浅析超高强度钢的焊接工艺

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浅析超高强度钢的焊接工艺

为了降低结构自重、提高承载能力，低合金高强度钢在工矿机械上的应用越来越受重视。近年来屈服强度>800MPa超高强度钢在国内的工程机械上被普遍采用，以满足工程机械向大型化、轻量化、高效能化方向发展的需求。目前国内普遍使用的超高强钢系列主要有：HQ系列(鞍钢)、DILLINGER系列(德国)、SUM ITEN系列(日本住友金属)、JFE-HITEN系列(日本JFE)、WELDOX系列(瑞典SSAB公司)等。由于超高强钢合金系统复杂、淬硬性较大，焊接时容易产生冷裂纹；此外超高强钢强度级别高，焊接过程中容易导致包括焊接热影响区在内的焊接接头脆化。因此防止焊接冷裂纹产生、确保焊接接头具有优良的力学性能是该系列钢材的焊接技术关键。文中以DILLIMAX890超高强钢为例，重点介绍了超高强钢焊接时如何正确匹配焊接材料及合理选择焊接工艺参数的方法。
1 Y* _; g( i: @1 q    焊接材料的选择和匹配

' t8 _! u9 I% G- B! s9 |    超高强度钢由于强度提高，钢材塑性、韧性相应下降。如果仍采用等强原则，选用高组配的焊接接头，焊缝的韧性不容易保证，将可能导致由于焊缝金属韧性不足引起低应力脆性破坏。因此高强钢焊接应采用等韧性原则，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。根据多年来的焊接接头力学性能试验经验，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。
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$ H1 J  {! `7 _- O    当焊接较厚的超高强度钢板材时，在焊缝的不同部位应匹配不同强度级别的焊接材料。即：根部焊道采用低强度焊材打底，填充与盖面焊道采用高强度焊材；对角焊而言通常采用低强焊材。选用低强焊接材料比选择高强焊接材料的优点在于：焊缝金属的塑韧性储备大、焊接接头延伸性能好，使接头产生裂纹的可能性减小。
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- X8 t; ^5 X; `1 p/ S$ ^* }' p    超高强钢焊接时应选用超低氢焊接材料，熔敷金属的含氢量应不超过5ml/100g(水银法)，以尽量减少焊接过程中由焊接材料带入焊接接头的氢含量。同时为了避免吸潮，焊接材料应根据规定进行储存，使用前按要求重新烘焙。
    预热温度的确定

, S# n8 V5 j. D! S  ^8 J8 j0 W, k" \# P    实际焊接过程中应特别重视对超高强度钢对接焊缝和根部焊道的预热。钢板越厚，预热的必要性越大。预热温度与钢板的当量板厚相关，如图1所示当量板厚δK=δ1+δ2+δ3，δ1为距焊缝金属中心线75mm内的平均厚度。当采用火焰预热时，焰芯距板间的距离应大于50mm。DILLIMAX890钢板预热温度与当量板厚的关系见图2。
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    此外，预热温度应根据实际情况进行相应调整：
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    (1)如果环境湿度大或温度低于5℃，则图2所示温度应增加25℃；如果工件属刚性固定，预热温度也应相应增加；

    (2)在当量板厚小于极限值，工件温度低于5℃或空气湿度大于65%时，应将工件预热至50～80℃。
   

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    图1　预热温度测量位置及当量板厚的确定


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0 `6 S" M8 s. }    图2　DILL IMAX890钢板预热温度与当量板厚的关系

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: W7 N& i1 e5 c1 k    焊接热输入控制
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, d, A+ E( U1 w% y- }' P    焊接热输入量的变化将改变焊接冷却速度，从而影响焊缝金属及热影响区的组织组成，并最终影响焊接接头的力学性能及抗裂性。为了避免超高强钢焊接时产生焊接冷裂纹和焊缝热影响区韧性的降低，必须严格控制焊接热输入量，控制焊接冷却速度以得到理想的焊缝及焊接热影响区金相组织。冷却时间t8/5是决定焊后超强钢的性能和焊接接头性能的一个重要参数，冷却时间主要取决于焊接热输入、预热或层间温度。为了确保DILLIMAX超强钢的性能不会因为焊接过程中过大的热输入量而削弱，必须对冷却时间设定上限；另一方面，如果冷却太快，会造成热影响区产生脆硬组织，并且阻止氢的排除，导致冷裂纹的产生，所以也必须对冷却时间的下限进行设定。根据各种超强钢的不同特性，确定合理的冷却时间，这样在保证焊接热影响区性能的同时也能够有效阻止冷裂纹的出现，从而确保焊接接头的质量。
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    DILLIMAX890超高强度钢气体保护焊对接焊及角接焊允许最大焊接热输入量与板厚的关系分别见图3和图4。根据所推荐的焊接热输入量与板厚的关系图，就可以确定不同板厚的容许的最大热输入量，再根据图5热输入量和焊接速度的关系图便可以确定最佳焊接速度。最后根据焊接热输入量的计算公式可得到相应的电压和电流以及送丝速度。
   

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    图3　对接焊时,允许热输入量与D ILL IMAX890板厚的关系
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    图4　角接焊时,允许热输入量与D ILL IMAX890板厚的关系
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6 @) i7 a6 q& U    图5　焊接速度与热输入的关系
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    其它工艺措施

    (1)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氧化皮，铁锈、油污、水分等，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。
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    (2)减小构件内应力。采用合理的焊接顺序进行装焊，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。
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  R# g5 Z/ g$ B    (3)焊后消氢处理。在焊接完成后，立即将焊件后热到150～250℃，并按每毫米板厚不少于5min进行恒温处理后缓冷(且总的恒温时间不得小于1h)，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。
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    (4)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力学性能下降，如：冲击韧度等。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。

    超高强度钢结构件制作虽然存在一定的难度，但只要合理地选择焊接方法及工艺参数，加强焊接与制作过程质量的控制，完全能制造出高质量的超高强钢结构件。
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