孫凌鵬，王海東

(1.中國船級社 泰州辦事處，江蘇 泰州 225300；2.泰州口岸船舶有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

目前，Q690D高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼因強(qiáng)度高、綜合性能好，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海工產(chǎn)品和重型機(jī)械，但如果焊接過程控制不當(dāng)，容易產(chǎn)生焊接冷裂紋。因此，研究該鋼種產(chǎn)生冷裂紋原因，以及總結(jié)防止冷裂紋產(chǎn)生的措施，對于控制Q690D焊接質(zhì)量有十分重大的意義。為此，本文以某工程船的2 000 t起吊大梁上50 mm Q690D高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼為例，為避免產(chǎn)生冷裂紋，從焊材選用、焊接過程控制、焊接熱處理等方面，詳細(xì)總結(jié)了該鋼種的焊接工藝要求及焊接要點(diǎn)。

1 焊接性分析

根據(jù)Q690D高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分計(jì)算碳當(dāng)量，間接估算該材料的焊接性，其化學(xué)成分見表1。

對于鋼材的焊接冷裂紋，可以采用國際焊接學(xué)會(簡稱“IIW”)所推薦的碳當(dāng)量Ce和日本JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的碳當(dāng)量Ceq作為判據(jù)。碳當(dāng)量越小，鋼材可焊性越好；反之，則鋼材的可焊性越差。當(dāng)碳當(dāng)量高于0.4%時(shí)，鋼材的冷裂紋敏感性將急劇增大，進(jìn)行焊接時(shí)就需要采取預(yù)熱及焊后熱處理措施，并采用低氫型焊材施焊。當(dāng)碳當(dāng)量大于0.6%時(shí)，屬于難焊鋼材，極易產(chǎn)生冷裂紋，就需要更加嚴(yán)格的焊接工藝[1]。本文中Q690D碳當(dāng)量采用IIW和JIS公式分別計(jì)算如下：

上述2種碳當(dāng)量計(jì)算結(jié)果均大于0.6%，表明該鋼種的淬硬傾向很大，極其容易產(chǎn)生冷裂紋。

表1 Q690D高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成份單位：%

2 冷裂紋產(chǎn)生原因分析

鋼的淬硬傾向、焊接接頭含氫量及其分布，以及接頭所承受的拘束應(yīng)力狀態(tài)是焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的3大主要因素。在一定條件下，三者相互聯(lián)系相互促進(jìn)。

鋼的淬硬傾向主要取決于鋼種的化學(xué)成分、板厚、焊接工藝和冷卻條件等，鋼的淬硬傾向越大，越容易形成脆硬的馬氏體組織和更多的晶格缺陷，更容易產(chǎn)生裂紋。

拘束應(yīng)力同板厚、坡口形式、焊縫位置、焊接順序等因素有密切關(guān)系。拘束度計(jì)算公式如下：

R=K1H

式中：R為拘束度；K1為板厚拘束系數(shù)；H為板厚。

根據(jù)拘束度計(jì)算公式可知，板厚越大，所造成的拘束度也越大，也就越容易產(chǎn)生裂紋。

3 防止冷裂紋的主要措施

3.1 選用抗裂性能比較好的等強(qiáng)焊材

依據(jù)中國船級社《材料與焊接規(guī)范》(2018)的要求，所選焊材的級別應(yīng)與鋼級相適應(yīng)。母材厚度為50 mm的 Q690D鋼的抗拉強(qiáng)度σb=770～940 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥690 MPa，焊接材料等級應(yīng)不小于3Y69，故選用標(biāo)準(zhǔn)為AWS A5.36 E111T1-C1A4-G H4，牌號為現(xiàn)代Supercored 110藥芯焊絲。若焊材選用不當(dāng)，焊縫容易產(chǎn)生裂縫，見圖1。施焊人員選擇了3Y強(qiáng)度級別的焊絲進(jìn)行焊接，強(qiáng)度等級σb=490～660 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致焊縫整體剝落。

圖1 焊縫熔合線裂縫

3.2 合理分布焊縫位置和焊接順序

焊接時(shí)，盡量減少焊縫數(shù)量可有效地減少焊縫收縮變形。合理的焊接順序能夠減少焊縫拘束度，降低應(yīng)力集中，避免焊縫裂紋。焊縫熱影響區(qū)及母材裂紋見圖2。從圖中發(fā)現(xiàn)，100 mm板削斜與50 mm板對接，焊后其拐角處母材出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生裂縫的原因之一是焊接順序不當(dāng)。因拐角處拘束度極大，100 mm鋼板起了鋼性固定作用，整體焊縫不能自由收縮，應(yīng)力集中產(chǎn)生裂縫。其合理的焊接順序?yàn)椋簭闹虚g向兩端或四周焊接；先焊對接縫，后焊角焊縫；對接縫先焊自由端焊縫。焊接順序見圖3。

圖2 焊縫熱影響區(qū)及母材裂縫

3.3 充分做好焊前預(yù)熱及焊后熱處理

為確保焊接質(zhì)量的可追溯性，焊接時(shí)應(yīng)詳細(xì)記錄焊前預(yù)熱溫度、層間溫度、焊后熱處理溫度等。

圖3 焊接順序

焊前預(yù)熱應(yīng)能夠有效降低焊縫冷卻速度，減少焊縫中氫的含量，有效控制焊縫裂紋。根據(jù)Ceq的界限確定預(yù)熱溫度：當(dāng)σb=700 MPa，Ceq≈0.52%時(shí)，預(yù)熱溫度為100 ℃；當(dāng)σb=800 MPa，Ceq≈0.62%時(shí)，預(yù)熱溫度為150 ℃；最終確定預(yù)熱溫度大于等于120 ℃。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到焊接要求時(shí)，盡量安排多名焊工焊接，整條焊縫每隔1 m就安排1名焊工焊接，2名焊工為對稱焊接。

焊接時(shí)，層間溫度不得低于初始預(yù)熱溫度。焊接應(yīng)一次完成，避免隔夜二次預(yù)熱再進(jìn)行焊接。焊道的接頭應(yīng)互相錯(cuò)開，錯(cuò)開距離不小于30 mm。采用X型或K型坡口時(shí)，正面焊接完畢后背面應(yīng)立即清根焊接，達(dá)不到預(yù)熱溫度不得碳刨。

焊接完成后將焊縫進(jìn)行低溫回火處理，釋放殘余應(yīng)力，使其緩冷。圖2產(chǎn)生裂紋的重要原因就是焊前未按要求預(yù)熱，大電流野蠻施工，焊后未按要求緩冷。

3.4 合理選擇焊接參數(shù)并嚴(yán)格控制線能量

采用多層多道焊時(shí)由于后層對前層有消氫作用，并能改善前層焊縫和熱影響區(qū)的組織，因此施焊過程中除打底層厚度4～6 mm外，其余每層厚度控制在3～4 mm。焊接時(shí)嚴(yán)格按照焊接工藝參數(shù)焊接，禁止大電流操作，焊接參數(shù)見表2?？刂坪附泳€能量，建議單道焊縫寬度小于等于16 mm。

4 工藝要點(diǎn)

4.1 焊前準(zhǔn)備

根據(jù)產(chǎn)品現(xiàn)場布置，對其進(jìn)行平焊位置工藝評定。裝配前對板材坡口100 mm范圍內(nèi)進(jìn)行UT、MT無損檢測，確保原材料符合要求。焊前將試板兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)打磨見光澤，裝配間隙5～8 mm，鋼性固定，背面加陶瓷襯墊。

4.2 焊前預(yù)熱

(1)預(yù)熱溫度：120～180 ℃。

(2)預(yù)熱方式：采用電加熱器履帶加熱。為了確保加熱效果，平直位置履帶應(yīng)附有保溫材料。定位焊可采用火焰加熱，但預(yù)熱溫度不得小于150 ℃。

(3)預(yù)熱時(shí)間：預(yù)熱應(yīng)緩慢進(jìn)行，速度為60～100 ℃/h，預(yù)熱時(shí)間不得小于1 h。

(4)測量位置：溫度的測量位置距坡口中心75 mm處，盡量測量預(yù)熱面的背面。

(5)測量方法：采用紅外線測量儀，達(dá)到預(yù)熱溫度后恒溫5 min后測量。

表2 焊接參數(shù)

4.3 焊工資格

焊工應(yīng)持相應(yīng)等級的焊工資格證書，材料組別為W03[2]。

4.4 焊接過程控制

(1)焊接時(shí)，層間溫度不得小于120 ℃預(yù)熱溫度，最高不得大于180 ℃。時(shí)常測量溫度，當(dāng)溫度大于180 ℃時(shí)，應(yīng)立即停止焊接。

(2)焊接順序見圖3，焊接參數(shù)見表2。

(3)焊接完畢，應(yīng)立即檢查焊縫外觀質(zhì)量，對表面成形不符合要求的焊縫，在保證層間溫度大于等于120 ℃的前提下，立即進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)長度大于等于100 mm。

4.5 焊后熱處理

焊接完畢，應(yīng)立即將溫度加到200～250 ℃，進(jìn)行低溫回火處理；保溫時(shí)間按板厚確定，但不少于2 h?；鼗鹜戤吅?，用保溫材料覆蓋，使其緩慢冷卻。

4.6 無損檢測

試件熱處理完畢48 h后對其進(jìn)行UT、MT檢測。經(jīng)檢測，內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，表面無裂紋。

4.7 機(jī)械性能試驗(yàn)

依據(jù)中國船級社《材料與焊接規(guī)范》[2](2018)要求，對其進(jìn)行常溫拉伸、壓頭直徑60 mm側(cè)彎、0 ℃沖擊、HV10硬度試驗(yàn)，指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

Q690D高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼焊材的選用、焊接過程的控制及焊后熱處理是保證焊接質(zhì)量的重要要素。通過對上述要點(diǎn)的總結(jié)，以及嚴(yán)格的焊接過程控制，2 000 t起吊大梁焊后未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷，產(chǎn)品使用至今未接到客戶任何投訴。