滕振國(guó)，王定賀

(奧鋼聯(lián)伯樂(lè)焊接(中國(guó))有限公司，江蘇 蘇州 215126)

0 前言

在調(diào)質(zhì)高屈服強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中，S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)度鋼在國(guó)內(nèi)已經(jīng)大量使用，主要用于重型起重設(shè)備、混凝土泵送車輛等工程機(jī)械的制造，另外在礦山機(jī)械中也有相同等級(jí)的管件使用在液壓支架制造上。此類超高強(qiáng)度鋼材長(zhǎng)期以來(lái)一直依賴進(jìn)口，近年來(lái)國(guó)內(nèi)各大鋼廠也開始推出對(duì)應(yīng)等級(jí)鋼板與國(guó)外鋼廠展開競(jìng)爭(zhēng)。

隨著此類超高強(qiáng)度鋼材的大量應(yīng)用，對(duì)配套的焊接研究工作也逐步深入。對(duì)S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)度鋼的焊接，主要選擇GMAW和SMAW兩種焊接方法。GMAW方法具有優(yōu)質(zhì)、高效、熔敷率高、能根據(jù)實(shí)際需求靈活適用自動(dòng)及手工兩種方式的特點(diǎn)，且從抑制焊接裂紋方面考慮其具有相對(duì)較低的擴(kuò)散氫含量，全世界工程機(jī)械企業(yè)基本都選擇GMAW焊接方法。

S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)度鋼具有極高的強(qiáng)度和較高的碳當(dāng)量，對(duì)焊接影響較大，這使得焊接工藝范圍相對(duì)較窄且不易摸索。在研究鋼板性能及選擇配套焊絲后，通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)t8/5冷卻時(shí)間，可確定出合適的GMAW焊接參數(shù)范圍，以便參考使用。

1 S890和S960超高強(qiáng)度鋼鋼板的性能要求

目前S890和S960級(jí)別鋼板主要是按照EN 10025-6標(biāo)準(zhǔn)中鋼號(hào)S890Q/QL/QL1及S960Q/QL的定義［1］，在GB/T 16270:2009標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用調(diào)質(zhì)板》中也增加了與S890及S960級(jí)別對(duì)應(yīng)的Q890及Q960級(jí)別，具體鋼號(hào)為Q890C/D/E/F及Q960CC/D/E/F［2］，且技術(shù)指標(biāo)基本一致。

此類超高強(qiáng)度鋼的主要技術(shù)特點(diǎn)對(duì)其后續(xù)焊接工作產(chǎn)生負(fù)面影響。

a.超高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。

S890級(jí)別的屈服強(qiáng)度一般要求在890 MPa以上，抗拉強(qiáng)度在940 MPa以上;S960級(jí)別的屈服強(qiáng)度一般要求在960 MPa以上，抗拉強(qiáng)度在980 MPa以上。在EN 10025-6和GB/T 16270標(biāo)準(zhǔn)中的要求基本一致，S890和S960級(jí)別鋼板拉伸性能如表1所示。

為保證抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度將導(dǎo)致焊縫極易出現(xiàn)裂紋并普遍具有明顯的延遲性，這一點(diǎn)在EN 10025-6標(biāo)準(zhǔn)7.4.1條款中有明確的提示說(shuō)明。

表1 S890和S960級(jí)別鋼板的拉伸性能要求

b.碳當(dāng)量計(jì)算。

為保證足夠抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，必須具有相對(duì)較高的碳當(dāng)量，這對(duì)可焊性影響較大。在EN 10025-6和GB/T 16270標(biāo)準(zhǔn)中，均對(duì)CEV有明確的控制要求且要求完全一致，具體要求指標(biāo)如表2所示。

CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

c.不同公司產(chǎn)品的合金體系差異。

在EN10025-6和GB/T 16270標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的化學(xué)成分范圍較大，甚至在EN10025-6標(biāo)準(zhǔn)中屈服強(qiáng)度標(biāo)稱范圍相差在500 MPa的S460～S960級(jí)別鋼板使用同一化學(xué)成分范圍，如表3、表4所示。由于設(shè)備技術(shù)能力，國(guó)內(nèi)外各鋼廠在軋制過(guò)程和生產(chǎn)工藝中采用的技術(shù)不盡相同，因而導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外各鋼廠的實(shí)際產(chǎn)品在合金體系上存在一定差異。

表2 S890和S960級(jí)別鋼板的CEV指標(biāo)要求

表3 EN 10025－6標(biāo)準(zhǔn)中S890和S960級(jí)別鋼板的化學(xué)成分 %

表4 GB/T 16270標(biāo)準(zhǔn)中S890和S960級(jí)別鋼板的化學(xué)成分 %

目前國(guó)內(nèi)外各大鋼廠針對(duì)合金中的化學(xué)成分均在不斷優(yōu)化研究，并采用特殊的軋制過(guò)程和生產(chǎn)工藝技術(shù)，以達(dá)到在保證力學(xué)性能的前提下盡可能地降低碳當(dāng)量。以國(guó)外鋼廠voestalpine Stahl GmbH的Alform?系列鋼板為例，其現(xiàn)有技術(shù)水平下的碳當(dāng)量與屈服強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖1所示，可以看出實(shí)際CEV遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，并且CET的數(shù)據(jù)也列在其中。

2 填充用等強(qiáng)度匹配焊接材料的選擇

在實(shí)際產(chǎn)品的接頭焊接中，坡口形式主要為V型、Y型及T型角焊縫等。打底焊縫一般采用低強(qiáng)度級(jí)別焊接材料，當(dāng)板厚小于10 mm時(shí)，也可直接采用等強(qiáng)度匹配焊接材料。填充焊縫時(shí)一般采用等強(qiáng)度匹配焊接材料。

圖1 碳當(dāng)量與屈服強(qiáng)度的關(guān)系曲線

對(duì)于匹配S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)度鋼的GMAW焊絲，在某些鋼廠提供的文件和數(shù)據(jù)中一般推薦使用符合AWS A5.28標(biāo)準(zhǔn)中ER120S-X分類號(hào)的焊絲［4］。但在實(shí)際的應(yīng)用中，由于AWS A5.28對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的控制指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼板的指標(biāo)，建議使用EN ISO 16834-A標(biāo)準(zhǔn)中G89 XX分類號(hào)作為焊接材料的選擇依據(jù)更為可靠［5］，具體指標(biāo)差異如表5所示。由表5可知，AWS A5.28中的分類號(hào)所代表的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)無(wú)法與鋼板的指標(biāo)相對(duì)應(yīng)。但在AWS A5.28中ER120S-X已是最高的強(qiáng)度等級(jí)分類號(hào)，因此對(duì)應(yīng)S890和S960級(jí)別鋼板的GMAW焊絲在按AWS A5.28標(biāo)準(zhǔn)分類時(shí)只能采用ER 120S-X分類號(hào)。對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度建議以EN ISO 16834中G89 XX分類號(hào)的定義指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行考核。

表5 AWS A5.28 ER 120S－X和EN ISO 16834－A G89 XX的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)

以牌號(hào)T Union GM 120焊絲為例①焊接材料手冊(cè)-蘇州產(chǎn)品專冊(cè) :2014，奧鋼聯(lián)伯樂(lè)焊接(中國(guó))有限公司.，分別符合AWS A5.28 ER 120S-G和EN ISO 16834-A G 89 6 M Mn4Ni2CrMo分類號(hào)，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表6、表7所示。

表6 牌號(hào)T Union GM 120焊絲化學(xué)成分 %

表7 牌號(hào)T Union GM 120焊絲力學(xué)性能

3 具體焊接工藝參數(shù)的制定

在目前國(guó)內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)和廠商的公開資料和文獻(xiàn)中，S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)度鋼的焊接均特別強(qiáng)調(diào)t8/5(即800℃ ～500℃的焊接熔池冷卻時(shí)間)的控制。影響t8/5冷卻時(shí)間的主要因素為板厚、焊縫形式、焊接熱輸入及預(yù)熱/層間溫度，基本上通過(guò)對(duì)t8/5的控制，焊接過(guò)程中主要的參數(shù)均可得到明確的范圍，因而t8/5冷卻時(shí)間是此類超高強(qiáng)度鋼焊接工藝制定的依據(jù)。

一般來(lái)說(shuō)，t8/5冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)通常會(huì)導(dǎo)致沖擊性能減少和熱影響區(qū)沖擊過(guò)渡溫度上升，強(qiáng)度也會(huì)降低，降低的程度取決于鋼材種類及其化學(xué)成分。具體趨勢(shì)曲線如圖2所示，由圖2可知t8/5冷卻時(shí)間的上限值。

t8/5冷卻時(shí)間對(duì)硬度有較大影響，這在一定程度上間接反映強(qiáng)度的變化，一般來(lái)說(shuō)隨著t8/5冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫和熱影響區(qū)的硬度和強(qiáng)度會(huì)隨之降低。如圖3所示，對(duì)比當(dāng)t8/5冷卻時(shí)間分別為5.8 s和16.0 s時(shí)的硬度曲線，明顯可以看出t8/5冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，硬度值減小，熱影響區(qū)是焊接接頭的薄弱點(diǎn)。

圖2 焊接條件對(duì)熱影響區(qū)沖擊韌性產(chǎn)生的影響

圖3 t8/5冷卻時(shí)間對(duì)焊縫和熱影響區(qū)硬度曲線的影響［7］

不同的板厚、預(yù)熱溫度和熱輸入對(duì)t8/5冷卻時(shí)間會(huì)產(chǎn)生影響，t8/5冷卻時(shí)間隨著預(yù)熱溫度和熱輸入的升高而增加，隨著板厚降低而減少，如圖4所示。

在 EN 1011-2 Annex D.6 中［7］，按二維熱流和三維熱流進(jìn)行區(qū)分并分別給出了模擬計(jì)算公式。模擬計(jì)算可套用EN 1011-2 Annex D中公式D.1、D.2、D.3 和 D.4。

當(dāng)使用熱流是三維的，適用公式D.1

對(duì)于非合金鋼和低合金鋼，公式D.1應(yīng)修正為公式D.2

當(dāng)熱流是二維的，適用公式D.3

圖4 不同預(yù)熱溫度和熱輸入對(duì)t8/5冷卻時(shí)間的影響

對(duì)于非合金鋼和低合金鋼，公式D.3應(yīng)修正為公式D.4

公式中的因子定義及其導(dǎo)出公式可參見(jiàn)EN 1011-2 Annex D及EN 1011-1，其中二維熱流適用于相對(duì)薄的鋼板，板厚對(duì)t8/5冷卻時(shí)間起決定性作用;三維熱流適用于相對(duì)厚的鋼板，板厚不影響冷卻時(shí)間。由于生產(chǎn)技術(shù)水平限制，S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)度鋼板的厚度基本都在12 mm以下，最大厚度不超過(guò)30 mm，因此主要選用二維熱流作為計(jì)算因子。

但上述計(jì)算公式仍存在一定的誤差范圍，計(jì)算值并不能完全符合t8/5冷卻時(shí)間實(shí)際值。國(guó)外的一些廠商已經(jīng)建立數(shù)據(jù)庫(kù)或焊接系統(tǒng)來(lái)輔助鋼材研發(fā)工作或?qū)蛻艉罄m(xù)焊接使用提供技術(shù)服務(wù)。并通過(guò)t8/5冷卻時(shí)間實(shí)際值對(duì)模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)庫(kù)和焊接系統(tǒng)進(jìn)行修正，t8/5冷卻時(shí)間實(shí)際值可根據(jù)EN 1011-2 Annex D.8使用熱電偶伸入焊接熔池進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)Alform welding system數(shù)據(jù)庫(kù)，在不同參數(shù)和熱輸入量下，在一定坡口型式下，使用特定鋼板和焊材得到不同的t8/5冷卻時(shí)間。以Alform 960 X-treme牌號(hào)鋼板(S960級(jí)別鋼板)為例，采用8 mm板厚、V型坡口、同等匹配強(qiáng)度焊絲進(jìn)行焊接，在不同實(shí)際t8/5冷卻時(shí)間下，得到不同的實(shí)際拉伸試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 不同t8/5冷卻時(shí)間對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響

通過(guò)測(cè)定不同實(shí)際t8/5冷卻時(shí)間，并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，可得到滿足性能要求時(shí)所需t8/5冷卻時(shí)間范圍，例如圖6中根據(jù)強(qiáng)度和沖擊的數(shù)據(jù)分布確定出對(duì)應(yīng)t8/5冷卻時(shí)間范圍，當(dāng)然這個(gè)范圍只能是針對(duì)在某一焊接坡口型式、某一厚度的特定牌號(hào)鋼板配合特定焊接材料進(jìn)行使用。再通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)得到t8/5冷卻時(shí)間范圍所對(duì)應(yīng)的參數(shù)范圍。一般來(lái)說(shuō)，S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)鋼的t8/5冷卻時(shí)間上限值為12 s，但當(dāng)某些特定廠商的鋼板配合與之配套開發(fā)的焊絲進(jìn)行焊接時(shí)，可將t8/5冷卻時(shí)間范圍擴(kuò)大至不超過(guò)20 s，增加了可適用焊接參數(shù)范圍。

圖6 t8/5冷卻時(shí)間范圍與力學(xué)性能的關(guān)系

通過(guò)對(duì)t8/5冷卻時(shí)間范圍的確定，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)，可確定出推薦的工藝參數(shù)范圍，如表8所示。

表8 推薦工藝參數(shù)范圍

4 焊接接頭的試驗(yàn)

依照表8中的參數(shù)范圍，使用φ1.2 mm的T Union GM 120焊絲匹配Alform 960 X-treme鋼板，分別在8 mm(見(jiàn)表9)和12 mm(見(jiàn)表10)板厚下進(jìn)行等多種參數(shù)情況的幾組焊接接頭試驗(yàn)，驗(yàn)證表8

參數(shù)能否滿足焊接接頭力學(xué)性能要求，尤其需著重 考核在高熱輸入量情況下的力學(xué)性能。

表9 焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)(板厚8 mm，V型坡口)

表10 焊接接頭的力學(xué)性能(板厚:12 mm;V型坡口)

試驗(yàn)結(jié)果表明，按照表8中焊接參數(shù)范圍進(jìn)行焊接，焊接接頭的主要技術(shù)指標(biāo)符合EN10025-6和GB/T 16270中S890和S960等級(jí)鋼板的技術(shù)要求。

5 結(jié)論

分析S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)鋼材料性能，選擇出合適的等強(qiáng)度匹配GMAW焊絲，通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)得到適用的t8/5冷卻時(shí)間并據(jù)此推導(dǎo)出推薦焊接參數(shù)范圍，最終以焊接接頭試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證焊接參數(shù)范圍。經(jīng)焊接接頭試驗(yàn)驗(yàn)證，該焊接參數(shù)范圍可適用于S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)鋼材料的焊接。

目前在全世界范圍內(nèi)，普遍使用GMAW方法對(duì)S890和S960級(jí)別超高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接，應(yīng)用較為成熟。國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)也一直使用GMAW焊接方法焊接此類超高強(qiáng)鋼材料，并且近年來(lái)國(guó)內(nèi)主要工程機(jī)械企業(yè)出現(xiàn)使用自動(dòng)化焊接的趨勢(shì)，已經(jīng)開始大量使用機(jī)器人焊接來(lái)提高生產(chǎn)效率和工件裝配精度。

［1］EN 10025-6:2009，Technical delivery conditions for flat products made of high yield strength structural steels in the quenched and tempered condition［S］.

［2］GB/T 16270:2009，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用調(diào)質(zhì)鋼板［S］.

［3］Datasheet of Alform ? X-treme ，2013［S］.

［4］AWS A5.28/A5.28M:2005，specification for low-alloy steel electrodes and rods for gas shielded arc welding［S］.

［5］EN ISO 16834:2007，Welding consumables-Wire electrodes，wires，rods and deposits for gas-shielded arc welding of high strength steels-Classification［S］.

［6］Alform welding system-database，copyright by voestalpine Stahl GmbH ，and voestalpine B?hler welding group［S］.

［7］EN 1011:2011，Welding —Recommendations for welding of metallic materials［S］.