BS700高強鋼臂架焊接工藝研究

霍雷，張毅，王偉

中鐵工程裝備集團隧道設(shè)備制造有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

1 序言

工程機械產(chǎn)品具有設(shè)計結(jié)構(gòu)強度高、使用工況惡劣、產(chǎn)品使用過程中受動載荷作用較明顯的特點，這就導(dǎo)致工程機械產(chǎn)品對設(shè)計結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)強度和工件重量有較高的要求。在產(chǎn)品設(shè)計中，為了保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強度，滿足使用時動載荷強度和產(chǎn)品輕量化的要求，必須在產(chǎn)品的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中大量使用高強鋼或超高強鋼，如某產(chǎn)品的臂架，長度4～5m，工件板厚10m m，橫截面寬度350mm×250mm，工件整體采用上下兩端的折彎U形件對接結(jié)構(gòu)，構(gòu)件結(jié)構(gòu)如圖1所示。對接處開8mm×60°對接坡口，坡口焊縫焊接成形，焊接后保證焊縫的焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)強度，產(chǎn)品設(shè)計時選用材料為BS700高強鋼。

圖1 構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意

針對BS700高強鋼臂架焊接，首先進行焊接工藝試驗，主要進行了焊縫的無損檢測、力學性能檢測和宏觀金相試驗，然后對臂架工件進行焊接實踐驗證，確定BS700高強鋼臂架焊接的工藝方法，為同類產(chǎn)品的工藝實踐提供參考。

2 焊接試件準備

2.1 焊接材料

表1 BS700鋼力學性能

表2 BS700鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

（2）焊接材料 根據(jù)BS系列高強鋼的材料性能，在接頭力學性能滿足工件焊接要求的前提下，BS系列高強鋼的配套焊接材料應(yīng)盡可能選擇強度級別稍低的焊接材料，避免高匹配焊接材料的選用，因此，推薦選用最低抗拉強度700MPa級別的焊接材料。選用GHS-70級高強鋼焊絲，焊絲直徑1.2mm。焊絲的力學性能和化學成分分別見表3、表4。

表3 GHS-70焊絲力學性能

表4 GHS-70焊絲化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

2.2 試件制備

結(jié)合臂架結(jié)構(gòu)特征，由于臂架采用折彎U形件對接結(jié)構(gòu)，對接處開鈍邊為2mm的V形坡口，坡口角度60°。選用10mm厚BS700板材，激光下料尺寸為400mm×150mm×10mm板件，尺寸150mm一端開鈍邊2mm的單邊V形坡口，坡口角度30°，去除坡口面氧化渣等雜物，打磨坡口表面至見金屬光澤，將板件組對成對接坡口，板件間預(yù)留2mm的間隙，定位焊焊接牢固，如圖2所示。

圖2 對接坡口示意

3 試件焊接工藝方法

焊前清理工件待焊表面，打磨焊縫及焊縫兩側(cè)30～50mm內(nèi)不得有銹蝕、油污、油漆等污物，并打磨表面至見金屬光澤。根據(jù)焊接位置、接頭形式和作業(yè)效率等選擇合適的焊接輔助裝置。室內(nèi)焊接，確保環(huán)境溫度≥5℃，焊接工位風速＜2m/s。

在試件兩端分別焊接引弧板、引出板，引弧板、引出板材質(zhì)與試件相同或相近，尺寸不小于50mm×30mm×6mm，并打磨引弧板、引出板表面至見金屬光澤。

由于BS700鋼材屬于高強鋼板，為了降低試件的焊接應(yīng)力和拘束度，減緩焊后的冷卻速度，避免產(chǎn)生氫致裂紋，同時也為了降低焊縫及熱影響區(qū)的淬硬傾向，提高焊縫接頭的抗裂性能[1-3]，焊前需進行局部預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100～150℃，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)各100mm左右。

焊接時先全位置焊接打底焊縫，焊縫成形均勻，焊縫高度3～4m m，焊后檢查，若焊縫有夾渣、氣孔和裂紋等缺陷，則必須刨除缺陷焊縫后重新焊接。采用多層多道焊接方法，后一焊道壓住前一焊道焊縫的1/3～1/2，焊縫的接頭處錯開距離不少于8～10mm，焊縫層間、道間必須清渣處理?？刂坪缚p的層間、道間溫度為100～250℃。若溫度過低，則需重新預(yù)熱，焊后使用石棉被保溫。

為了減少焊接飛濺、細化溶滴、增強多層多道焊接金屬間的熔合度、降低微裂紋傾向和改善焊縫成形質(zhì)量、提高焊縫的綜合性能[1-3]，采用富氬混合氣體保護（80%Ar＋20%CO2）焊接方法，使用GHS-70級焊絲，焊絲直徑1.2mm，人工焊接，焊縫分3層依次焊接完成，焊接參數(shù)見表5。

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表5 富氬混合氣體保護焊焊接參數(shù)

試件焊接后，清理焊縫表面及引弧板、引出板切割面，焊縫表面及周圍不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷及明顯的焊渣飛濺，焊縫與母材交接處圓滑過渡。為了防止焊接冷裂紋產(chǎn)生，改善接頭的組織和力學性能，有效消除焊接內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減小加工和使用過程中的變形[4]，焊接后整體進行去應(yīng)力處理，以釋放焊接內(nèi)應(yīng)力，獲得質(zhì)量穩(wěn)定的焊縫。

4 試件焊后檢測

4.1 外觀檢查

試件焊接后，進行焊縫外觀檢查，焊縫與母材交接處圓滑過渡，焊縫成形均勻，接頭勻直，焊縫表面未出現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合、夾渣及明顯的焊渣飛濺等缺陷。

4.2 無損檢測

試件焊接完成24h后，進行焊縫的超聲波檢測，按照GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》進行B級檢測，并按照GB/T 29712—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 驗收等級》2級標準進行驗收。

經(jīng)無損檢測，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，焊接質(zhì)量達到2級要求。

4.3 力學性能檢測

試件經(jīng)無損檢測后，依據(jù)ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定》規(guī)定，并結(jié)合我公司臂架產(chǎn)品的設(shè)計要求，分別進行了焊縫拉伸試驗、彎曲試驗、宏觀金相檢測等焊縫力學性能檢測，試件檢測全部合格，試驗結(jié)果如下。

（1）拉伸試驗 按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》對試件的焊縫接頭進行拉伸試驗，在萬能試驗機上進行試驗，焊縫的抗拉強度為770～781MPa，相當于GHS-70級焊絲的抗拉強度，滿足BS700鋼材焊接低匹配原則要求，且拉伸斷裂位置不在焊縫上，表明試件的焊縫滿足設(shè)計焊縫的強度要求，試驗結(jié)果見表6。

表6 拉伸試驗結(jié)果

（2）彎曲試驗 按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》對試件的焊縫接頭進行彎曲試驗，根據(jù)ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定》進行2件180°正彎和2件180°背彎試樣的彎曲試驗，試樣彎曲后均未出現(xiàn)裂紋和其他缺欠，表明試件焊縫接頭的強度和塑性較好，滿足標準ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定》的要求，試驗結(jié)果見表7。

表7 彎曲試驗結(jié)果

（3）宏觀斷面試驗 按照GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》對試件的焊縫接頭進行低倍宏觀金相檢測。經(jīng)檢測，焊縫接頭未出現(xiàn)肉眼可見的裂紋、未熔合、根部未焊透等缺陷及其他危害性缺欠，焊縫已完全焊透，且焊縫成形良好，如圖3所示。

圖3 接頭宏觀斷面照片

試件的焊接檢測結(jié)果顯示，試件焊縫已完全焊透且焊縫成形良好，焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)GB/T 29712—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 驗收等級》2級標準的超標缺陷，焊縫質(zhì)量達到2級要求，焊縫接頭的抗拉強度相當于GHS-70級焊絲的抗拉強度，滿足BS700鋼材焊接時低匹配焊接材料的原則要求，且焊縫接頭的強度和塑性較好，彎曲（正彎、背彎）180°后均未發(fā)現(xiàn)裂紋和其他缺欠，滿足ISO 15614-1：2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定》焊接質(zhì)量要求。檢測表明，對于BS700鋼材對接焊縫，采用富氬混合氣體保護（80%Ar＋20%CO2）焊接方法，選用GHS-70級高強鋼焊絲，焊絲直徑1.2mm，使用表5中的焊接參數(shù)，焊接時預(yù)熱溫度至100～150℃，采用多層多道焊接方法，并控制焊縫的層間道間溫度的焊接工藝方法是可行的，能夠滿足其焊接質(zhì)量要求。

5 工件焊接生產(chǎn)過程

5.1 工件組對

工件經(jīng)折彎、開設(shè)坡口后，吊運至拼裝平臺上進行組對，上下兩件中心線對齊，坡口焊縫對接，對接處錯邊量≤1mm，坡口間預(yù)留2mm拼裝間隙，如圖4所示。組對后定位焊焊接牢固，工件表面外側(cè)焊接橋板控制工件的焊接變形。

圖4 工件組對

5.2 焊接工藝方法

焊前清理工件待焊表面及焊縫兩側(cè)，打磨焊縫及焊縫兩側(cè)30～50mm內(nèi)露出金屬光澤，不得有影響焊接質(zhì)量的鐵銹、油污、水及涂料等異物。

室內(nèi)焊接，確保環(huán)境溫度≥5℃，焊接工位風速＜2m/s。焊前局部預(yù)熱，預(yù)熱溫度至100～150℃，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)各100mm左右。采用富氬混合氣體保護（80%Ar＋20%CO2）焊接方法，使用GHS-70級焊絲，焊絲直徑1.2mm，焊接參數(shù)見表5。

為了減小工件的不均勻溫度場，增大焊縫與空氣的接觸面積，使焊接后的焊縫熱量盡快散失，以控制工件的焊接應(yīng)力[5]，減小工件的縱向焊接變形，工件縱向焊縫采用交替法、間斷性焊接[6]，從兩端向中間分段跳焊，逐段將整條縱焊縫焊滿，焊接順序如圖5所示。

圖5 縱向焊縫焊接順序

為了減小焊接應(yīng)力對工件外形的作用，控制工件的橫向焊接變形，工件兩側(cè)的對稱焊縫采用對稱性焊接，一側(cè)焊完一層后翻轉(zhuǎn)焊接另一側(cè)焊縫，焊接后再翻轉(zhuǎn)焊接這一側(cè)焊縫，依次類推，焊縫厚度方向分多次逐步將兩側(cè)焊縫焊滿，不允許一次性焊滿一側(cè)焊縫后再焊接另一側(cè)焊縫，焊接順序如圖6所示。

圖6 兩側(cè)焊縫焊接順序

先全位置焊接打底焊縫，焊縫成形均勻，焊縫高度3～4m m，焊后檢查，若焊縫有夾渣、氣孔和裂紋等缺陷，則必須刨除缺陷焊縫后重新焊接。填充焊和蓋面焊，清理打底焊縫表面焊渣飛濺，采用多層多道焊接方法，后一焊道壓住前一焊道焊縫的1/3～1/2，焊縫的接頭處錯開距離不少于8～10m m，焊接時控制焊縫層間道間溫度100～250℃，當溫度＜100℃時，需停止焊接并重新加熱。

焊接后焊縫表面覆蓋石棉被保溫，工件冷卻后，清理焊縫表面及周圍不得有裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷及明顯的焊渣飛濺，焊縫與母材交接處圓滑過渡。然后，對工件整體進行去應(yīng)力處理。

5.3 焊后質(zhì)量檢測

（1）工件外觀檢查 工件焊接完成后，進行外觀質(zhì)量檢查，工件外形尺寸變形量≤1mm，焊縫對接處外形尺寸內(nèi)縮0.5～1mm，三維坐標檢查工件表面的平面度≤1.5mm，工件整體焊接變形量滿足圖樣設(shè)計公差要求。

（2）焊縫外觀檢查 焊縫成形均勻，接頭勻直，焊縫表面沒有出現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合、夾渣及明顯的焊渣飛濺等焊接缺陷。工件放置2天后，再次檢查焊縫表面，未出現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合、夾渣及明顯的焊渣飛濺等焊接缺陷。

（3）焊縫內(nèi)部檢測 工件放置24h后，進行焊縫的超聲波檢測，檢測焊縫的有效熔深≥板厚，滿足圖樣設(shè)計的熔深要求。焊縫內(nèi)部未出現(xiàn)G B/T 29712—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 驗收等級》2級標準的超標缺陷，焊縫質(zhì)量達到2級要求。

6 結(jié)束語

通過對BS700高強鋼試件的焊接試驗和BS700高強鋼臂架的焊接實踐證明，對于BS700高強鋼臂架，采用富氬混合氣體保護（80%Ar＋20%CO2）焊接方法，選用GHS-70級高強鋼焊絲，焊絲直徑1.2mm，使用本研究所用焊接參數(shù)，焊接時預(yù)熱溫度至100～150℃，采用多層多道焊接方法，并控制焊縫的層間、道間溫度的焊接工藝方法是可行的，能夠滿足臂架產(chǎn)品的焊接質(zhì)量需求。同時，通過縱焊縫交替法、間斷性焊接，對稱焊縫對稱性焊接，并輔以外側(cè)加焊橋板的焊接工藝方法，能夠有效控制工件的焊接變形，滿足臂架圖樣要求的形位公差。

對于BS700高強鋼臂架產(chǎn)品，上述焊接工藝方法已通過我公司產(chǎn)品的批量驗證，產(chǎn)品在施工服役過程中沒有出現(xiàn)焊縫開裂、層狀撕裂等焊接質(zhì)量問題。實踐證明，該種焊接工藝方法是經(jīng)得起實踐考驗的，對于BS700高強鋼材和同類臂架產(chǎn)品的焊接和生產(chǎn)，具有積極的實踐意義和參考價值。