速度：400mm/min。③窗口拘束焊接裂紋試驗(yàn)。取斜Y 試驗(yàn)大底板150*200，兩側(cè)60 個(gè)單位處設(shè)置焊縫坡口拘束，中間80 個(gè)單位為焊縫坡口；此法系將待試鋼板預(yù)先用角焊縫固定在厚大底板的“窗口”上，然后兩面用多層多道填滿坡口。焊后放置48h 后，用X 射線及磨片檢查。磨片檢查時(shí)沿焊縫中心線將焊縫縱向剖開，用滲透法檢查橫向裂紋。其中單道焊時(shí)主要檢查表面、斷面和根部裂紋。

窗口拘束焊接裂紋試驗(yàn)時(shí)還參照了GB/T13817-1992 對(duì)接接頭剛性焊接裂紋實(shí)驗(yàn)方法，以及JISZ3159-1993 H 型拘束焊接裂紋試驗(yàn)方法的一些要求和方法。

2.2.2焊接線能量試驗(yàn)

（1）焊接線能量試板尺寸及坡口形狀：①手工焊試板尺寸——340mm*450mm，坡口位置及大小——上坡口60°、下坡口60°；②埋弧焊試板尺寸——340mm*600mm，坡口位置及大小——上坡口55°、下坡口60°，下坡口中心下移4 個(gè)單位。

（2）線能量板的試樣種類、數(shù)量：拉伸試樣2 個(gè)，側(cè)彎試樣4 個(gè)，硬度試樣1 個(gè)，沖擊試樣18 個(gè)。18 個(gè)沖擊試樣中-20℃沖擊試樣9 個(gè)：分別是焊縫試樣3 個(gè)，熔合線試樣3 個(gè)，HAZ 試樣3個(gè)；-40℃沖擊試樣9 個(gè)：分別是焊縫試樣3 個(gè)，熔合線試樣3 個(gè)，HAZ 試樣3 個(gè)。

（3）焊接線能量基本參數(shù)①打底層：SAW 法、分類—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、 直 徑 —φ4.0mm、 極 性 —DCEP、電流—500A ～580A、電弧電壓—29V ～32V、焊接速 度400mm/min ～500mm/min；②填 充 層：SAW 法、分類—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、直徑—φ4.0mm、極性—DCEP、電流—500A ～580A、電弧電壓—31V ～35V、焊接速度400mm/min ～500mm/min；③蓋面層：SAW 法、分類—F11A6-EG-G—SAFB155ACH5、直 徑—φ4.0mm、極 性—DCEP、電流—500A ～580A、電弧電壓—31V ～35V、焊接速度400mm/min ～500mm/min；④打底層：SAW 法、分類——E11015-G、直徑—φ4.0mm、極性—DCEP、電流—90A ～120A、電弧電壓—20V ～25V、焊接速度40mm/min ～100mm/min；⑤填充層：SAW 法、分類—E11015-G、直徑——φ4.0mm、極性—DCEP、電流—170A ～200A、電弧電壓—22V ～28V、焊接速度40mm/min ～100mm/min；⑥蓋面層：SAW 法、分類——E11015-G、直徑—φ4.0mm、極性—DCEP、電流—170A ～200A、電弧電壓—22V ～28V、焊接速度40mm/min ～100mm/min。

（4）線能量試板上試樣的取樣位置為“舍棄兩端，然后從一側(cè)到另一端的順序分別為：側(cè)彎試樣—拉伸試樣—側(cè)彎試樣—沖擊試樣—硬度試樣—側(cè)彎試樣—拉伸試樣—側(cè)彎試樣”。

（5）線能量試驗(yàn)焊接接頭硬度測(cè)試位置為“兩相鄰壓痕中心之間的距離應(yīng)至少為壓痕直徑的2.5 倍，并且不應(yīng)小于1mm，測(cè)點(diǎn)中心與熔合線之間的距離不應(yīng)大于0.5mm。”。

2.2.3焊接接頭測(cè)試

（1）拉伸試樣形狀尺寸為①焊條總長度為600mm ～700mm；②夾持部分寬度為27mm；③平行部分寬度為13mm；④夾持部分長度為75mm；⑤過渡圓弧半徑為25mm。

（2）側(cè)彎試樣形狀尺寸為①試樣厚度應(yīng)大于10mm；②試樣長度應(yīng)為150mm 或按要求加工；③試樣的棱角應(yīng)當(dāng)用機(jī)械加工成半徑不大于3mm 的圓角。

對(duì)于非P-No.1 材料的工藝評(píng)定，如側(cè)彎試樣的表面是氣割法下料的，則必須采用機(jī)加工或打磨的辦法修除表面，修除量不少于3mm，對(duì)于P-No.1 材料表面是氣割法下料造成的粗糙，則必須采用機(jī)加工或打磨的辦法加以修整，對(duì)于QW/QB-422 中所有材料的技能評(píng)定，如側(cè)彎試樣是氣割法下料造成的表面粗糙，必須采用機(jī)加工或打磨的辦法加以修整。

（3）沖擊試樣取樣位置為當(dāng)沖擊試樣為V 型缺口：①焊縫位于缺口，缺口面垂直焊縫表面，缺口中心線在焊縫中心線；②缺口中心線位于熔合線區(qū)域，缺口面垂直焊縫表面，缺口中心線在熔合線上；③缺口中心線位于熱影響區(qū)，缺口面垂直焊縫表面，缺口中心線在熱影響區(qū)中心線；大坡口側(cè)的試樣用來做-40℃沖擊，小坡口側(cè)的試樣用來做-20℃沖擊。

拉伸試驗(yàn)按GB2651-1989 焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行；彎曲試驗(yàn)按照GB2653-1989 焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法進(jìn)行，按委托方要求彎頭直徑為66mm，支座間距為90mm；沖擊試驗(yàn)按照GB2650-1989 焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-20℃、-40℃；硬度測(cè)試按照GB2654—1989 焊接接頭及堆焊金屬硬度試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

抗裂性試驗(yàn)結(jié)果表明，THJ-SG80DR 焊條與S690QL（44mm厚）鋼板焊接時(shí)，預(yù)熱溫度75℃以上不產(chǎn)生裂紋；在預(yù)熱50℃、間隙2 ～2.15 時(shí)，表面裂紋率為100%；在同樣溫度下、間隙為1.85 時(shí)，表面裂紋率為68%。由此可見裝配間隙對(duì)裂紋的影響之大。

窗形拘束試驗(yàn)表明，試板厚度為44mm，焊絲為F11A6-EG-G—SAFB155ACH5，焊劑為OK80FLUXSG，環(huán)境溫度為7℃～11℃，相對(duì)濕度20%～50%。試驗(yàn)結(jié)果是預(yù)熱50℃以上不產(chǎn)生裂紋。

焊接線能量試驗(yàn)結(jié)果為：①焊條電弧焊（-20℃）條件下：焊接線能量5KJ/cm 時(shí)沖擊功為89J、焊接線能量15KJ/cm 時(shí)沖擊功為71J、焊接線能量25KJ/cm 時(shí)沖擊功為84J、焊接線能量35KJ/cm 時(shí)沖擊功為59J；②焊條電弧焊（-20℃）條件下：焊接線能量5KJ/cm 時(shí)沖擊功為75J、焊接線能量15KJ/cm 時(shí)沖擊功為69J、焊接線能量25KJ/cm 時(shí)沖擊功為55J、焊接線能量35KJ/cm 時(shí)沖擊功為38J；③埋弧自動(dòng)焊（-20℃）條件下：焊接線能量15KJ/cm 時(shí)沖擊功為145J、焊接線能量25KJ/cm 時(shí)沖擊功為121J、焊接線能量35KJ/cm 時(shí)沖擊功為140J；④埋弧自動(dòng)焊（-40℃）條件下：焊接線能量15KJ/cm 時(shí)沖擊功為91J、焊接線能量25KJ/cm 時(shí)沖擊功為68J、焊接線能量35KJ/cm 時(shí)沖擊功為130J。

數(shù)據(jù)表明不同工藝方法及線能量下，接頭的抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于焊條電弧焊試板，隨著焊接線能量的增大，焊縫的沖擊功呈明顯的下降趨勢(shì)，線能量為35kJ/cm 時(shí)，焊縫的-40℃沖擊功明顯偏低。而且線能量為30kJ/cm、35kJ/cm 時(shí)接頭冷彎試驗(yàn)均出現(xiàn)了裂紋超標(biāo)的情況，說明線能量大于或等于30kJ/cm 時(shí)，接頭得不到良好的綜合機(jī)械性能，施工中應(yīng)加以控制。對(duì)于埋弧自動(dòng)焊試板，線能量為20kJ/cm ～35kJ/cm，均有良好的綜合機(jī)械性能。

從硬度測(cè)試結(jié)果看，硬度值一般都在250HV ～400HV 之間，而且熱影響區(qū)和母材的硬度差別不大，說明焊接過程沒有引起鋼板硬度的大幅度變化。

3 焊接注意事項(xiàng)

3.1 焊接過程控制

第一，只能在焊接板上調(diào)試電流，焊接時(shí)在坡口內(nèi)控制弧和熄弧。

第二，焊接過程要連續(xù)，按照母材厚度2/3 以上的標(biāo)準(zhǔn)控制熔敷的金屬厚度，焊接過程中還要做好保溫措施。

第三，做好焊接速度的控制，按照不超過焊條直徑2.5 倍的標(biāo)準(zhǔn)控制焊道寬度。

第四，每道焊道端點(diǎn)間距為520mm 從而解決應(yīng)力集中的問題，在下道焊縫打磨前要對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查。

3.2 熱處理控制

工作人員要根據(jù)圖紙和技術(shù)要求規(guī)定的升溫、保溫、降溫等過程熱處理鍛件，工作人員在控制回火溫度過程中要充分尊重材料的特性。

通常在爐內(nèi)完成結(jié)構(gòu)的熱處理工作，在熱處理過程中工作人員要保證嚴(yán)格地控制好爐內(nèi)溫度，并且準(zhǔn)確地記錄。爐子的規(guī)格要和鍛件相符合，保證能夠均勻地加熱整個(gè)鍛件，保證嚴(yán)格控制熱處理過程。通常在熱處理之后需要檢查鍛件的硬度，如果偏差較大那么可以通過二次處理的方式確保其在合理的范圍內(nèi)，在確認(rèn)合格后可以由專業(yè)的人員進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)鍛件的熱處理效果。

4 結(jié)語

S690QL 鋼 板 焊 接 時(shí)，埋 弧 自 動(dòng) 焊（ 用F11A6-EG-G—SAFB155ACH5 焊絲+OK80FLUXSG 焊劑）預(yù)熱溫度不應(yīng)小于50℃，焊條電弧焊（用THJ-SG80DR 焊條）預(yù)熱溫度不應(yīng)小于100℃；層間溫度均按不大于150℃為宜。

為了確保良好的焊接接頭綜合機(jī)械性能，建議焊條電弧焊時(shí)，焊接線能量的適用范圍為20kJ/cm ～30kJ/cm，埋弧自動(dòng)焊的焊接線能量的適用范圍為22kJ/cm ～35kJ/cm。

結(jié)合前文分析，選購焊材時(shí)還應(yīng)考慮到以下問題：

（1）由于本工程選用焊材藥皮成分合金元素比重大和普通焊材操作有個(gè)習(xí)慣過程，所有參與過程焊工需進(jìn)行適應(yīng)性練習(xí)并通過考試。

（2）焊條長度亦不容忽視。鑒于本工程鋼管安裝隧洞巖壁與管外壁（澆筑敷設(shè)軌道用混凝土底板之后）設(shè)計(jì)為600mm ～700mm。因此φ4 焊條長度選350mm。

（3）考慮到線能量和焊接位置的原因，焊條直徑選用4mm以下。另一方面，由于線能量較小，則φ3.2焊條應(yīng)多占一些比例，以便在多道焊時(shí)與φ4 焊條混合使用，易于控制焊道寬度和良好成形。

（4）經(jīng)過多次焊接試驗(yàn)最終選定焊接方法為焊條電弧焊和埋弧自動(dòng)焊。