有焊后熱處理要求的S355NL低溫厚鋼板焊接試驗(yàn)研究

白曉科，孫愛(ài)麗，王旭

蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司 山東煙臺(tái) 265607

1 序言

荷蘭某開啟橋是按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范EN 1090最高等級(jí)EXC4建造的鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程，軸承座結(jié)構(gòu)是開啟橋開啟和運(yùn)行的關(guān)鍵部件，其焊接質(zhì)量和尺寸控制對(duì)于軸承安裝和橋梁安全具有極其重要的影響。為保證軸承座結(jié)構(gòu)的焊接尺寸精度，防止焊接應(yīng)力變形對(duì)開啟橋軸承安裝和橋梁運(yùn)行產(chǎn)生重大影響，在軸承座焊接后要進(jìn)行整體焊后熱處理，消除焊接殘余應(yīng)力后再進(jìn)行機(jī)加工。但是，焊后熱處理對(duì)于低溫鋼的焊接接頭性能具有重要影響，特別是超厚板的熱處理時(shí)間較長(zhǎng)，存在焊接接頭因強(qiáng)度和低溫韌性降低而不能滿足技術(shù)要求的風(fēng)險(xiǎn)。

本工程軸承座結(jié)構(gòu)所用鋼板為EN 10025-3：2004標(biāo)準(zhǔn)的S355NL（以下簡(jiǎn)稱S355NL鋼），屈服強(qiáng)度為355MPa級(jí)別，能夠滿足－50℃沖擊性能要求的低溫鋼，目前尚未有公開報(bào)道關(guān)于有焊后熱處理要求的S355NL鋼焊接工藝的工程應(yīng)用案例。本文通過(guò)詳細(xì)分析，按照歐洲規(guī)范EN ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評(píng)定-焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)——第1部分：鋼的電弧焊和氣焊、鎳及鎳合金的電弧焊》進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，驗(yàn)證了軸承座結(jié)構(gòu)焊接和熱處理工藝的合理性。

2 焊接性分析

2.1 鋼板化學(xué)成分

根據(jù)鋼板的制造標(biāo)準(zhǔn)EN 10025-3：2004《結(jié)構(gòu)鋼的熱軋產(chǎn)品——第3部分：正火/正火軋制可焊接的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)供貨條件》，S355NL鋼熔煉分析的化學(xué)成分見(jiàn)表1。由于軸承座所用鋼板的厚度為80mm和100mm，所以碳當(dāng)量CEV的最大允許值為0.45%。

表1 S355NL鋼熔煉分析的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 鋼板力學(xué)性能

根據(jù)母材的制造標(biāo)準(zhǔn)E N 10025-3：2004，S355NL鋼的力學(xué)性能要求見(jiàn)表2[1]。

表2 S355NL鋼的力學(xué)性能

雖然厚度為80mm和100mm的S355NL鋼碳當(dāng)量CEV最高允許值為0.45%，但當(dāng)CEV值＞0.40%時(shí)，就已經(jīng)具有一定的淬硬傾向。特別是軸承座結(jié)構(gòu)的厚度較大，設(shè)計(jì)焊縫密集，拘束度較高，因此在焊接過(guò)程中很可能因冷卻速度較快，尤其是焊接熱輸入值較低的橫焊位置，易產(chǎn)生淬硬組織。焊前預(yù)熱可有效地減緩焊接冷卻速度，防止冷裂紋的產(chǎn)生，因此將預(yù)熱溫度設(shè)定為100～150℃。根據(jù)S355NL鋼的力學(xué)性能和沖擊性能要求，可知S355NL鋼為－50℃的低溫鋼，在對(duì)焊縫進(jìn)行熱處理后很有可能降低其沖擊韌度，因此應(yīng)選擇合適的焊接材料和焊接參數(shù)，使得焊接接頭在－50℃的使用工況下具有足夠的沖擊韌度和抗脆斷能力，確保焊接結(jié)構(gòu)的使用安全[2]。

3 焊接工藝試驗(yàn)

3.1 焊接材料的選擇

由于軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，焊接接頭密集，焊接操作空間受限，且鋼板厚度為80～100mm，均為全熔透焊接接頭，所以焊接工作量非常大。此外，由于軸承座結(jié)構(gòu)的重要性，因此設(shè)計(jì)要求在焊接和熱處理完成后都要進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，不得有超標(biāo)缺陷。藥芯焊絲氣體保護(hù)焊具有焊接工藝性能好、熔敷速度快、焊接效率高、合金成分調(diào)整方便，以及能耗和綜合成本低等特點(diǎn)[3]。依據(jù)各焊接材料廠家的產(chǎn)品手冊(cè)和工程業(yè)績(jī)，擬選定日本神鋼的φ1.2mm藥芯焊絲DW-A55LSR（AWS A5.29 E81T1-Ni1M）作為軸承座焊接用焊接材料，該藥芯焊絲為金紅石型渣系，適用于全位置焊接，其熔敷金屬力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 DW-A55LSR藥芯焊絲的熔敷金屬力學(xué)性能

3.2 焊接試驗(yàn)過(guò)程

按照歐洲焊接工藝評(píng)定規(guī)范EN ISO 15614-1：2017的規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。由于軸承座所使用的鋼板厚度為80mm和100mm，按照評(píng)定規(guī)范，擬定選用厚50mm的試板，可以覆蓋厚度為25～100mm的產(chǎn)品焊接。試板選用與產(chǎn)品相同的鋼材廠家，鋼板和焊接材料熔敷金屬的化學(xué)成分見(jiàn)表4，力學(xué)性能見(jiàn)表5。

表4 鋼板和焊接材料熔敷金屬的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 鋼板和焊接材料熔敷金屬的力學(xué)性能

為了整體評(píng)估焊接接頭性能，分別在橫焊和立向上兩個(gè)焊接位置焊接試板，橫焊位置采用小熱輸入，立向上位置采用大熱輸入，在試板焊接和熱處理完成后，進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比試驗(yàn)。兩塊焊接試板均采用背面清根的X形坡口，具體焊接參數(shù)見(jiàn)表6，接頭斷面宏觀金相如圖1所示。焊接試板的焊后熱處理工藝參數(shù)按照PD CEN ISO/TR 14745：2015《焊接——鋼的焊后熱處理參數(shù)》的要求進(jìn)行選擇[4]。

圖1 焊接試板的接頭斷面宏觀金相

表6 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的焊接參數(shù)

3.3 焊接試驗(yàn)結(jié)果

在焊后24h和焊后熱處理后，進(jìn)行磁粉檢測(cè)和超聲波檢測(cè)（見(jiàn)圖2），結(jié)果均合格。按照EN ISO 15614-1：2017進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)，以及硬度檢測(cè)等結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，能夠滿足產(chǎn)品焊接質(zhì)量要求[5]。

表7 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

焊接試板焊后熱處理的接頭部位微觀金相如圖3所示。由圖3可看出，母材組織為鐵素體＋少量珠光體，焊縫組織為鐵素體＋貝氏體，熱影響區(qū)組織為鐵素體＋貝氏體＋少量馬氏體。

圖3 焊后熱處理的接頭部位微觀金相

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)橫焊位置焊接試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)焊前預(yù)熱溫度保持在110℃時(shí)，即使采用小熱輸入，使用磁粉和超聲波檢測(cè)確認(rèn)也沒(méi)有氫致裂紋。焊后進(jìn)行消除殘余應(yīng)力熱處理，無(wú)軟化組織和淬硬組織，可獲得良好的硬度試驗(yàn)結(jié)果（硬度值遠(yuǎn)低于350HV10）。

通過(guò)立向上位置焊接試驗(yàn)結(jié)果可知，大熱輸入和焊后熱處理接頭力學(xué)性能也能滿足技術(shù)要求，但對(duì)低溫沖擊均有影響，焊接接頭的低溫沖擊韌度低于母材和焊接材料熔覆金屬。因此，當(dāng)立向上焊時(shí)，加快焊接速度和減小焊道寬度，可以控制焊接熱輸入在較低范圍，也能夠保證獲得符合規(guī)范要求的焊接接頭質(zhì)量。

4 焊接質(zhì)量控制

4.1 焊接工藝指導(dǎo)書

根據(jù)焊接工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮軸承座的鋼板厚度和焊縫拘束度，對(duì)于焊接工藝指導(dǎo)書中的焊接參數(shù)，將預(yù)熱溫度設(shè)定最低為130℃，焊接熱輸入設(shè)定為0.5～1.8kJ/mm，將最大焊道寬度設(shè)定為17mm，這樣有利于降低產(chǎn)生冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，保證低溫沖擊韌度。

4.2 焊工技能培訓(xùn)

雖然所選用的藥芯焊絲DW-A55LSR雖然為金紅石渣系，但是由于需要使用混合氣體80%A r＋20%CO2作為保護(hù)氣體，因此焊絲的冶金成分和氣體種類均不同于以往的藥芯焊絲。操作實(shí)踐證實(shí)，該種焊絲的熔池較淺，容易發(fā)生夾渣和未熔合等缺陷。因此，在產(chǎn)品正式焊接前，需要進(jìn)行專項(xiàng)操作培訓(xùn)和考核，練習(xí)對(duì)焊接熔池的控制，避免大幅擺動(dòng)焊道，降低焊接接頭的不合格率。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制

考慮到預(yù)熱溫度對(duì)于軸承座結(jié)構(gòu)超厚鋼板的焊接質(zhì)量具有重要影響，當(dāng)采用火焰加熱時(shí)將會(huì)導(dǎo)致加熱不均勻和冷卻速度過(guò)快的問(wèn)題，因此規(guī)定所有軸承座的焊接必須使用電加熱進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊接過(guò)程中可使用火焰輔助加熱。每道焊前必須使用測(cè)溫槍監(jiān)控預(yù)熱溫度不低于130℃。

對(duì)于超厚鋼板焊接，焊層和焊道非常多，為了減少焊接返修，每道焊前都應(yīng)仔細(xì)清理熔渣，打磨焊道，將每道的?；∨c再起弧部位錯(cuò)開100mm，避免因接頭重疊而降低焊接質(zhì)量。此外，還應(yīng)注意焊接過(guò)程中的去污、除銹和防風(fēng)等措施。在正式焊后熱處理前，應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，確認(rèn)焊縫內(nèi)部沒(méi)有缺陷。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的焊接過(guò)程控制（見(jiàn)圖4），包括焊前預(yù)熱、焊接熱輸入和防變形措施等，該軸承座結(jié)構(gòu)在焊后熱處理通過(guò)超聲波檢測(cè)驗(yàn)收后進(jìn)行了機(jī)械加工作業(yè)，并已整體交付至業(yè)主，正式投入運(yùn)行。

圖4 軸承座焊接的過(guò)程控制

5 結(jié)束語(yǔ)

1）在S355N L鋼厚板焊接時(shí)，選用藥芯焊絲DW-A55LSR，并控制預(yù)熱溫度、層間溫度和焊接熱輸入，可保證焊后熱處理的力學(xué)性能試驗(yàn)符合規(guī)范要求，特別是能夠獲得良好的硬度試驗(yàn)值。

2）相比原始母材的沖擊韌度，焊接接頭經(jīng)焊后熱處理后的沖擊韌度普遍較低。在焊接接頭的各個(gè)區(qū)域中，根部焊縫中心的低溫沖擊韌度偏低。相比橫焊位置，立焊位置的焊接熱輸入較高，其根部的低溫沖擊韌度也下降明顯。由此可見(jiàn)，焊接熱輸入對(duì)沖擊韌度具有重要影響，在產(chǎn)品焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制，特別是背面清根后的根部區(qū)域，應(yīng)注意采用較小的熱輸入，以保證焊接接頭性能。