雙八千大型起重機臂架用Q690D高強鋼焊接工藝研究

 

    雙八千大型船用起重機是安裝在深水半潛式起重鋪管船上的起重運輸設備，具有起噸位大、工作幅度大、工作速度快、全回轉深水作業(yè)等特點。臂架主要由弦桿、腹桿、鉸耳等焊接而成，是主要的受力部件，它的焊接質量關系到整個起重機的性能和安全。由于低強度鋼強度較低，要想增加承載能力，就必須增加板材的厚度，這不僅增加了制造過程中加工焊接的難度和成本，而且增加了起重機整體重量。因此，要提高所用鋼材的強度來達到增加承載能力的目的。雙8t大型起重機臂架選用的材料是屈服極限為690MPa的Q690D高強度鋼，將板材厚度控制在50mm以下，從而減輕起重機的重量。本文對該高強鋼的焊接性、配套焊接材料及焊接工藝進行詳細研究，并對其焊接接頭性能進行了試驗和評定，以保證焊縫質量，防止因焊接應力過大而使得焊縫和母材產(chǎn)生裂紋。

 

    1Q690焊接工藝研究Q690高強度鋼是低碳調質鋼中的一種。低碳調質鋼的含碳量較低，在設計的合金系統(tǒng)中加入多種能提高泮透性的元素，以取得強化和較高禚性的目的，同時也兼顧了焊接的要求。這類鋼一般是在調質狀態(tài)下直接焊接，焊后不再做調質熱處理。盡管綜合力學性能比較優(yōu)越，但其焊接性卻比碳鋼差得多。對于Q690D高強度鋼的焊接，預熱溫度、焊后保溫溫度及時間如何選擇，經(jīng)過焊接熱循環(huán)后的焊縫、熱影響區(qū)組織性能如何分析，焊接接頭的強度'韌性能否達到0標耍求，冷、熱裂紋的傾向如何，與之相匹配的焊接材料如何確定和焊接工藝參數(shù)如何優(yōu)化，這些都是Q690高強鋼焊接存在的難題。

 

    l.i焊接性分析所謂的焊接性就是指材料在指定的制造工藝條件下，能夠形成完整接頭并滿足預期使用要求的能力。焊接性分析的目的是在于查明選定的材料在指定的焊接工藝條件下可能山現(xiàn)的問題，以確定焊接工藝的合理性或者材料的改進方向。對T-Q690D高強鋼，可以從以下幾個重耍方面對其焊接性進行間接分析。

 

    由于焊接熱影響醫(yī)泮硬及冷裂傾向與鋼材的化學成分有密切關系，因此可利用化學成分間接地評估鋼材的冷裂敏感性。一般是將碳當量（Ceq）作為衡量鋼材冷裂傾向的參數(shù)指標。高強鋼的碳當量計算公式如下：Q690D材質證書的微量合金元素成分檢測如表1所示。每塊鋼板的化學成分不可能完全一致，但相差不大。將成分百分數(shù)代入1.3Q690D冷裂紋敏感性鋼材冷裂紋敏感性也可以評定鋼材的冷裂傾向大小，用式（2）計算鋼材冷裂敏感性。

 

    為熔敷金屬中的擴散氫含量，mL/100g；i為拘束度，MPa.當PHT>0時，即有產(chǎn)生裂紋的可能性。從Q690D母材成分中可以計算得知：當戶為0.304時，有冷裂紋產(chǎn)生。

 

    以下措施可以降低冷裂紋的發(fā)生：氫是引起高強鋼冷裂的主要原因，焊接接頭中的氫含量越高，產(chǎn)生裂紋的傾向就越大。焊接材料中的水分，焊件坡口處的鐵銹、油污及環(huán)境的濕度是焊縫中富氫的原因。所以，一定要保證焊接坡口及焊材干凈、干燥。

 

    盡量減小拘束度及合理安排焊道次序，降低焊縫金屬的殘余應力。

 

    通過冷裂紋敏感性公式可以計算出需耍達到的預熱溫度r：用丁評估鋼材熱裂敏感性的公式如下：當//CS4時，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。/ffC越大，鋼材熱裂紋敏感性越高。計算Q690D高強鋼熱裂紋敏感性大小為丨。13，所以一般不會產(chǎn)生熱裂紋。

 

    1.5焊接工藝試驗焊接方法及坡口S前所有的焊接方法均適用于高強鋼。本文針對高強鋼Q690D，研究了焊接方法為GMAW的焊接工藝。焊接位置為平焊1G，母材厚度為25mm，采用20%C02+80%Ar氣體保護，焊接接頭的坡口結構如所示。

 

    焊材選杼選焊材必須為低氫焊材，焊縫金屬的氫含量必須S5mL/100g.建議在焊接時，根焊道選用低強匹配的焊材，填充及蓋面選W等強匹配或高強匹配焊材。

 

    根焊道的焊絲或焊條的直徑盡量小，可以控制焊道成型，并控制熱輸入，改善HAZ性能。

 

    對于本次焊接試驗，選用的焊材規(guī)格及其力學性能如表3和表4所示。

 

    表3所選焊材規(guī)格選項規(guī)格焊接方法焊接材料表4所選焊材熔敷金屬力學性能性能屈服強度/MPa拉伸強度/MPa延伸率/%沖擊功Avg/1.6焊接工藝參數(shù)焊接過程中，控制焊接熱輸入，利于控制熔池形狀，降低缺陷幾率，減小變形，并能夠細化晶粒，改善焊縫微觀組織。本次試驗的相關焊接工藝參數(shù)如表5所示。

 

    表5焊接工藝參數(shù)部位電流/A電壓/V焊接速度/（mm/min）熱效率打底填充蓋面1.7預熱及層間溫度預熱的目的是為了防止焊縫金屬產(chǎn)生裂紋及加快氫的擴散，改善母材的可焊性。預熱溫度隨著板厚的增加而增加，這是因為厚板冷卻更快及厚板的碳當量略篼于薄板。如果大氣濕度過大或者環(huán)境溫度低于5°C，則預熱溫度要比原預熱溫度高出25°C.如果焊接構件被剛性約束，預熱溫度也要相應地提高。特別要注意的是，在組對及定位焊時，焊件的溫度同樣也要達到*低預熱溫度值，并且，在焊接組對過程中，時刻監(jiān)測焊件的溫度。如果在焊接過程中發(fā)現(xiàn)焊件的溫度低于規(guī)定的*低預熱溫度，則必須停止組對，重新預熱焊件至*低預熱溫度，方才可繼續(xù)進行焊接。

 

    本次焊接試驗規(guī)定所有母材的預熱溫度必須在130150"C，方可施焊。*大層間溫度150°C.1.8焊后加熱保溫焊接完畢后，必須立即進行焊接接頭的焊后加熱保溫。焊后加熱保溫有利于焊縫中氫的散逸。保溫時間至少為厚度方向上3min/mm，且總時間不低于一個小時。

 

    預熱與焊后保溫的溫度越高，越有利于焊縫金屬中氫的擴散。保溫溫度控制在20025CTC.1.9其他事項高強鋼焊接過程中，還要注意以下幾點：高強鋼焊接過程中，如果熱輸入過大或者冷卻速度較低，在焊接熱影響區(qū)易發(fā)生軟化或者脆化現(xiàn)象：若冷卻速度較快，焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織，出現(xiàn)冷裂紋和性下降的現(xiàn)象。所以，要嚴格控制焊接參數(shù)，并制定若干緩冷措施。

 

    母材的切割和坡口制備可以用火焰切割，但是也必須預熱，具體溫度要視板厚決定，*小預熱溫度不低于115°C.組對時，要嚴格控制根部間隙為4mm，鈍邊為12mm.這是因為，根部間隙為4mm有利于背部焊道成型，背面成型焊道高度要控制在2mm左右，而且不能有咬邊。焊接過程中，一旦出現(xiàn)咬邊，或者余高過高，則必須打磨并重新焊接。

 

    焊材使用必須防止受潮，盡量避免使用過程中吸氫。

 

    1.10試驗結果根據(jù)以上所述，進行了焊接工藝試驗。焊后對焊接試件進行了無損檢測、宏觀腐蝕檢測、力學性能測試等。試驗結果如下。

 

    1.11外觀、無損及宏觀腐蝕檢測按照標準AWSD1.1，進行VT、MT、UT三種無損檢測，檢測結果表明，焊縫外觀均勻美觀，成型良好，并且無表面氣孔、咬邊、夾渣、裂紋等缺陷，焊縫金屬內(nèi)部不存在夾渣、未熔合、未焊透及裂紋等缺陷，外觀及無損檢測合格。經(jīng)腐蝕和用肉眼觀察焊縫及熱影響區(qū)橫截面，焊縫金屬與母材完全熔合，并且經(jīng)測試，焊縫焊根及余高均符合標準，測試結果滿足要求。

 

    1.12力學性能測試拉伸試驗是應用*廣泛的力學性能試驗方法之一，通過拉伸試驗可標定焊接接頭*基本力學性能指標如屈服強度、抗拉強度、延伸率等，這些性能指標是評定材料及其焊接接頭性能的重要依據(jù)。試樣拉伸后如所示，拉伸性能如表6所示。

 

    測試結果顯示，試樣斷裂丁-母材。這表明焊縫拉伸強度等于或高丁-母材，有更高的抗拉強度，滿足高強匹配的要求，拉伸性能符合要求。因此，本次試驗的焊接規(guī)范是合理的。

 

    表6縮減截面試樣拉伸性能測試結果試樣編號寬度/mm厚度/mm斷裂載荷/kN拉伸強度/MPa斷裂位置母材彎曲測試的壓頭直徑為40mm，彎曲角度為180°，彎曲試驗數(shù)據(jù)如表7所示。在彎曲后的試樣中，1號試樣出現(xiàn)1.65mm的裂紋，如所示；2號和3號試樣完好無裂紋。對照GB/T232-1999標準，三個試樣的測試結果全部滿足要求。

 

    表7焊接接頭彎曲試驗結果焊縫編號工況側彎1.65mm裂紋一條側彎完好，無裂紋側彎完好，無裂紋°C，測試結果如表8所示。試樣的沖擊功值符合標準的要求。

 

    表8沖擊性能測試結果編號測試位置測試值1測試值2測試值3均值焊縫中心線熔合線培合線+2mm溶合線+5mm根部焊縫中心線根部熔合線根部你合線+2mm根部培合線+5mm對浸蝕過的測試材料加10g載荷測試其顯微硬度。測試方向由母材一側向焊縫中心測試，分別測試根焊區(qū)和填充區(qū)硬度，測試值為材料的維氏硬度（HV）。硬度測試采用維氏硬度計，載荷為lkg，硬度測試點的位置如所示，測試結果如表9所示。

 

    表9硬度測試結果（HV）為便于觀察，將測試的硬度值描于坐標系中，如所示。從圖中可以看出，焊接接頭中，從焊縫中心到母材這段距離內(nèi)，不同位置的維氏硬度時高時低，呈波浪式變化。熔合線處一邊是溫度較低的母材，一邊是溫度較高的熔池金屬，存在較大的溫度梯度和過冷度，使得該處組織比焊縫其它位置組織細小、致密，且細晶強化作用明顯，表現(xiàn)出較高的硬度。但整體來看，各位置的硬度值均在350HV以下，滿足H2S應力腐蝕的硬度要求。

 

    2結語通過對GMAW焊接方法的Q690D高強鋼的焊接工藝進行試驗及評定，結果表明：通過計算，表明Q690D高強鋼焊接熱影響區(qū)有較強的淬硬傾向。為防止冷裂紋的產(chǎn)生，預熱溫度應不低于150°C.研究的焊接工藝通過了無損檢測和宏觀腐蝕測試，焊縫外觀均勻美觀，成型良好，焊縫金屬內(nèi)部不存在夾澄、未熔合、未焊透及裂紋等缺陷，外觀及無損檢測合格。經(jīng)腐蝕和用肉眼觀察焊縫及熱影響區(qū)橫截面，焊縫金屬與母材完全培合，并且經(jīng)測試，焊縫焊根及余高均符合標準，測試結果滿足要求。

 

    接頭的力學性能測試，結果表明焊接接頭的綜合力學性能良好，能夠滿足雙八千大型起重機臂架的設計和使用要求。

 

    焊接試驗結果顯示，接頭中未發(fā)現(xiàn)冷裂及熱裂現(xiàn)象，表明預熱及焊后保溫溫度制定合理。

 

    綜上所述，對于雙八千大型起重機臂架用Q6卯D高強鋼焊接工藝研究己獲得成功，無論力學性能還是耐腐蝕性，均能滿足設計和使用要求，而且控制了起重臂的自重變形和焊接變形，在減輕整機重量的同時保證了整機的制造質量。