Q690E調(diào)質(zhì)鋼板的可焊性和最佳焊接工藝研究

摘 要：對南方某鋼廠生產(chǎn)的Q690E低合金高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼的可焊性進(jìn)行研究，選用20 mm厚的母材采用兩種焊接參數(shù)及層道次進(jìn)行焊接，對其力學(xué)性能、沖擊性能、彎曲性能、焊接區(qū)域顯微組織和硬度進(jìn)行檢測，得到焊接效率較高且性能滿足鋼材使用要求的焊接工藝。研究結(jié)果將為實(shí)際生產(chǎn)中Q690E材料的焊接應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：Q690E；低合金高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼；焊接工藝

Q690E RESEARCH ON WELDABILITY AND OPTIMAL WELDING PROCESS

Chen Lin Chen Jianxin Zhu Hong-xiang Liang Guangcheng Huang Richeng Wang Xusheng

（Technical Management Department， Guangxi Shenglong Metallurgy Co.， Ltd. Fangchenggang 538000， China）

Abstract：This paper aims to study the weldability of Q690E low alloy high emphasis steel in a southern steel plant， choose 20 mm thick base material using two welding parameters and layer welding， the mechanical properties， impact properties， bending properties， microorganization and hardness of welding area， get high welding efficiency and the performance meet the requirements of steel. The research results will provide a reliable theoretical basis and technical guidance for the welding application of Q690E material in the actual production.

Key words：Q690E;low alloy and high emphasis on weight steel; welding process

0 引 言

Q690E是南方某鋼企按GB/T16270-2009《高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用調(diào)質(zhì)鋼板》生產(chǎn)的一款低合金高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼，產(chǎn)品以熱軋淬火+高溫回火狀態(tài)交貨，應(yīng)用于工程機(jī)械、攪拌車、泵車、砂漿設(shè)備的吊臂、支臂架、副臂、支撐臂、伸縮臂、輸送管、罐體、鏟車零部件、改裝車廂梁。焊接是衡量鋼鐵材料能否實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值的重要手段，因此在對該材料研究的同時要特別重視對其焊接性的研究，高強(qiáng)鋼焊接接頭性能不同于母材，究其根本在于焊接熱循環(huán)的作用。在焊接熱循環(huán)的作用下，接頭晶粒長大，并發(fā)生不同的組織轉(zhuǎn)變，進(jìn)而會影響到其力學(xué)性

能[2-3] 。通過焊接試驗(yàn)，得到焊接效率較高且性能滿足Q690E使用要求的焊接工藝。

1 母材成分和性能

本文使用的焊接母材為南方某鋼企開發(fā)的Q690E，其成分和力學(xué)性能分別見表1和表2，金相組織為回火索氏體。

2 預(yù)熱溫度的確定

2.1 碳當(dāng)量法

由于焊接熱影響區(qū)的淬硬及冷裂紋傾向與鋼種的化學(xué)成分有密切關(guān)系，因此可以用化學(xué)成分間接評估鋼材冷裂紋的敏感性。各種元素中，碳對冷裂紋敏感性的影響最顯著?？梢园唁撝泻辖鹪氐暮堪聪喈?dāng)于若干碳含量折算并疊加起來，作為粗略評定鋼材冷裂紋傾向的參數(shù)指標(biāo)，即所謂碳當(dāng)量（CE或Ceq）[4]。根據(jù)Q690E的成分和性能可采用日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的碳當(dāng)量計(jì)算公式即：

通過公式（1）可計(jì)算出=0.52%gt;0.5%，鋼材易淬硬需要預(yù)熱才防止裂紋。使用日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）計(jì)算碳當(dāng)量，且板厚δlt;25 mm；又因Q690E的強(qiáng)度要求為770 ～ 940MPa，屬于800 MPa級鋼材，由表3可得出Q690E的預(yù)熱溫度在100 ～ 150℃之間。

2.2 冷裂紋敏感性指數(shù)法

目前一般采用焊接裂紋敏感指數(shù)來評估低合金高強(qiáng)鋼冷裂紋敏感指數(shù)。若考慮到焊縫金屬中擴(kuò)散氫及不同板厚對焊接冷裂紋的影響，可在Pcm的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到Pc 值，根據(jù)Pc 值可以計(jì)算出理論最低預(yù)熱溫度T0[5]。

式中：Pcm為焊接冷裂紋敏感系數(shù)，Pc為冷裂紋敏感性，[H]為熔敷金屬中擴(kuò)散氫含量，δ為焊材厚度、T0為最低預(yù)熱溫度。按照上述公式計(jì)算出Pcm、Pc和T0，結(jié)果見表4?？芍猀690E的Pcm為 0.288%gt;0.20%，表明20 mm厚的Q690E鋼板有一定的冷裂敏感性，焊前需要進(jìn)行預(yù)熱，且預(yù)熱溫度需要大于等于130 ℃。

2.3 預(yù)熱溫度的選擇

由碳當(dāng)量法得出Q690E的預(yù)熱溫度在100 ～ 150℃之間，由冷裂紋敏感性指數(shù)法得出預(yù)熱溫度需要大于等于130 ℃，根據(jù)兩種方法綜合選擇Q690E預(yù)熱溫度大于等于130 ℃。

3 焊接試驗(yàn)

3.1 焊接設(shè)備

本次試驗(yàn)使用的焊機(jī)為佳士A500，采用手工實(shí)心焊絲富氬+二氧化碳保護(hù)焊（GMAW-Ar）；保護(hù)氣體：80%Ar+20%CO2。

3.2 焊絲的選擇

此次試驗(yàn)采用GMAW-Ar焊接方法，按照等強(qiáng)原則選擇焊材，選用JQ.MG80-G焊絲，φ1.2 mm焊絲成分和力學(xué)性能見表5、表6。

3.3 焊接接頭類型和順序

此次焊接采用雙Y型對接焊；接頭類型見圖1；兩次試驗(yàn)編號為1和2，1號和2號的焊接順序見圖2、圖3。

3.4 焊接工藝參數(shù)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)焊接工藝見表7，由于采用手工焊焊接參數(shù)有所波動，實(shí)際參數(shù)見表8。

3.5 焊接過程注意事項(xiàng)

焊前待焊坡口及周圍50 mm范圍內(nèi)需打磨出金屬光澤[6]、水分等雜質(zhì)；層間打磨時需清理掉上一道的焊渣，層間清理不徹底時會出現(xiàn)夾渣缺陷[7]；將焊縫表面的過高凸起部分打磨平整，防止過度打磨損傷母材或影響焊縫力學(xué)性能；打磨要均勻，使層間過渡平滑，避免出現(xiàn)局部凹陷或凸起；打磨后要清理干凈打磨產(chǎn)生的金屬屑等雜物；打磨后層間溫度低于預(yù)熱溫度時，需重新加熱焊縫及周圍50 mm，使之高于預(yù)熱溫度。

4 焊接接頭性能測試

焊接24 h后對焊板進(jìn)行超聲波探傷，避開缺陷位置對焊板做拉伸、彎曲、沖擊、顯微組織和硬度檢測，進(jìn)行焊接工藝評定。焊接工藝評定參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19869.1-2005。

4.1 物理性能

焊后物理性能檢測結(jié)果見表9；拉伸后的試驗(yàn)見圖4、圖5，彎曲后的試樣見圖6、圖7。由表9可以看出，1號、2號鋼板的抗拉強(qiáng)度均高于母材強(qiáng)度要求的最低值770 MPa，K抗拉強(qiáng)度合格。1號拉伸試驗(yàn)斷裂位置都在母材，2號拉伸試樣一個斷在母材另外一個斷在熱影響區(qū)，說明隨著熱輸入的提高，熱影響區(qū)軟化程度更大，抗拉強(qiáng)度降低；1號側(cè)彎試樣雖然有裂紋，但裂紋長度小于3 mm，彎曲試驗(yàn)合格；1號、2號沖擊功均高于母材要求最低值47 J，沖擊功合格；且1號熱影響區(qū)和焊縫沖擊功都大于2號，說明熱輸入的提高會降低焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功。

4.2 低倍及顯微組織

1號焊板和2號焊板的低倍分別見圖8、圖9，顯微組織見圖10。從圖8和圖9可以看出，焊接接頭沒有現(xiàn)裂紋、夾渣、氣孔、未熔合等缺欠。從圖10可以看出，使用1號工藝焊接的鋼板焊縫顯微組織為鑄態(tài)枝晶、過熱區(qū)顯微組織為M、正火區(qū)顯微組織為B+F+少量M、部分相變區(qū)顯微組織為B+F、母材顯微組織為S回；2號工藝焊接的鋼板過熱區(qū)顯微組織為M+B、正火區(qū)顯微組織為B+F，其他區(qū)域顯微組織與1號工藝焊接接頭對應(yīng)區(qū)域顯微組織相同；1號工藝過熱區(qū)和正火區(qū)淬硬組織更多，是因?yàn)?號焊板焊的道次更多，單道次熱輸入更??；相同冷卻條件下，冷卻速度大于1號焊板，更容易生成淬硬組織。

4.3 硬度

1號和2號的焊接接頭維氏硬度（HV10）分布結(jié)果見圖11、圖12。1號母材硬度為282～293、熱影響區(qū)硬度為271～417、焊縫硬度為300～321、最高硬度為417。2號母材硬度為266～289、熱影響區(qū)硬度為265～405、焊縫區(qū)硬度為266～285，最高硬度為405。Q690E屬于標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR15608：2005中第3類鋼材，焊后的最大允許維氏硬度（HV10）為450[8-9]。Q690E焊接接頭維氏硬度（HV10）最高硬度為417lt;450，Q690E焊接接頭硬度合格。

5 分析與討論

選擇130 ℃作為預(yù)熱溫度，焊后用5倍放大鏡觀察焊縫表面沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，且后續(xù)拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)檢測結(jié)果都合格，所以經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)熱溫度滿足要求。

從圖11、圖12可以看出，1號焊縫硬度高于母材硬度，2號焊縫下焊道硬度與母材相當(dāng)，上焊道硬度低于母材，與焊接工藝和焊接層道次相對應(yīng)。1號正、背兩面蓋面都是焊的2道，蓋面單道次熱輸入最大為9.71 kJ/cm；2號正面蓋面熱輸入16.58 kJ/cm大于背面熱輸入14.19 kJ/cm，熱輸入越小冷卻速度越快，硬度越大。1號、2號熱影響區(qū)都有明顯硬化和輕微軟化，是因?yàn)镼690E淬透性較好，過熱區(qū)生成粗大的M或M+B強(qiáng)度、硬度提高，部分相變區(qū)生成B+F硬度、強(qiáng)度降低，與拉伸試樣斷裂位置相對應(yīng)。

以熱軋或回火狀態(tài)交貨的800 MPa級超級鋼以5 ～ 11.5 kJ/cm的熱輸入進(jìn)行焊接焊后熱影響區(qū)硬度都低于母材，焊接接頭抗拉強(qiáng)度較母材下降8% ～ 16%，過熱區(qū)是800 MPa超級鋼焊接接頭最薄弱的區(qū)域，且隨著焊接熱輸入的增大，焊接接頭的強(qiáng)度逐漸減小[10-11]。而以調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨的Q690E淬透性更好，過熱區(qū)快速冷卻硬度高于母材，只有靠近部分相變區(qū)才有輕微軟化，接頭抗拉強(qiáng)度無明顯下降，調(diào)質(zhì)狀態(tài)交貨的Q690E具有焊后強(qiáng)度穩(wěn)定的優(yōu)勢。

在高強(qiáng)鋼焊接中，多層焊的焊縫質(zhì)量比單層焊好，多層多道焊的焊縫質(zhì)量比多層焊好，在厚板焊接中，首選多層多道焊技術(shù)[12]。在本次試驗(yàn)中也是焊接層道次較多的1號工藝焊板綜合性能更加優(yōu)越；但現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)在保證質(zhì)量的情況下盡可能的節(jié)約成本，Q690E焊接性能穩(wěn)定，采用多層焊的2號工藝綜合性能只是略低于1號，仍滿足質(zhì)量要求，且2號工藝打磨量更少，打磨器材損耗更小，所需焊材更少；焊接所費(fèi)總時間更少，效率更高，交貨周期更短；所以混合氣體保護(hù)焊焊接的Q690E在單道焊縫線能量不超過16 J/cm可采用多層焊進(jìn)行焊接。

研究[13]表明：粗晶區(qū)組織中馬氏體含量較多，更易于冷裂紋的萌發(fā)。與本次試驗(yàn)中1號粗晶區(qū)（過熱區(qū)）馬氏體比2號多，1號側(cè)彎存在開裂，2號裂紋率為零相符。1號的側(cè)彎開裂原因可能是過熱區(qū)馬氏體組織較多，馬氏體塑韌性與其它差別較大導(dǎo)致的，有條件的情況下可以采取焊后緩冷，能減少或避免淬硬組織的產(chǎn)生，減小彎曲出現(xiàn)裂紋的幾率。

6 結(jié) 論

1）預(yù)熱溫度130 ℃滿足20 mm厚的Q690E雙Y型坡口對接焊要求。

2）8道次焊接和5道次焊接都能使焊接質(zhì)量指標(biāo)滿足《GBT 19869.1-2005 鋼鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗(yàn)》中的要求，Q690E具有良好的可焊性。

3）20 mm厚的Q690E采用5道次焊接比8道次焊接產(chǎn)生裂紋的幾率降低，焊接成本更低，焊接難度更小，焊接效率更高，更適合生產(chǎn)現(xiàn)場焊接。

4）在單道焊縫線能量不超過16 kJ/cm焊接20 mm厚的Q690E時，可采用多層焊取代多層多道焊。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉山，歷福海，王洋，等.A572GR65D低合金高強(qiáng)鋼焊接性研究及應(yīng)用[J].熱加工工藝，2013，42（23）：163-168.

[2] Shiga C.Progress in Welding and Joining in STX-21 Project [A]. Proceedings of the International Workshop on the Innovative Struc- tural Materials for Infrastructure in 21st Century[C].Tsukuba， Japan，2000：159-173.

[3] 屈朝霞，田志凌，何長紅，等.超細(xì)晶粒鋼及其焊接性[J].鋼鐵，2002，35（2）：70-73.

[4] 李亞江.焊接冶金學(xué)——材料焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：20-22.

[5] 劉啟明，許祥平，鄒家生.Q960E 高強(qiáng)鋼焊接試驗(yàn)研究[J].焊接技術(shù)，2017，46（2）：27-28.

[6] 郭明星，王志勇，杜瓊.烏東德800 MPa級高強(qiáng)鋼蝸殼焊接關(guān)鍵技術(shù)[J].人民黃河，2019，41（S2）：204.

[7] 李少峰，馬成勇，宋志剛，等.800 MPa級高強(qiáng)鋼焊接接頭組織及力學(xué)性能[J] .焊接學(xué)報(bào)，2020，41（5）：92.

[8] ISO. ISO/TR 15608：2005焊接——金屬材料分類指南[R].

[9] GB/T19869.1-2005鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗(yàn)[S].

[10] 徐春華.800MPa 超細(xì)晶粒鋼焊接接頭組織和性能控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[11] 趙洪運(yùn)，劉甲坤，駱宗安，等.焊接熱輸入對800 MPa超級鋼焊接接頭組織性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2011，32（8）：6-8.

[12] 李亞江，王娟.焊接缺陷分析與對策[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：11-12.

[13] 韓振仙， 段青辰， 孫滿春，等.Q690D 調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼抗裂性研究及顯微組織分析[J].煤礦機(jī)械，2019，40（6）：92-93.

第一作者：陳琳，男，29歲，技術(shù)員

收稿日期：2024-07-15