双八千大型起重机臂架用Q690D高强钢焊接工艺研究

 

    双八千大型船用起重机是安装在深水半潜式起重铺管船上的起重运输设备，具有起吨位大、工作幅度大、工作速度快、全回转深水作业等特点。臂架主要由弦杆、腹杆、铰耳等焊接而成，是主要的受力部件，它的焊接质量关系到整个起重机的性能和安全。由于低强度钢强度较低，要想增加承载能力，就必须增加板材的厚度，这不仅增加了制造过程中加工焊接的难度和成本，而且增加了起重机整体重量。因此，要提高所用钢材的强度来达到增加承载能力的目的。双8t大型起重机臂架选用的材料是屈服极限为690MPa的Q690D高强度钢，将板材厚度控制在50mm以下，从而减轻起重机的重量。本文对该高强钢的焊接性、配套焊接材料及焊接工艺进行详细研究，并对其焊接接头性能进行了试验和评定，以保证焊缝质量，防止因焊接应力过大而使得焊缝和母材产生裂纹。

 

    1Q690焊接工艺研究Q690高强度钢是低碳调质钢中的一种。低碳调质钢的含碳量较低，在设计的合金系统中加入多种能提高泮透性的元素，以取得强化和较高禚性的目的，同时也兼顾了焊接的要求。这类钢一般是在调质状态下直接焊接，焊后不再做调质热处理。尽管综合力学性能比较优越，但其焊接性却比碳钢差得多。对于Q690D高强度钢的焊接，预热温度、焊后保温温度及时间如何选择，经过焊接热循环后的焊缝、热影响区组织性能如何分析，焊接接头的强度'韧性能否达到0标耍求，冷、热裂纹的倾向如何，与之相匹配的焊接材料如何确定和焊接工艺参数如何优化，这些都是Q690高强钢焊接存在的难题。

 

    l.i焊接性分析所谓的焊接性就是指材料在指定的制造工艺条件下，能够形成完整接头并满足预期使用要求的能力。焊接性分析的目的是在于查明选定的材料在指定的焊接工艺条件下可能山现的问题，以确定焊接工艺的合理性或者材料的改进方向。对T-Q690D高强钢，可以从以下几个重耍方面对其焊接性进行间接分析。

 

    由于焊接热影响医泮硬及冷裂倾向与钢材的化学成分有密切关系，因此可利用化学成分间接地评估钢材的冷裂敏感性。一般是将碳当量（Ceq）作为衡量钢材冷裂倾向的参数指标。高强钢的碳当量计算公式如下：Q690D材质证书的微量合金元素成分检测如表1所示。每块钢板的化学成分不可能完全一致，但相差不大。将成分百分数代入1.3Q690D冷裂纹敏感性钢材冷裂纹敏感性也可以评定钢材的冷裂倾向大小，用式（2）计算钢材冷裂敏感性。

 

    为熔敷金属中的扩散氢含量，mL/100g；i为拘束度，MPa.当PHT>0时，即有产生裂纹的可能性。从Q690D母材成分中可以计算得知：当户为0.304时，有冷裂纹产生。

 

    以下措施可以降低冷裂纹的发生：氢是引起高强钢冷裂的主要原因，焊接接头中的氢含量越高，产生裂纹的倾向就越大。焊接材料中的水分，焊件坡口处的铁锈、油污及环境的湿度是焊缝中富氢的原因。所以，一定要保证焊接坡口及焊材干净、干燥。

 

    尽量减小拘束度及合理安排焊道次序，降低焊缝金属的残余应力。

 

    通过冷裂纹敏感性公式可以计算出需耍达到的预热温度r：用丁评估钢材热裂敏感性的公式如下：当//CS4时，一般不会产生热裂纹。/ffC越大，钢材热裂纹敏感性越高。计算Q690D高强钢热裂纹敏感性大小为丨。13，所以一般不会产生热裂纹。

 

    1.5焊接工艺试验焊接方法及坡口S前所有的焊接方法均适用于高强钢。本文针对高强钢Q690D，研究了焊接方法为GMAW的焊接工艺。焊接位置为平焊1G，母材厚度为25mm，采用20%C02+80%Ar气体保护，焊接接头的坡口结构如所示。

 

    焊材选杼选焊材必须为低氢焊材，焊缝金属的氢含量必须S5mL/100g.建议在焊接时，根焊道选用低强匹配的焊材，填充及盖面选W等强匹配或高强匹配焊材。

 

    根焊道的焊丝或焊条的直径尽量小，可以控制焊道成型，并控制热输入，改善HAZ性能。

 

    对于本次焊接试验，选用的焊材规格及其力学性能如表3和表4所示。

 

    表3所选焊材规格选项规格焊接方法焊接材料表4所选焊材熔敷金属力学性能性能屈服强度/MPa拉伸强度/MPa延伸率/%冲击功Avg/1.6焊接工艺参数焊接过程中，控制焊接热输入，利于控制熔池形状，降低缺陷几率，减小变形，并能够细化晶粒，改善焊缝微观组织。本次试验的相关焊接工艺参数如表5所示。

 

    表5焊接工艺参数部位电流/A电压/V焊接速度/（mm/min）热效率打底填充盖面1.7预热及层间温度预热的目的是为了防止焊缝金属产生裂纹及加快氢的扩散，改善母材的可焊性。预热温度随着板厚的增加而增加，这是因为厚板冷却更快及厚板的碳当量略篼于薄板。如果大气湿度过大或者环境温度低于5°C，则预热温度要比原预热温度高出25°C.如果焊接构件被刚性约束，预热温度也要相应地提高。特别要注意的是，在组对及定位焊时，焊件的温度同样也要达到*低预热温度值，并且，在焊接组对过程中，时刻监测焊件的温度。如果在焊接过程中发现焊件的温度低于规定的*低预热温度，则必须停止组对，重新预热焊件至*低预热温度，方才可继续进行焊接。

 

    本次焊接试验规定所有母材的预热温度必须在130150"C，方可施焊。*大层间温度150°C.1.8焊后加热保温焊接完毕后，必须立即进行焊接接头的焊后加热保温。焊后加热保温有利于焊缝中氢的散逸。保温时间至少为厚度方向上3min/mm，且总时间不低于一个小时。

 

    预热与焊后保温的温度越高，越有利于焊缝金属中氢的扩散。保温温度控制在20025CTC.1.9其他事项高强钢焊接过程中，还要注意以下几点：高强钢焊接过程中，如果热输入过大或者冷却速度较低，在焊接热影响区易发生软化或者脆化现象：若冷却速度较快，焊接热影响区易产生淬硬组织，出现冷裂纹和性下降的现象。所以，要严格控制焊接参数，并制定若干缓冷措施。

 

    母材的切割和坡口制备可以用火焰切割，但是也必须预热，具体温度要视板厚决定，*小预热温度不低于115°C.组对时，要严格控制根部间隙为4mm，钝边为12mm.这是因为，根部间隙为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，而且不能有咬边。焊接过程中，一旦出现咬边，或者余高过高，则必须打磨并重新焊接。

 

    焊材使用必须防止受潮，尽量避免使用过程中吸氢。

 

    1.10试验结果根据以上所述，进行了焊接工艺试验。焊后对焊接试件进行了无损检测、宏观腐蚀检测、力学性能测试等。试验结果如下。

 

    1.11外观、无损及宏观腐蚀检测按照标准AWSD1.1，进行VT、MT、UT三种无损检测，检测结果表明，焊缝外观均匀美观，成型良好，并且无表面气孔、咬边、夹渣、裂纹等缺陷，焊缝金属内部不存在夹渣、未熔合、未焊透及裂纹等缺陷，外观及无损检测合格。经腐蚀和用肉眼观察焊缝及热影响区横截面，焊缝金属与母材完全熔合，并且经测试，焊缝焊根及余高均符合标准，测试结果满足要求。

 

    1.12力学性能测试拉伸试验是应用*广泛的力学性能试验方法之一，通过拉伸试验可标定焊接接头*基本力学性能指标如屈服强度、抗拉强度、延伸率等，这些性能指标是评定材料及其焊接接头性能的重要依据。试样拉伸后如所示，拉伸性能如表6所示。

 

    测试结果显示，试样断裂丁-母材。这表明焊缝拉伸强度等于或高丁-母材，有更高的抗拉强度，满足高强匹配的要求，拉伸性能符合要求。因此，本次试验的焊接规范是合理的。

 

    表6缩减截面试样拉伸性能测试结果试样编号宽度/mm厚度/mm断裂载荷/kN拉伸强度/MPa断裂位置母材弯曲测试的压头直径为40mm，弯曲角度为180°，弯曲试验数据如表7所示。在弯曲后的试样中，1号试样出现1.65mm的裂纹，如所示；2号和3号试样完好无裂纹。对照GB/T232-1999标准，三个试样的测试结果全部满足要求。

 

    表7焊接接头弯曲试验结果焊缝编号工况侧弯1.65mm裂纹一条侧弯完好，无裂纹侧弯完好，无裂纹°C，测试结果如表8所示。试样的冲击功值符合标准的要求。

 

    表8冲击性能测试结果编号测试位置测试值1测试值2测试值3均值焊缝中心线熔合线培合线+2mm溶合线+5mm根部焊缝中心线根部熔合线根部你合线+2mm根部培合线+5mm对浸蚀过的测试材料加10g载荷测试其显微硬度。测试方向由母材一侧向焊缝中心测试，分别测试根焊区和填充区硬度，测试值为材料的维氏硬度（HV）。硬度测试采用维氏硬度计，载荷为lkg，硬度测试点的位置如所示，测试结果如表9所示。

 

    表9硬度测试结果（HV）为便于观察，将测试的硬度值描于坐标系中，如所示。从图中可以看出，焊接接头中，从焊缝中心到母材这段距离内，不同位置的维氏硬度时高时低，呈波浪式变化。熔合线处一边是温度较低的母材，一边是温度较高的熔池金属，存在较大的温度梯度和过冷度，使得该处组织比焊缝其它位置组织细小、致密，且细晶强化作用明显，表现出较高的硬度。但整体来看，各位置的硬度值均在350HV以下，满足H2S应力腐蚀的硬度要求。

 

    2结语通过对GMAW焊接方法的Q690D高强钢的焊接工艺进行试验及评定，结果表明：通过计算，表明Q690D高强钢焊接热影响区有较强的淬硬倾向。为防止冷裂纹的产生，预热温度应不低于150°C.研究的焊接工艺通过了无损检测和宏观腐蚀测试，焊缝外观均匀美观，成型良好，焊缝金属内部不存在夹澄、未熔合、未焊透及裂纹等缺陷，外观及无损检测合格。经腐蚀和用肉眼观察焊缝及热影响区横截面，焊缝金属与母材完全培合，并且经测试，焊缝焊根及余高均符合标准，测试结果满足要求。

 

    接头的力学性能测试，结果表明焊接接头的综合力学性能良好，能够满足双八千大型起重机臂架的设计和使用要求。

 

    焊接试验结果显示，接头中未发现冷裂及热裂现象，表明预热及焊后保温温度制定合理。

 

    综上所述，对于双八千大型起重机臂架用Q6卯D高强钢焊接工艺研究己获得成功，无论力学性能还是耐腐蚀性，均能满足设计和使用要求，而且控制了起重臂的自重变形和焊接变形，在减轻整机重量的同时保证了整机的制造质量。