高强钢小角度坡口深熔焊工艺

时间：2024-07-28

李建宇，倪川皓，江亚平，贾小磊

(中联重科股份有限公司，湖南长沙 410013)

0 前言

随着现代工程机械结构件更大、更高、更轻的发展趋势，行业内的结构件主要采用屈服强度为690 MPa及以上的高强钢进行制造[1]，而且890 MPa以上的高强钢占比越来越大。材料对应的国标为低合金高强度结构钢(GB/T 1591)和高强度结构用调质钢板(GB/T 16270)。在行业竞争不断加剧的情况下，降低高强钢结构件焊接成本的要求也越来越高。

目前行业中结构件主要采用常规MAG(熔化极混合气体保护电弧焊)的多层多道焊接工艺[2]。焊接接头的坡口角度大部分为50°～70°[3-5]，焊缝熔敷金属量大。因此焊接材料消耗量大，而且存在焊接效率低、焊接变形大等缺点。目前国内高强钢焊材市场主要为国外品牌[6]，而进口焊材的价格非常昂贵。为了降低焊接结构件中焊材的用量，降低熔敷金属比例，提高焊接效率，近年来相关学者提出了许多高效焊接方法[7-9]，但这些工艺方法分别存在装配精度要求高、坡口加工难度大、设备投资大等缺点，影响了这些方法的推广应用。同时由于高强钢碳当量高，焊接过程及焊后容易产生冷裂纹，而且焊缝及热影响区的马氏体组织在焊接热循环影响下容易软化[10-11]。因此，高强钢焊接对焊接热输入要求较严格。

文中主要从熔深和熔敷效率两方面入手，采用小角度的焊接坡口，选用GMAW(气体保护电弧焊)深熔焊工艺和匹配的焊接工艺参数，降低了焊接接头的熔敷金属量和焊接时间。在焊接工艺参数上，选用较大焊接电流，满足深熔焊喷射电弧和高熔敷率的要求，再匹配较高的焊接速度，控制了焊接热输入，获得了质量良好的焊接接头。

1 工艺方案设计

1.1 GMAW深熔焊

试验将采用德国克鲁斯(CLOOS)公司开发推广的GMAW深熔焊电源，该公司称该工艺方法为Rapid Weld，在碳钢焊接时熔深可达6 mm。该焊接方法的电弧工作在GMAW电弧的喷射电弧阶段，其电弧形态为锥状电弧，熔滴过渡形式主要为射流过渡。图1为深熔焊的电弧形态。因电弧集中度高，即使坡口角度很小，仍能保证焊缝根部稳定的熔合。

图1 深熔焊的电弧形态

1.2 焊接接头和焊接工艺参数

根据工程机械产品结构件常用板厚范围，选用15 mm板厚做对接接头焊接试验。通常行业内该接头在采用常规MAG工艺时，一般采用单面焊接的60° V形坡口。设定钝边为1 mm，间隙为1 mm，焊缝背面余高为0.5 mm。焊缝正面余高按较小的值进行设定，余高h=1+0.1b=2.7 mm(b为焊缝宽度)。焊接接头的熔敷示意图如图2所示。

图2 单面60°坡口对接接头

通过计算可知图2中常规MAG熔敷金属截面的面积S1为160 mm2。为减少熔敷金属的填充量，需根据深熔焊方法的大熔深工艺特点重新设计焊接接头，减少图2中的阴影部分面积。参考焊接电源厂家碳钢焊接熔深可达6 mm数据，设计该次试验的焊接接头尺寸为双面对称20°坡口，钝边5 mm，间隙1 mm。对接接头示意如图3所示。

图3 双面20°坡口对接接头

为使焊接接头的焊接热影响区及焊缝金属区获得良好的贝氏体+马氏体的金相组织，焊接热输入要控制在1～1.5 kJ/mm的范围内。当采用Ar+CO2混合气作为保护气体时，想要获得稳定的焊接喷射电弧，焊接电流要大于300 A。焊接工艺参数见表1。

表1 焊接工艺参数

2 工艺试验

2.1 试验材料

选用某钢厂生产的屈服强度为890 MPa的型号为Q890D的15 mm厚高强钢板作为焊接母材。钢板的化学成分见表2，力学性能见表3。试验钢板按400 mm×150 mm进行下料后，按图3所示尺寸加工焊接坡口。采用熔化极混合气体保护焊，保护气体选用80%Ar+20%CO2的混合气体。按等强匹配原则，焊接材料选用林肯所生产的气体保护焊实心焊丝，型号为Carbofil FK1000，直径为φ1.2 mm。焊丝的化学成分见表4，焊丝熔敷金属的力学性能见表5。

表2 Q890D钢板的化学成分(质量分数，%)

表3 Q890D钢板的力学性能

表4 Carbofil FK1000焊丝的化学成分(质量分数，%)

表5 Carbofil FK1000焊丝熔敷金属的力学性能

2.2 焊接试验

试验选用克鲁斯焊机，型号为QINEO NexT 602。为了在较高焊接速度下稳定的焊接，试验采用了焊接小车夹持焊枪进行焊接。保护气体流量为20 L/min。焊接前用百叶轮打磨清理焊缝附近的铁锈及其他污物，减少有害元素对焊缝质量的影响。焊接位置选用水平位置焊接。焊接时的环境温度约15 ℃，焊前预热至100～110 ℃。对于新设计的焊接接头，采用双面焊接，共焊接2道即可填满接头，即正反两面各焊接1层1道。正面焊接完成后，立即翻面测量反面待焊接区域的温度，当层间温度低于200 ℃时，进行反面焊缝的焊接。正反面焊接时焊枪都不摆动，实际焊接工艺参数见表6。由于深熔焊的熔深大，预计反面焊接时可熔透钝边与正面焊缝良好熔合，因此选择了反面焊接前不清根处理的工艺。

表6 焊接工艺参数

对于常规的单面60° V形坡口焊接接头，日常生产过程中需采用单面焊双面成形工艺焊接。焊接过程中，需分为3层焊接5～6道才能填满整个焊接接头。因此新型接头的焊接效率和生产成本比常规接头有明显的优势。

3 试验结果与分析

3.1 焊缝外观分析

焊缝正反两面外观基本一致，表面成形良好。由于深熔焊的电弧为喷射电弧，焊缝附近的钢板表面几乎无飞溅。正反面焊缝外观如图4和图5所示。按GB/T 19418—2003《钢的弧焊接头缺陷质量分级指南》对焊缝外观质量进行检测，焊缝余高满足C级要求，其余外观质量满足B级要求。

图4 正面对接焊缝成形

图5 反面对接焊缝成形

3.2 焊接接头无损检测

焊接试板冷却到室温后，按GB/T 3323.1—2019《焊缝无损检测射线检测第1部分：X和γ射线的胶片技术》进行检测，焊缝内部质量满足GB/T 19418—2003《钢的弧焊接头缺陷质量分级指南》的B级要求。

3.3 焊接接头力学性能检测

按照GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》、GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》、GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》、GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》、GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》分别进行焊接接头拉伸、弯曲、冲击、硬度、宏观金相试样的制备和检验。弯曲试验选用圆形压头弯曲，压头直径D为6倍板厚。根据母材冲击韧性等级，冲击试验温度选择-20 ℃。力学性能的拉伸、弯曲、冲击试验结果分别见表7、表8和表9。冲击试样尺寸55 mm×10 mm×10 mm硬度、宏观金相试验结果分别如图6和图7所示。

表7 拉伸试验结果

表8 弯曲试验结果

表9 冲击试验结果

图6 焊接接头硬度试验结果

图7 焊缝金相试验结果

从表7～表9中可以看出，焊接接头抗拉强度大于母材强度标准值，断裂位置在母材(PM)上，断口表面检查无肉眼可见缺陷。弯曲试件表面无明显裂纹。各项冲击试样的冲击吸收能量都大于标准值。图6的硬度试验结果中，热影响区(HAZ)硬度范围为314～391 HV10，说明在热影响区获得了贝氏体+马氏体的金相组织，热影响区的软化得到较好的控制[11]。从图7宏观金相图中可直观的测量出反面焊缝的熔深为8 mm。焊接热影响区及焊缝金属(WM)未见裂纹、未熔合等低倍缺陷。力学性能检测结果说明按照该深熔焊工艺方案焊接获得了质量良好的焊接接头。

3.4 试验效果分析

根据焊缝外观检测数据与宏观金相图测量数据，焊缝宽度为15 mm，余高为3.5 mm。深熔焊接头熔敷示意图如图8所示。

图8 双面20°坡口对接接头

通过计算可知图8中深熔焊熔敷金属截面的面积S2为97 mm2。

焊材消耗质量m与熔敷金属面积S的关系为：

m=ρSlη

(1)

式中：m为焊材消耗质量；ρ为熔敷金属密度；S为熔敷金属截面的面积；l为焊缝长度；η为焊材的焊接损耗系数。从式(1)中可知，焊材消耗质量m之比就是熔敷金属截面的面积S之比。深熔焊与常规MAG焊熔敷金属截面面积相比较，S2比S1减少了约39%。即焊接15 mm板厚高强钢的对接接头，采用上述深熔焊工艺方案，可比常规MAG焊工艺节省约39%的焊材。