浅析超高强钢焊接

1、浅析超高强度钢的焊接张勇摘要：针对性地介绍了超高强度钢焊接时如何合理选择工艺参数、存在的主要问题、注意事项及应采取的预防措施。关键词：超高强度钢；焊接；冷裂纹；疲劳超高强度钢一般是指屈服强度大于700Mpa的细晶粒高强钢，如：HQ80（鞍钢）、STE690、STE890、STE960（德国）、WELDOX700、WELDOX900、WELDOX960、WELDOX1100（瑞典奥克隆德钢铁公司）等。其焊接存在的主要问题为：焊接氢致裂纹（冷裂纹）、焊接热影响区软化及韧性下降、焊接接头的疲劳等。本文针对高强钢焊接进行比较详细的分析和介绍。1 .高强钢焊接目标：在焊接接头处获得适当的强度（抗拉强度和

2、疲劳强度），在焊接接头处获得良好的韧性，避免产生冷裂纹。2 .防止冷裂纹措施2.1 焊前预热预热对对接焊缝和根部焊道最为重要，焊接过程中和焊接后的温度越高，则氢越易从钢中逸出；钢板越厚，预热的必要性越大，以补偿厚板更快的冷却速度，而且厚板比薄板的碳当量（CE）值更高。工件具体的预热温度和要求见表一与图一，如果不同钢种的焊接或所用焊材的碳当量比母材高，则预热温度由碳当量高的母材或焊材的碳当时决定。2.2 确保焊接面的清洁和干燥产生冷裂纹的主要原因是有应力存在的焊缝金属中有氢的存在。焊件在组装前应彻底清除坡口表面及附近母材上的各种脏物（例如：氧化皮，铁锈，油污，水份等，这些脏物在焊接时分解出氢而导

3、致焊缝产生延迟纹或气孔，使焊接接头性能受损），直至露出金属光泽并保证清理范围内无裂纹与夹层等缺陷。2.3 减小构件内应力通过采用良好的焊接顺序；合理组装，避免强力组对以减少构件的残余应力；焊接组装时应将工件压紧或垫置牢固，以防止因焊接受热而产生附加的应力和变形。2.4 选择含氢量小的焊接材料选用的焊接材料其熔敷金属含氢量应小于5ml/100g;为了避免吸潮，焊接材料应根据厂家的规定进行储存，使用前按厂应家要求重新烘焙，以免工件在焊后或使用过程中产生延迟冷裂纹。2.5 焊后后热消氢处理在焊接完成后，立即将焊件后热到150-250C,并按每毫米板厚不少于5分钟进行恒温处理后缓冷（且总的恒温时间不得

4、小于1小时），确保焊接接头中的残余氢能扩散逸出，减少延迟冷裂纹的产生。2.6 焊后热处理进行焊后热处理是为了减少焊接残余应力，高强钢焊后一般不进行焊后热处理，热处理会使接头的某些机械性能下降，如：冲击韧性等。只有在设计规则有特殊说明时，方应进行焊后热处理。但应注意其焊后热处理温度不能超过其调质回火温度。图一：预热温度测量位置及当量板厚的确定钢板的当量板厚Sk=Si+S2+S3,或至少为2倍板厚Si=距焊缝金属75mm内的平均厚度采用火焰预热时，焰芯距板间的距离应大于50mm预热温度与当量板厚的关系：表一母材不向当量板厚(SK-S1+S2+S3,mm)的预热温度层间温度225-250C<2

5、030405060708090100110120130Q235-AQ295（09Mn等）225-250CQ345（16Mn等）150c225-250CQ390（15MnTi等）不需预热200-225CQ450（HQ60等）200-225CQ590（HQ70等）150c150-175CQ685（HQ80等）150-175CWELDOX900,StE890150-175CWELDOX960,StE960150c150-175CWELDOX1100175c150-175C注：1.如果环境湿度大或温度低于5C,则表内所给温度应增加25C;如果工件属刚性固定，预热温度应相应增加。2.在当量板厚小于极限值

6、，工件温度低于5c或空气湿度大于65%时应将工件预热50C-80Co3.适用于相应强度级别的铸钢。举例：WELDOX900的极限当量板厚对应为20mm,即对T形接头必需从20/3=7mm板厚开绐预热，而对接接头则从20/2=10mm板厚起开始预热。已知：S1=15mmS2=Si.贝U：Sk=Si+S2+S3S3=10mm=15mm+15mm+10mm40mm即Q450,Q390,Q345,Q295,Q235均不需预热；Q590,Q685,WELDOX900等需预热1503 .高强钢焊接材料选择的一般原则3.1 对于超高强度钢，由于强度提高，钢材塑性、韧性不断下降。如果仍采用等强原则，选用高组配

7、的焊接接头，焊缝的韧性将进一步降低，将可能导致由焊缝金属韧性不足引起低应力脆性破坏。所以高强钢焊接时应采用等韧性原则，选择焊缝韧性不低于基体金属的低组配焊接接头比较合理。采用低强的焊缝金属并不总是意味着焊接接头的强度一定低于母材，只要焊缝金属的强度不低于母材的87%,仍可保证接头与母材等强。3.2 焊接材料选择由焊接接头机械性能要求而定，选择焊材屈服强度时有以下选择原则：a低强度焊接金属（焊缝金属屈服强度低于母材的屈服强度）b等强度焊接金属（焊缝金属屈服强度等于母材的屈服强度）c高强度焊接金属（焊缝金属屈服强度高于母材的屈服强度）当所焊钢种的屈服强度处于7001100MPa之间，板材较厚时，需

8、匹配不同成分的焊接材料。例如：根部焊道采用软基焊料打底，填充与盖面采用高强度焊料；对角焊而言通常采用低强焊料。选用低强焊接材料比选择高强焊接材料（屈服强度大于500Mpa）所具的优点是：焊缝金属的韧性大；焊接接头延伸性能好；产生裂纹的可能性减小。Q235,Q295,Q345,Q390高强焊接金属Q450高强或等强焊接金属Q590,Q685等强或低强焊接金属WELDOX900,StE890低强焊接金属WELDOX960,StE960低强焊接金属WELDOX1100低强焊接金属3.3熔敷金属的含氢量应不超过5ml/100g,焊接金属的冲击韧性至少要与钢板的冲击韧性一样。4 .高强钢焊接参数高强钢焊

9、接的主要问题焊接冷裂纹和焊缝热影响区韧性的降低，为此必须在选择含氢量低的焊接方法的同时应严格地控制焊接线能量，控制t8/5的冷却时间（焊缝从800c冷却到500c的时间，一般控到6-20秒，具体要根据钢材厂家提供的参数来确定）以得到合理的焊缝金相组织。各种焊接方法热输入量计算可参照下述方法进行Q=Y*U*I*60/（1000*V）Q=输入热量（Kj/mm）U=电压（V）I=电流（A）V=焊接速度（mm/min）Y=电弧热效率（具体见右表）序号焊接方法电弧效率焊缝含氢1手工电弧焊0.85ml/100g2气体保护焊0.853ml/100g2药芯焊丝电弧0.95-6ml/104埋弧焊1.05ml/1

10、00g5鸨极瀛弧焊0.73ml/100g高强钢富僦气体保护焊（MAG）推荐焊接参数见图2、图3、图4、图5等图2:对接焊时，允许输入线能量与板厚的关系EE（KJ/cmj10152025303540mm板厚du用UP和MAG焊接方法焊接对接焊缝时的允许线能量范围与Q590,Q685和WELDOX900的板厚之间的关系注：t8/5max=20sdumax=2.8cmt8/5min=6sdumax=1.6cmt8/5max=12sdumax=2.3cmuup=1MMAG=0.85MMAG=0.85Emax=28.5KJ/cmEmax=10.0KJ/cmEmax=20.0KJ/cm经验工式：板厚至25

11、mm,T0=150C适用板厚=最大线能量。如：当施焊板材的厚20KJ/cm。度为20mm时其，允许输入的最大线能量为“#"区域低温时良好的韧性。图3:角接焊时，允许输入线能量与板厚间的关系E(KJ/cm)板厚du用UP和MAG焊接方法焊接角焊缝时的允许线能量范围与Q590,Q685和WELDOX900的板厚之间的关系注：t8/5max=20suup=1Emax=45KJ/cmdumax=32cmt8/5min=6sYMAG=0.85Emax=13.5KJ/cmdumax=19cmt8/5max=12sYMAG=0.85Emax=27KJ/cmdumax=26cm经验工式：板厚至35m

12、m,T0=150C适用板厚=最大线能量。如：当施焊板材的厚度为20mm时其，允许输入的最大线能量为20KJ/cm#：由于填充材料而受到限制（低温时良好的韧性）图4:焊接速度与线能量的关系实芯焊丝(CARBOFILNiMoCr小1.2)混合气体M21(80%Ar+20%CO2),线能量对CO2气体保护焊线能量可提高5%E|kj/cn)：,125111015郊25列35M455匚5560V|/min：|焊接速度(V)对应曲线焊接参数表曲线电压(V)2927242220191817电流(A)300275250225200175150125Vz(m/min)10.59.08.07.05.54.53.5

13、3.0注：Vz为焊丝送丝速度从图3中找出线能量的允许值，接着可用此值在图4中求得其余的焊接参数。例：板厚为15mm的WELDOX900高强钢板，对接焊缝采用熔化极活性气体保护焊(MAG),焊丝直径。1.2mm,从附图2查得板厚15mm时所需线能量至少为9.5J/cm,最大为13.5J/cm。而从附图4中得出当电流为275A,送丝速度为9.5m/min时，应保持焊接速度在3347cm/min之间。如图5与图6所示:图5:1(1图6:20?53D后404550SS60V(crri/rip|5.高强钢焊接接头的疲劳高强钢焊缝失效的主要形式为疲劳，影响疲劳强度的因素有很多，如：动态应力、平均应力、焊接

14、残余应力、基体材料的腐蚀、钢板厚度、载荷的频率和次数等。对于焊接接头来说，其疲劳强度要比基体母材低很多，其抗疲劳性能很大程度上取决于焊缝的宏观和微观几何形状，也就是焊接质量。在制造过程中，设计师、焊接工程师和焊接技工对焊接结构的疲劳性能起着决定性的作用。在设计和制作的过程中应注意以下事项：a.在设计过程中尽可能使应力均匀，避开突然改变截面以及产生很大的刚度变化。b.在高应力区尽可能采用对接焊代替角焊，如采用角焊在设计时要避免在根部发生起始疲劳裂纹。c.不要把焊缝（即使不承受载荷）、孔洞等放在高应力区。d.把焊缝附近的应力集中降到最低，即尽可能除掉多余的焊缝金属，使角焊缝和基体母材之间的凹面圆滑过渡，避免产生不连续的缺陷。e.焊缝内部缺陷需视作与表面缺陷的应力集中在关联。表面缺陷比内部缺陷更为危险（高达4-5倍）。f