孫建新

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002)

0 前言

隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械、汽車、建筑等行業(yè)高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用越來越廣泛，高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)和接頭可靠性也越來越受到關(guān)注。對于機(jī)械制造業(yè)，特別是大噸位、大功率、高承載的工程機(jī)械，包括礦山機(jī)械和工程車輛，其承載結(jié)構(gòu)件普遍采用高強(qiáng)鋼拼焊而成。根據(jù)使用要求，工程機(jī)械中的承載構(gòu)件一般選用中厚板焊接，廣泛采用需要填充材料的熔化焊生產(chǎn)。國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)應(yīng)用較多的高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼大多為國外品牌，如瑞典SSAB公司的Domex、Weldox系列高強(qiáng)鋼，德國Dillinger鋼廠的DILLIMAX系列高強(qiáng)鋼、芬蘭羅奇公司的Optim系列高強(qiáng)鋼、奧地利奧鋼聯(lián)的Alform系列高強(qiáng)鋼、日本JFE公司的JFE－HITEN系列高強(qiáng)鋼等等。為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一致性，這些高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的焊接需要匹配與之強(qiáng)度級別相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)鋼焊絲，而目前國內(nèi)缺少技術(shù)成熟和質(zhì)量穩(wěn)定的高強(qiáng)度級別(如800 MPa以上)的焊絲［1］。

眾所周知，作為工程機(jī)械生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，焊接在很大程度上決定了工程機(jī)械整機(jī)的安全性和可靠性［2］。但是，工程機(jī)械行業(yè)高強(qiáng)、超高強(qiáng)鋼的泛濫使用，以及沒有科學(xué)規(guī)范的焊材選用、工藝改進(jìn)等措施，給焊接結(jié)構(gòu)造成了很大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。在此，通過揭示這些潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，分析可能造成的后果，由此引起人們的足夠重視。

1 工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)的潛在風(fēng)險(xiǎn)

1.1 高強(qiáng)鋼選用導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)

將高強(qiáng)鋼引入機(jī)械構(gòu)件中，不僅是出于更高強(qiáng)度級別的考慮，更是為滿足裝備、構(gòu)件大型化，輕量化所提出的要求［3］。對于相同系列的工程機(jī)械產(chǎn)品，噸位、功率等型號越大，同類構(gòu)件所用的鋼材強(qiáng)度級別越高。如某系列汽車起重機(jī)，額定總起重量為110 t的起重吊臂，采用Weldox960鋼板拼焊而成;額定總起重量為160 t的起重吊臂，采用Weldox1100鋼拼焊(見圖1)。很多工程應(yīng)用中的構(gòu)件失效并非由極限強(qiáng)度不夠引起，而是先失穩(wěn)，繼而較低的應(yīng)力就能引起失效。特別是長臂梁結(jié)構(gòu)，在使用過程中不僅承受縱向和橫向應(yīng)力，還要受到彎矩和扭矩。對于高強(qiáng)鋼長臂梁來說，最危險(xiǎn)的并非沿梁體縱向上的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，而是垂直于梁體縱向的切應(yīng)力，這可以用壓桿穩(wěn)定性原理來解釋。

圖1 Weldox系列高強(qiáng)鋼應(yīng)用于起重機(jī)吊臂筒體的焊接

圖2是簡化的長臂梁受力示意圖，垂直向下的載荷F可以分解成沿著梁體縱向的壓應(yīng)力f1和垂直于梁體縱向的切應(yīng)力f2。在載荷F不變的情況下，長臂梁下降，即梁臂與水平線夾角α由大變小的過程中，f1逐漸減小而f2逐漸增大。由于采用高強(qiáng)鋼板拼焊，長臂梁的壁厚一般在10 mm以下，單層鋼板的剛度有限。如果f2足夠大，或是在承載過程中由于特殊原因載荷突然向下產(chǎn)生加速度(沖量)，那么f2瞬間可能超過長臂梁橫向所能承受的應(yīng)力極限，導(dǎo)致梁臂失穩(wěn)。如果梁臂材料韌性不足，將發(fā)生突發(fā)性脆斷，造成不可預(yù)知的嚴(yán)重事故。工程應(yīng)用中，工程機(jī)械承載結(jié)構(gòu)件折斷的事故時(shí)有發(fā)生。所以，構(gòu)件的穩(wěn)定性對于設(shè)備的使用安全性更具意義。當(dāng)然，工程設(shè)備在設(shè)計(jì)階段一般都要經(jīng)過力學(xué)計(jì)算，但目前專門的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論尚不完善，針對高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究很少。因此，設(shè)計(jì)人員為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)安全性，在力學(xué)計(jì)算時(shí)將安全系數(shù)放大。然而，如果把安全系數(shù)放得比較大，那么選用過高的材料級別其實(shí)是一種浪費(fèi)。且有研究表明，軸心受壓長臂構(gòu)件的穩(wěn)定性隨材料屈服強(qiáng)度的增大而減?。?］。

圖2 長臂梁受垂直應(yīng)力的示意

另一方面，從材料科學(xué)的角度看，一般碳鋼的強(qiáng)度提升是依靠提高含碳量、犧牲其塑性和韌性作為代價(jià)的［5］。低合金高強(qiáng)鋼的含碳量雖然較低，但是由于合金組元較多，其碳當(dāng)量并不低［6］。對于同一系列高強(qiáng)鋼來說，隨著強(qiáng)度級別的升高，其沖擊韌性往往會(huì)下降。韌性差的材料，在發(fā)生失效(斷裂)前塑性變形小，沒有屈服緩沖階段而直接發(fā)生脆斷。受工況影響，工程機(jī)械的承載構(gòu)件一般都要承受不同級別、不同頻率的沖擊載荷，失效往往是長時(shí)間的沖擊引起微裂紋擴(kuò)展，突然的重載荷作用導(dǎo)致構(gòu)件瞬間開裂失穩(wěn)，極易造成重大事故。所以一味地追求構(gòu)件材料的高強(qiáng)度級別，可能造成巨大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

1.2 焊接材料選擇與匹配導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)

由于焊接結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)原則基本上是以強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主，焊接材料的選擇普遍遵循按強(qiáng)度匹配的原則。對于工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)，焊縫與母材一般按等強(qiáng)或低強(qiáng)匹配設(shè)計(jì)［7］。工程機(jī)械制造中應(yīng)用較多的800 MPa級以上的高強(qiáng)鋼，廣泛采用實(shí)心焊絲氣體保護(hù)焊方式進(jìn)行焊接。但對于800 MPa級以上的高強(qiáng)鋼實(shí)心焊絲，目前仍主要依靠進(jìn)口［8］。對于焊接材料消耗量大的工程機(jī)械制造業(yè)，這無疑大幅度地增加了生產(chǎn)成本。

先不論生產(chǎn)成本，對高強(qiáng)鋼的焊接性進(jìn)行分析。800 MPa以上強(qiáng)度級別高強(qiáng)鋼，采用多元微合金化、變質(zhì)處理等精煉技術(shù)生產(chǎn)，雖然碳含量一般都控制在0.2%以下，但是合金元素種類多，碳當(dāng)量一般超過0.5%。如果再匹配等強(qiáng)度級別的焊材，焊縫及熱影響區(qū)(HAZ)的淬硬傾向非常大，不僅容易出現(xiàn)焊接裂紋，整個(gè)焊接接頭的韌性將大大降低，往往需要配合適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和后熱工藝。如此，不僅大幅增加了生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，也降低了生產(chǎn)效率，特別是預(yù)熱、后熱等工藝規(guī)范如果執(zhí)行不力(手工焊接更難嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)工藝規(guī)范)，將嚴(yán)重影響高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的性能穩(wěn)定性，特別是抗沖擊韌性，增大了安全隱患。

因此，出于對焊接接頭韌性的考慮，很多學(xué)者和工程人員在高強(qiáng)鋼低強(qiáng)匹配(有些研究者稱為等韌匹配［9］或等承載匹配［10］)焊接方面做了很多研究工作。一般低強(qiáng)匹配要求焊縫強(qiáng)度級別不能低于母材的87%［11］。但是也有研究者認(rèn)為，對于高強(qiáng)鋼焊接，超低組配(焊材強(qiáng)度低于母材20%以上)也能獲得性能符合要求的接頭［12］。這些研究的另一驅(qū)動(dòng)力來自于降低生產(chǎn)成本和簡化工藝流程的需要。但是到底怎樣的焊接匹配組合既能達(dá)到接近等強(qiáng)又能起到等韌性的效果，至今并沒有一個(gè)科學(xué)的界定。有些工程機(jī)械制造企業(yè)為了簡化工藝流程，降低高強(qiáng)超高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的焊接難度和裂紋敏感性，用國產(chǎn)焊材替代進(jìn)口焊材，采用成熟的MAG(CO2氣體保護(hù)焊或富氬混合氣保護(hù)焊)焊接工藝。如用ER70系列焊材(強(qiáng)度級別為700 MPa)配合MAG焊，在無預(yù)熱、后熱的情況下高速焊接960 MPa或1 100 MPa強(qiáng)度級別的高強(qiáng)鋼，到底是否合理?雖然低匹配對改善焊縫金屬的韌性有一定作用，但是焊縫強(qiáng)度降低對整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響，特別是因采用低強(qiáng)度級別焊材而簡化焊接工藝(無預(yù)熱及較高線能量快速焊接)給母材近縫區(qū)造成的影響，對結(jié)構(gòu)的使用會(huì)帶來多大風(fēng)險(xiǎn)，沒有科學(xué)的評估方式。

1.3 焊接工藝所導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)

工程機(jī)械制造中應(yīng)用的800 MPa以上級別的高強(qiáng)鋼是多元合金化的精煉細(xì)晶粒鋼，雖然含碳量不高，但是熱敏感性強(qiáng)，焊接裂紋傾向較大。如果采用傳統(tǒng)的MAG焊，而不進(jìn)行預(yù)熱、后熱處理，HAZ的組織將過分粗大(軋制鋼強(qiáng)度級別越高，組織熱敏感性越大［13］)，導(dǎo)致HAZ性能惡化，失去高強(qiáng)鋼原本特性，成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)的工程機(jī)械制造業(yè)為了提升生產(chǎn)效率，應(yīng)用自動(dòng)化熔焊生產(chǎn)設(shè)備，采用φ1.6 mm或更大直徑的焊絲，在較大規(guī)范下實(shí)現(xiàn)快速焊接。這種一味追求提升生產(chǎn)效率、簡化工藝流程的做法，會(huì)給高強(qiáng)超高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該重視。

2 提高高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)安全性的路徑探討

工程機(jī)械承載能力的提升不能單靠提高構(gòu)件的材料強(qiáng)度級別，應(yīng)該更多考慮構(gòu)件穩(wěn)定性，研究更加科學(xué)的工程結(jié)構(gòu)及力學(xué)計(jì)算模式。有些承受高沖擊應(yīng)力和大彎矩的構(gòu)件(如長臂梁)，與其采用薄板高強(qiáng)度鋼低組配拼焊，不如適當(dāng)降低鋼板強(qiáng)度而增加板厚，即使發(fā)生斷裂，構(gòu)件材料尚有一定塑性儲(chǔ)備，不至于產(chǎn)生突然脆斷，如此提升構(gòu)件的整體安全性。

對于焊接構(gòu)件來說，接頭往往是整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，所以必須保證焊接接頭(焊縫及HAZ)具有和母材同等強(qiáng)韌性力學(xué)指標(biāo)，嚴(yán)格執(zhí)行工藝規(guī)范。另一方面，企業(yè)需要針對各自的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、工藝特點(diǎn)，充分考慮工況環(huán)境，始終將產(chǎn)品質(zhì)量、安全性放在第一位，摒棄浮躁的短期利益思想，不能隨意選配材料。積極開發(fā)、應(yīng)用新型焊接材料，如研發(fā)適應(yīng)高強(qiáng)、超高強(qiáng)鋼焊接的實(shí)心焊絲，或采用藥芯焊絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)心焊絲進(jìn)行焊接［1］，或按焊道層次細(xì)化焊接工藝(不同焊層的焊接工藝、參數(shù)不一樣)［14］，也可考慮在施焊過程中施加震動(dòng)以獲得細(xì)化的焊縫組織［15］?？傊?，需要全面進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，增加技術(shù)投入，選用質(zhì)量穩(wěn)定的焊接材料，應(yīng)用有效、先進(jìn)的焊接工藝。

焊接方法對于高強(qiáng)、超高強(qiáng)鋼焊接接頭組織和性能的影響也是顯而易見的［14，16－18］。傳統(tǒng)的 MAG焊方法具有熔深大、效率高、方便自動(dòng)化生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但對于焊接高強(qiáng)、超高強(qiáng)鋼，其熱源集中度尚不夠，特別對于800 MPa級以上的超純凈細(xì)晶粒鋼，熱輸入顯得過大。為減少熱輸入，在焊接中、厚板高強(qiáng)鋼時(shí)，打底層和填充、蓋面層可以采用不同焊接方法施焊，如打底層采用脈沖TIG焊，填充層采用MAG焊［14］。可考慮采用電弧能量密度提高的新的聚束、聚弧焊，電弧與電弧復(fù)合的新的焊接工藝及設(shè)備，在減少對高強(qiáng)鋼熱差輸入保證焊縫性能的同時(shí)，達(dá)到提高效率的目的;也可以嘗試應(yīng)用復(fù)合焊接和高能束焊接方法，如激光－MAG復(fù)合焊接、等離子弧焊接、激光焊接等。

3 結(jié)論

為了降低工程機(jī)械高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、焊接匹配、工藝規(guī)范等方面進(jìn)行改進(jìn)，切實(shí)提高高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的安全性。

(1)高承載結(jié)構(gòu)件不能一味追求材料的強(qiáng)度級別，而要充分考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，選擇合適的強(qiáng)韌性材料，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)避和降低高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(2)需要慎重考慮焊接材料與母材的組配關(guān)系，根據(jù)母材選配合適成分和性能的焊材，工藝實(shí)施前要充分論證，不能隨意進(jìn)行接頭組配和確定工藝，確保高強(qiáng)鋼接結(jié)構(gòu)的使用安全。

(3)加快能適應(yīng)高強(qiáng)鋼焊接的國產(chǎn)焊材的研究和開發(fā)，探索和應(yīng)用適合工程機(jī)械制造業(yè)的先進(jìn)焊接技術(shù)。

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