低合金高強度結構鋼焊接性能研究

譚震國 胡慶超

1.概述

隨著國內外工程機械的發展，為了減輕工程機械中焊接結構的質量，節約材料和縮短焊接工期，在降低焊接產品結構成本條件下，也能夠提高生產效率和使用性能，低合金高強鋼就是在這種復雜苛刻的工況要求下逐漸被工程設計部門所采用，使得工程機械的設計逐漸向輕型化、快速化的方向發展，于是低合金高強鋼的焊接性能成為了廣大工程技術人員及高等院校、科研院所研究的課題。本公司從實際產品中涉及的材料角度出發，重點研究了Q550C+Q550C同級別高強鋼,Q550C+Q690D、Q550C+Q345D不同級別高強鋼的焊接性。

2.試驗材料

本試驗研究的母材Q345D、Q550C和Q690D均為低合金高強度結構鋼，執行標準為GB/T1591—2008《低合金高強度結構鋼》，本試驗的母材分別為五礦營口中板有限責任公司生產的控軋態Q345D低合金高強鋼、寶山鋼鐵股份有限公司生產的控軋態Q550C低合金高強鋼和舞陽鋼鐵有限公司生產的調質態Q690D低合金高強鋼，其化學成分及力學性能分別如表1～表3所示。

3.焊接性分析及焊接材料的選擇

（1）焊接性分析 Q345D、Q550C和Q690D均屬于低合金高強度結構鋼，現在國內很多鋼廠為了提高鋼的強韌性及其優良的綜合力學性能，在Q550C和Q690D等級的高強鋼的成分設計中添加了一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B及Cu等，并且加大了對S、P元素的控制，以便提高鋼的淬透性和回火穩定性，正因為如此加大了冷裂紋及脆硬組織出現的幾率。從低合金高強鋼的焊接性研究出發，其常出現的焊接缺陷主要有冷裂紋、熱裂紋、氫致裂紋、脆化和軟化。

表1 低合金高強鋼化學成分（質量分數） （%）

表2 低合金高強鋼力學性能

表3 低合金高強鋼焊評中的板厚組合

預熱溫度的計算：碳當量法，我們常將鋼中各自合金元素都按相當于若干含碳量進行折合并累計起來求得碳當量，采用CE或Ceq標識，用CE值來評估冷裂傾向的大小。

根據國際焊接學會（IIW）推薦采用的計算碳當量CE的表達式計算得到Q550C和Q690D低合金高強鋼的碳當量CE值分別為0.25%、0.41%。

國際焊接學會（IIW）規定，在碳當量計算公式適用于中、高強度的低合金高強鋼，當CE≤0.45%時，焊接板厚＜25mm的板可以不預熱，本試驗中采用的板厚均≥25mm，所以在焊接工藝中還應采取焊前預熱處理。

（2）焊接材料的選擇 通過上述主要對Q550C和Q690D低合金高強鋼的焊接工藝性分析，為了獲得與Q550C和Q690D母材同樣的強度及韌性，我們根據等強匹配原則，選擇伯合樂焊接技術有限公司生產的實芯焊絲T Union GM 90，按照AWS A5.28標準牌號為ER90S—G，φ1.2mm，此焊絲能夠適用于淬火、回火和熱加工細晶粒結構鋼和高強度的抗蠕變結構鋼焊接，焊縫金屬具有良好的低溫沖擊性能；對于低合金高強鋼Q345D與Q550C的焊接材料，我們則是按照低強匹配原則，選擇的焊材是上海大西洋焊接材料有限責任公司生產的實芯焊絲CHW—50C6SM,按照AWS A5.28標準牌號為70S—6，焊絲T Union GM 90和CHW—50C6SM的化學成分及力學性能分別如表4和表5所示。

4.焊接工藝要點

（1）焊接參數 本試驗的焊接方法均采用熔化極氣體保護焊，為了保證焊縫無損檢測及結合實際產品的坡口形式，本試驗采用X形坡口形式。經過前述對低合金高強鋼的焊接工藝性有效合理的分析，再加上試驗過程中我們不斷的調節焊接參數，得出了最佳的焊接參數，如表6所示。

焊接的預熱范圍為距焊道3倍板厚，且≥75mm，且焊接過程中必須在試板兩端加引弧板以保證焊縫質量。

（2）試驗結果分析 各種性能試驗結果如表7～表9所示。

表4 T Union GM 90焊接材料化學成分

表5 T Union GM 90焊接材料力學性能

表6 各種母材組合下的焊接參數

表7 試板拉伸試驗結果（試驗標準ASTM E8M—04）

表8 焊接試板彎曲試驗結果

表9 沖擊試驗結果（-20℃）

通過對本試驗的焊縫無損檢測（MT、UT檢測），其中UT標準：GB11345質量等級I級，GB11345檢測等級B級；MT標準：GB/T 19418—2003表1中C級；無損檢測結果滿足標準要求。根據性能試驗結果，對于母材Q550C+Q690D的匹配，根據低強匹配原則選用焊材T UnionGM 90；母材Q550C+Q550C的匹配，根據等強匹配原則選用焊材T Union GM 90；母材Q550C+Q345D的匹配，根據低強匹配原則選用焊材CHW—50C6SM，這三組焊接工藝性試驗結果均符合試驗標準，故證明其焊接工藝是合理的，可以指導產品的實際焊接生產。