楊燮 YANG Xie

（杭州墨塔科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

目前對(duì)大橋的施工中常常要求大規(guī)模的連接，青榮鐵路特別大橋的施工全橋不能通過(guò)一個(gè)螺釘，全部通過(guò)焊縫進(jìn)行連接，所以研究橋鋼的連接工藝和焊縫特性對(duì)于大橋施工中有著重要性。根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用背景，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，高耐蝕性及各自性能的優(yōu)點(diǎn)，本論文特別選擇了1000MPa級(jí)的Q960E高強(qiáng)度鋼板和800MPa級(jí)的Q690qENH耐候鋼，釆用合理的焊接工藝完成了高強(qiáng)度-耐候異種連接結(jié)構(gòu)。

1 MAG焊

MAG焊因其優(yōu)勢(shì)，在液壓支撐的焊接工作中獲得應(yīng)用。山東大學(xué)所對(duì)對(duì)煤炭綜采裝置的液壓支撐Q890/Q690和Q890/Q960異種鋼的焊接接頭開展了深入研究，由孫健雄教授用MKGHS-60＞MKGHS-70＞MK-GHS-80三種焊絲，用GMAW焊接頭對(duì)Q890/Q960異種鋼實(shí)施焊接工作，研究表明用打底層蓋面的復(fù)合焊工藝，有著良好的沖擊韌性和更高的經(jīng)濟(jì)效益。許紅國(guó)等人對(duì)采用MKGHS-70MKGHS-80MKGHS-90三種焊絲，用GMAW焊對(duì)Q890/Q960異種鋼進(jìn)行了焊接，發(fā)現(xiàn)在焊接之前用高溫加熱器100-150，再加溫后輸入12～20kJ/cm，而采用三種焊絲所進(jìn)行的焊接接頭的根部斷裂度都小于20%，而不管采用了單一焊絲還是MKGHS-80MKGHS-90復(fù)合焊絲，焊接接頭都有著優(yōu)異的彈性，其中單一焊絲的彈性最高。

2 激光-MAG復(fù)合焊

雷正龍網(wǎng)等人利用激光-MAG復(fù)合焊技術(shù)開展了Q890/Q550異種鋼焊縫實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)各種熱注入異種鋼焊縫接頭顯微組織結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)性能開展了深入研究，結(jié)果表明熱注入的增加將引起熱影響區(qū)晶粒增加，且在三個(gè)熱注入下的拉伸試樣均開裂于母材Q550鋼。

呂航測(cè)采用了激光-MAG復(fù)合焊接的方法，將SUS304用不銹耐酸鋼板材料和低合金鋼板Q345材料進(jìn)行焊接，并深入研究了異種鋼板焊縫連接時(shí)處在高應(yīng)力和腐蝕環(huán)境下的焊縫接頭破壞情況。發(fā)現(xiàn)的焊縫接頭中各區(qū)由于組織結(jié)構(gòu)差異，應(yīng)力與腐蝕裂紋擴(kuò)大速度也有所不同。

3 Q960E/Q690qENH異種鋼焊接方案及測(cè)試方法

3.1 兩種母材介紹

根據(jù)課題的使用特點(diǎn)，主要采用了10mm厚度的Q960E高強(qiáng)度鋼材和Q690qENH耐候鋼，表1為二種材料的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)，表2為二類材料的熱動(dòng)力學(xué)性能。

表1 Q960E及Q690qENH的化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%）

表2 Q960E及Q690qENH的力學(xué)性能

3.2 焊接方法及焊接材料選擇

3.2.1 焊接方法選擇

結(jié)合了Q960E/Q690qENH的化學(xué)組成和特性，并根據(jù)理論研究結(jié)果和本課題前期研發(fā)工作的基礎(chǔ)，考慮到了MAG焊具產(chǎn)品成本低，適用性廣，制造效率高，焊接效果好等優(yōu)勢(shì)。本課題用MAG進(jìn)行Q960E/Q690qENH等異種高強(qiáng)耐候鋼連接工作。

試驗(yàn)中所用的焊接設(shè)備是松下電器MAG焊接機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1所述。焊機(jī)型號(hào)為YD-500GR型數(shù)字化焊機(jī)，焊機(jī)頭具有一元化調(diào)整功能，可通過(guò)輸入電流（或電壓）自動(dòng)匹配電壓（或電流）。

圖1 松下MAG焊接機(jī)器人系統(tǒng)

3.2.2 焊接材料選擇

關(guān)于與Q960E/Q690qENH鋼連接時(shí)，本項(xiàng)目鋼絲的選取準(zhǔn)則一般包括：連接各種硬度等級(jí)的高強(qiáng)鋼材，重點(diǎn)是在適當(dāng)調(diào)整焊縫接頭的組合織構(gòu)以與強(qiáng)韌配合，在滿足高等匹配連接剛度和耐久性能的前提下，著重兼顧鋼絲的耐受力與焊縫金屬的強(qiáng)韌，并優(yōu)先選擇低硫和超低氫的鋼絲和塑韌性極佳的鋼絲。鑒于二類母材強(qiáng)度等級(jí)差異，按強(qiáng)度等級(jí)最低的母材（Q690qENH）進(jìn)行了焊絲選用。并根據(jù)工程使用背景和上述要求，選用了ER91T1-G耐候鋼焊絲和XY-80QNH鋼絲，單獨(dú)加以了深入研究。

3.2.3 焊接方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中采用二種耐候鋼焊絲，對(duì)Q960E/Q690qENH完成檢驗(yàn)，并根據(jù)母材和鋼絲特點(diǎn)初步建立了焊縫工藝數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整焊縫溫度，測(cè)定熱流量和壓力，再通過(guò)檢驗(yàn)，進(jìn)而評(píng)價(jià)焊縫接頭特性（組織分析、硬度測(cè)試、拉伸性能檢驗(yàn)及電化學(xué)測(cè)試），并完成工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。研究在二種焊絲，根據(jù)各種工藝參數(shù)對(duì)其機(jī)械性能的影響規(guī)律，通過(guò)對(duì)比分析結(jié)果得出了本項(xiàng)目Q960E/Q690qENH異型高強(qiáng)度耐候鋼焊縫的最佳工藝參數(shù)，以便于為實(shí)際工程提出指導(dǎo)的依據(jù)。

4 Q960E/Q690qENH異種鋼ER91T1-G焊絲MAG焊工藝研究

4.1 焊接工藝參數(shù)制定及調(diào)整

4.1.1 焊接工藝參數(shù)制定

在本課題前期研制工作基礎(chǔ)上，鑒于焊絲的材料結(jié)構(gòu)和特性，確定了首先把焊頭的傾斜部設(shè)置為單面V型斜面處，以實(shí)現(xiàn)打底層焊、填塞焊和蓋面焊。因?yàn)椴捎昧司哂幸辉秸{(diào)整功能的電焊機(jī)，在給出輸出電壓值后會(huì)自動(dòng)調(diào)用正確的電流參數(shù)，所以最終確定的焊接工藝參數(shù)見表3，焊接時(shí)保護(hù)氣為20%C02+80%Ar，氣體流速為25L/min。

表3 初步試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)

4.1.2 焊接過(guò)程

焊器結(jié)構(gòu)如圖2所述，在完成打底焊與填充焊時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊縫中并未焊滿，且最后一道焊縫也沒有蓋滿的寬度，于是完成了二道并搭設(shè)蓋邊焊，焊接后的外觀形態(tài)如圖2（b）所述。在圖片中我們看到連接接頭前部形狀相對(duì)完善。但是連接接頭后部存在較差的焊接瘤，所以必須對(duì)打底層連接頭形狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

圖2 焊接過(guò)程中焊件樣貌

4.1.3 焊接工藝參數(shù)調(diào)整

使用了電焊機(jī)的一元化調(diào)整功能，并針對(duì)焊接電流、焊接速率、焊絲干伸長(zhǎng)情況和如何使用熄弧板，設(shè)計(jì)了以下參考表進(jìn)行了測(cè)試（見表4）。

當(dāng)使用焊接的電流密度為180A，且加熱速率約為0.5m/min后，計(jì)算余寬為2.2mm，熔寬則為7.0mm。所以在不一樣的焊接工藝技術(shù)參數(shù)下，可以將鈍邊填充的打底焊熔寬在6.0-7.5mm左右，在實(shí)踐中也可以將鈍邊填充的工藝余寬在1.7-2.0mm左右，這樣才能完成后續(xù)試驗(yàn)。

經(jīng)打底層焊的連接實(shí)驗(yàn)表明，在MAG焊縫中，當(dāng)焊接速度不變，焊縫電流密度差愈大，則余高愈高，故熔寬愈廣，則熔深愈深。這是因?yàn)樵诤缚p電壓很大時(shí)，試塊受的電極力也會(huì)加大，使得熔深更深，而且對(duì)焊縫的一元化調(diào)整也會(huì)相對(duì)提高了焊縫電壓，從而使得熔寬加大，就相當(dāng)于直接提高了熱輸入，從而使得焊絲的熔融量增加，由此使得實(shí)際余高的幾何長(zhǎng)度增加。另外值得注意的是在調(diào)整焊絲干伸長(zhǎng)程度時(shí)，如果采用同樣焊接電流和相同連接速率，則焊絲干伸長(zhǎng)程度越長(zhǎng)，實(shí)際焊縫的余高度也越高，這很可能是以MAG焊的焊絲為電極時(shí)，干拉伸部分越長(zhǎng)則焊絲產(chǎn)生的電壓也越大，所以實(shí)際焊縫的熱輸入也越大而造成的。

4.1.4 綜合分析

在以上的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和大數(shù)據(jù)分析基本上提出了工藝技術(shù)參數(shù)如表5，與第1道的打底焊焊接技術(shù)參數(shù)基本相同，均是焊縫電壓160A，焊縫速率為0.5m/mm，表中不再列舉。

表5 焊接工藝參數(shù)表

可看出隨著焊縫速度的提高，焊縫熱量輸入減少較多，所以焊縫道次也從一道改為三道。通過(guò)測(cè)定可看出，由于焊縫輸出電壓的逐漸降低，焊縫在杭州市余杭高級(jí)中學(xué)附近逐漸變大。表6為焊接件余高和熔寬的尺寸表示。

表6 不同工藝參數(shù)下焊板余高及熔寬尺寸

4.2 異種高強(qiáng)耐候鋼焊接接頭性能研究

4.2.1 抗拉強(qiáng)度分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，在采用ER91T1-G焊絲實(shí)施連接時(shí)，焊縫區(qū)是整個(gè)焊條中接頭硬度最低點(diǎn)的地方。焊縫工藝參數(shù)也對(duì)焊縫接頭拉伸特性有一定的影響，從表7中可以得知采用A工藝參數(shù)下時(shí)的抗拉強(qiáng)度最小，為728.32MPa，而D焊縫工藝參數(shù)下的時(shí)候焊縫接頭的抗拉強(qiáng)度最大，平均抗拉強(qiáng)度為771.50MPa，而同時(shí)采用了B，C兩個(gè)工藝參數(shù)下得出的焊縫接頭抗拉強(qiáng)度也差異并不大。

表7 ER91T1-G焊絲下Q690qENH/Q960E異種鋼焊接接頭拉伸性能

截然不同的焊接方法，顯示出了截然不同的抗拉硬度。當(dāng)用上ER91T1-G焊絲后，各種點(diǎn)焊方法的每道道次焊縫的總熱能輸入都是不一樣的，在A施工中單一道次熱能輸入最大，同時(shí)其抗拉力值也最低，熱均數(shù)是728.33MPa，而在D施工中的單一道次熱能輸入則最低。

其平均抗拉強(qiáng)度為最高，約為771.5MPa。通過(guò)觀察便可看出，該組實(shí)驗(yàn)中四種工藝所得到的接頭抗拉強(qiáng)度隨著單道熱量輸入的減少而增大。

4.2.2 拉伸斷口分析

為研究用ER91T1-G焊絲時(shí)，Q960E/Q690qENH異種型高強(qiáng)鋼板焊頭的切斷形式，并應(yīng)用SEM技術(shù)進(jìn)行了斷口分析（如圖3）。韌窩通常為長(zhǎng)橢圓形至圓形，以及數(shù)量較多的不規(guī)則多邊形，在部分大韌窩內(nèi)還出現(xiàn)了許多的小韌窩。韌窩通常是被內(nèi)部的應(yīng)力拉開所造成，經(jīng)?？梢钥吹皆诓糠猪g窩中出現(xiàn)的小晶粒。韌窩中具有大小不等的坑洞，主要是由于焊縫金屬在內(nèi)部受力條件時(shí)生成的塑性變化，從而使得基體與金屬表面之間在異相的周圍形成應(yīng)力聚集，而內(nèi)部應(yīng)力聚集后又會(huì)導(dǎo)致基體金屬塊和異相顆粒之間的界面被打開，直至斷裂所產(chǎn)生的深坑穴孔。拉長(zhǎng)過(guò)程中，由于拉伸應(yīng)力的逐步上升，腔體逐步擴(kuò)大，留有顆粒的一邊顆粒粘附在上面，而沒有顆粒的一邊產(chǎn)生了坑孔。

圖3 典型焊接接頭拉伸斷口SEM圖像

5 結(jié)論

針對(duì)Q960E/Q690qENH等異種高強(qiáng)度鋼板焊縫，通過(guò)選擇MAG的連接方法，選擇了ER91T1-G焊絲完成了連接，并對(duì)工藝技術(shù)技術(shù)參數(shù)展開了研究；對(duì)獲得的焊縫接口，通過(guò)了開展對(duì)金相結(jié)構(gòu)、硬度、拉伸等特性展開了檢測(cè)和研究，四個(gè)焊縫工藝技術(shù)下都可獲得良好的焊縫接口，并無(wú)氣孔，裂紋等問(wèn)題；四個(gè)焊縫工藝技術(shù)下的接頭的焊縫組織中都存在著豐富的針狀鐵素體含量，其中A、B、C三個(gè)工藝技術(shù)技術(shù)參數(shù)下的焊接組織中存在著先共析鐵素體含量和后側(cè)板條鐵素體含量。通過(guò)拉伸試驗(yàn)及研究，對(duì)四個(gè)焊縫工藝參數(shù)下的焊縫試樣實(shí)施了拉伸測(cè)試，發(fā)現(xiàn)主要裂紋部位都在焊縫部，對(duì)斷口位置實(shí)施了觀測(cè)并發(fā)現(xiàn)主要裂紋形態(tài)均為塑性裂紋，存在大部分韌窩?？估瓘?qiáng)度也由于焊縫工藝參數(shù)的差異而有所不同，D的抗拉強(qiáng)度最大，為771.50MPa。