劉林

【摘 要】800MPa級高強(qiáng)鋼近年來在工程機(jī)械行業(yè)里用的越來越多。為了完成大型塔機(jī)吊臂的生產(chǎn)制作任務(wù)，對H80高強(qiáng)鋼的材質(zhì)及吊臂的工況做了簡單介紹；分析了H80高強(qiáng)鋼的焊接性，確定了焊接方法，并按“等強(qiáng)匹配”原則選擇了焊接材料；根據(jù)工藝評定確定了焊接工藝參數(shù)及焊后熱處理工藝。指出現(xiàn)場焊接時控制熱輸入及焊道間溫度是該焊接工藝的關(guān)鍵。

【關(guān)鍵詞】H80/D80鋼；焊接方法；焊接裂紋

FZQ1380型附著自升式塔機(jī)是一種新型附著自升式塔機(jī)，最大額定起重量為63t，工作時允許最低溫度為-20℃。具有起升高度大，作業(yè)范圍廣，起重量大，抗風(fēng)能力強(qiáng)，自重輕等特點(diǎn)，適用于單機(jī)容量為300～1000MW火力發(fā)電機(jī)組狹小施工場地中的鍋爐安裝及廠房吊裝等施工作業(yè)。起重臂（吊臂）是塔吊結(jié)構(gòu)中最重要的承重部分，總重量子力學(xué)15.557t，根部中心到頭部滑輪組中心距為59063.76m；該起重臂由根段落、7m段、3節(jié)12m段、前段和頭部共7節(jié)組成。按設(shè)計要求，起重臂主弦桿采用H80高強(qiáng)鋼管，每節(jié)起重臂之間采用D80材質(zhì)的鍛件構(gòu)成銷軸連接。H80/D80鋼連接焊縫作為起重臂的連接點(diǎn)和受力集中點(diǎn)，其焊接質(zhì)量是該起重臂制作中的關(guān)鍵。

1.H80/D80高強(qiáng)鋼簡介

HITEN780高強(qiáng)鋼的最低抗拉強(qiáng)度為780MPa ，依加工制作工藝不同為H80和D80兩種產(chǎn)品，該鋼種是在低碳錳鋼的基礎(chǔ)上通過加入適量的Cr、Ni、Mo、Cu等元素和V、Nb、Ti、B等微合金元素經(jīng)熱處理調(diào)質(zhì)而成。

H80鋼為起重臂主弦桿材質(zhì)，規(guī)格為Φ127mm×11mm。出廠前經(jīng)熱加工并調(diào)質(zhì)處理，淬火后回火溫度為660℃（進(jìn)口管）。D80鋼為重臂接頭鍛件，供貨狀態(tài)為擴(kuò)氫退火，加工后重新進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，回火溫度為630-640℃。

國內(nèi)800MPa以上級別高強(qiáng)鋼的焊接工程量很少，只有少數(shù)幾家重型機(jī)械廠從國外引進(jìn)了低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的焊接技術(shù)。雖然一些單位對低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼的焊接材料、焊接工藝進(jìn)行了一些針對性的研究，但核心技術(shù)的資料收集存在較大困難。

2.焊接工藝

2.1 H80鋼的焊接性分析

H80鋼管分別由日本NKK和成都無縫鋼管廠供貨，D80采用成都產(chǎn)的和H80同爐的鋼坯經(jīng)鍛造加工而成，其化學(xué)成份和國產(chǎn)H80一致。H80/D80均經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，母材組織為回火馬氏體+回火貝氏體，使強(qiáng)韌性匹配達(dá)到最佳。

從兩種（進(jìn)口/國產(chǎn)）H80高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能參數(shù)對比可以看出，H80/D80鋼的w（C）均不超過0.2%。由于合金元素的強(qiáng)化作用，焊縫及焊接熱影響區(qū)淬硬性得到提高，焊后組織均為馬氏體；該馬氏體組織的轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)Ms較高，同類鋼如日本W(wǎng)ELTEN-80C的馬氏體轉(zhuǎn)變起始溫度為470℃，次層焊縫可對上一層焊縫形成的馬氏體組織自動回火，即有“自回火”特性；組織的改善降低了冷裂紋產(chǎn)生的幾率，使焊接過程中冷裂紋傾向減小。但焊接過程中如果熱輸入集中或冷卻速度較低，在焊接熱影響區(qū)則易發(fā)生軟化或脆化現(xiàn)象，若冷卻速度較快，焊接熱影響區(qū)易發(fā)生淬硬組織，有出現(xiàn)冷裂和韌性下降的傾向。

由此看來，制定H80/D80焊接工藝時需要解決兩個方面的問題：

（1）防止焊接裂紋。

（2）在保證滿足高強(qiáng)度的同時，提高焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)（HAZ）沖擊韌度。

2.2焊接方法的選定

為了盡可能避免裂紋和盡量提高和生產(chǎn)效率，高強(qiáng)鋼焊接一般采用熱輸入較小的熔化極活性氣體保護(hù)焊或隋性氣體保護(hù)焊等工藝方法，并且盡量使用自動化或半自動焊焊接；對于800MPa級以上的低合金調(diào)質(zhì)鋼，熔化極氣體保護(hù)焊如CO2焊或Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊是較好的焊接方法。但目前仍然有一些生產(chǎn)企業(yè)因?yàn)榭紤]到掌握氣體保護(hù)焊焊接工藝的問題、采購與母材相匹配的焊接材料的問題，以及考慮焊接接頭的可達(dá)性（如D80母材一側(cè)有一舌頭伸出形成襯圈，要求焊縫根部須熔合良好，）等方面的問題而決定采取焊條電弧焊工藝方法。

2.3焊接材料的選定

2.3.1焊縫韌性匹配的原則

一般情況下按照“等強(qiáng)匹配”原則選擇焊接材料，即焊縫金屬的力學(xué)性能要和母材相當(dāng)。近年來美國、日本等國從防止焊接冷裂紋角度考慮認(rèn)為“等強(qiáng)匹配”可能造成超強(qiáng)結(jié)果，使焊接區(qū)金屬韌性和抗裂性能下降；他們對“低強(qiáng)匹配”焊接接頭區(qū)的組織進(jìn)行了研究并取得了進(jìn)展，認(rèn)為“低強(qiáng)匹配”的焊接接頭在抗裂性和韌性方面優(yōu)勢較大，并針對一些結(jié)構(gòu)剛度很大，承受壓應(yīng)力的焊縫作了實(shí)際應(yīng)用，證明可以滿足使用要求。

在沒有“低強(qiáng)匹配”方面的可靠資料和數(shù)據(jù)的情況下，我們認(rèn)為按照傳統(tǒng)的“等強(qiáng)匹配”原則選擇焊接材料的方案較為可靠。采用北京鋼鐵研究院（安泰科技股份有限公司）研制生產(chǎn)的AT-J807B焊條。

2.3.2 J807B焊條的工藝性能

該焊條屬藥皮過渡類型焊條，在焊條電弧形成的冶金小環(huán)境里，在施焊中必然會存在合金成分過渡不均的現(xiàn)象，尤以藥皮成塊脫落時為甚，且存在一部分合金元素的燒損現(xiàn)象。成份，組織不均勻，必然會造成局部力學(xué)性能的差異，在焊縫上容易形成“軟肋”或“硬痂”，對焊縫強(qiáng)韌性構(gòu)成有害。因此需要在焊工培訓(xùn)中重點(diǎn)加強(qiáng)技術(shù)練習(xí)，克服操作工藝上的困難。

2.4焊接工藝的參數(shù)

制定焊接工藝參數(shù)時須考慮以下3個問題。

（1）焊前預(yù)熱，改善母材金屬的焊接性，延緩冷卻過程，利于焊縫中氫的析出，降低接頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

（2）低熱輸入，小參數(shù)焊接。利于控制熔池形狀，降低缺陷幾率，減小變形，同時能細(xì)化晶粒，改善焊縫宏觀組織；有關(guān)800MPa級高強(qiáng)鋼的焊接資料表明，施焊中熱輸入應(yīng)控制在25KJ/cm 以下。

（3）控制道間溫度，利用H80鋼“自回火”特性改善焊縫微觀組織，獲得良好的強(qiáng)韌性能。

2.5焊后熱處理工藝

低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼一般在焊態(tài)下使用，但在特定條件下（承受動載，低溫等）應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。設(shè)計要求規(guī)定，接頭焊縫殘余應(yīng)力不得大于屈服點(diǎn)的5%，殘余應(yīng)力不合格時，應(yīng)進(jìn)行熱處理?？紤]到現(xiàn)場組合中額外的拘束應(yīng)力和因之形成的殘余應(yīng)力的大小具有不可預(yù)測性，而且可能沒有可靠的儀器進(jìn)行檢測，為安全起見，應(yīng)采取焊后熱處理工藝消除殘余應(yīng)力。

2.6焊接及熱處理施工工藝控制

由于H2是焊接冷裂紋的最直接的誘發(fā)因素，因此在對焊接過程中按規(guī)定要求嚴(yán)格執(zhí)行焊條烘焙、理場保溫筒使用程序和焊口清理程序，降低H2的來源；焊后保溫緩冷，當(dāng)天施焊的焊口當(dāng)天必須熱處理完，確保焊縫中的H充分逸出，減小冷裂紋產(chǎn)生幾率。每層焊縫只焊接兩面各上焊焊縫，向下焊焊縫須翻身成向上焊位才能施焊，避免焊條在仰焊位置因熔敷效果不好產(chǎn)生焊接缺陷。施焊中注意接頭的質(zhì)量和引弧、收弧方式，注意氣孔、未熔合、夾渣等缺陷，表面咬邊必須修補(bǔ)并磨平；蓋面焊縫注意過渡圓滑，邊角不圓整得應(yīng)采用銼刀修磨處理。

3.焊接結(jié)果

3.1經(jīng)焊接工藝評定試驗(yàn)，焊縫接頭質(zhì)量達(dá)到設(shè)計使用要求

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果：抗拉強(qiáng)度達(dá)825MPa（D80母材處斷裂），50°面彎、背彎均合格，-20℃低溫沖擊韌度40.42J/cm2，硬度試驗(yàn)結(jié)果為焊縫HB243，母材HB227，熱影響區(qū)HB206。金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示焊縫、熱影響區(qū)組織和母材一致，均為回火索氏體+回火貝氏體組織。

3.2焊后檢驗(yàn)

焊后應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，要求所有焊縫應(yīng)100%進(jìn)行外觀檢查，焊縫尺寸必須符合圖紙設(shè)計要求，焊縫表面不允許出現(xiàn)裂紋、未熔合、氣孔、夾渣、焊瘤等缺陷，表面余高控制在2.5mm以內(nèi)，超出部分和過渡不圓滑處需打磨修理。外觀檢查不合格的焊縫，須經(jīng)修補(bǔ)合格后方能進(jìn)行下一步的檢查。

焊后需進(jìn)行無損檢驗(yàn)，焊縫接頭無損檢驗(yàn)執(zhí)行100% 超聲檢驗(yàn)、100%硬度測試、100%、著色+磁粉檢驗(yàn)。

4.結(jié)論

（1）800MPa級高強(qiáng)鋼采用焊條電弧焊接工藝，按“等強(qiáng)原則”選用焊接材料，并采用焊后熱處理工藝，滿足并達(dá)到了設(shè)計使用要求。

（2）對焊接熱輸入和道間溫度的控制，是H80主強(qiáng)鋼焊接工藝中的關(guān)鍵。

（3）下一步可考慮采用“低強(qiáng)匹配”原則，選擇強(qiáng)度等級稍低一引起的焊條（如750MPa級）或采用惰性氣體保護(hù)焊工藝提高焊縫金屬韌性，以更好地滿足設(shè)計要求。