HG785D高強(qiáng)板超長(zhǎng)矩形截面梁焊接工藝技術(shù)研究

馬殿響 任錦萍 張中元 李臣達(dá) 吳春德 楊 會(huì)

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HG785D高強(qiáng)板超長(zhǎng)矩形截面梁焊接工藝技術(shù)研究

馬殿響 任錦萍 張中元 李臣達(dá) 吳春德 楊 會(huì)

（長(zhǎng)治清華機(jī)械廠，長(zhǎng)治 046012）

為適應(yīng)輕量化的同時(shí)保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，臂體橫梁采用鋼板折彎成槽型件后拼焊而成。通過改進(jìn)焊接工藝方法及焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)矩形截面梁?jiǎn)蚊婧鸽p面成形，并經(jīng)過100% X射線探傷檢測(cè)，一次交驗(yàn)合格率達(dá)100%。

HG785D高強(qiáng)板；矩形截面梁；單面焊雙面成形；富氬混合氣體保護(hù)焊

1 引言

HG785D板是國(guó)內(nèi)新研制的一種高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)用鋼板，該材料機(jī)械性能優(yōu)越，品種規(guī)格多，適合使用在各類軍民用產(chǎn)品高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件中，常用于各種類型高強(qiáng)度承力焊接結(jié)構(gòu)件。目前，HG785D板在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)處于推廣應(yīng)用階段，現(xiàn)在市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品承載大、重量輕的結(jié)構(gòu)件需求日益增加，高強(qiáng)度板應(yīng)用前景廣闊。

某型號(hào)產(chǎn)品研制生產(chǎn)中，其關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件為臂體，為滿足高強(qiáng)度、高抗彎性、高抗扭性、高可靠性、輕質(zhì)化等要求，設(shè)計(jì)采用了武鋼公司生產(chǎn)的HG785D低合金高強(qiáng)度焊接鋼板作為該起豎臂的主要材料，目前該種材料主要適用于卡車底盤、液壓支架、移動(dòng)式起重機(jī)和建筑工程機(jī)械等方面。HG785D鋼板執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為武鋼企標(biāo)WJX（RZ）159—2008高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)用鋼HG785供貨技術(shù)條件》。

2 材料性能及焊接工藝方法研究

2.1 材料性能

HG785D鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2?？梢钥闯觯琀G785D為抗拉強(qiáng)度≥785MPa的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，此種鋼材是在低碳鋼的基礎(chǔ)上，加入多種合金元素以提高其淬透性，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后獲得高強(qiáng)度、韌性好的板條狀馬氏體和粒狀貝氏體，因而具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。當(dāng)下焊接技術(shù)領(lǐng)域中，此種鋼材存在以下焊接難點(diǎn)：HAZ軟化、脆化以及焊接冷裂紋。然而正是由于HG785D鋼板為低合金焊接高強(qiáng)度鋼板，因而其表面變形后不能采用熱校正的方法，否則會(huì)降低板材強(qiáng)度。又因?yàn)镠G785D鋼板具有良好的綜合力學(xué)性能，使其抗變形能力也更強(qiáng)，給板材的冷校平帶來了很大的困難。

表1 化學(xué)成分 Wt%

表2 力學(xué)性能要求 Wt%

2.2 矩形截面梁拼焊技術(shù)要求及焊縫等級(jí)

某型號(hào)臂體結(jié)構(gòu)主要由左右下橫梁、左右上橫梁、左右回轉(zhuǎn)支耳、前支撐、起豎支撐、后支撐以及上下橫梁之間的斜撐等構(gòu)成。其中關(guān)鍵受力件為左右下橫梁和左右上橫梁，該橫梁為矩形截面梁（200mm×100mm）、長(zhǎng)度8～9m、材質(zhì)HG785D、板厚4mm，由于市場(chǎng)上沒有該類材質(zhì)的型材，只能采用鋼板折彎成槽型件后拼焊而成，其拼接位置及坡口要求如圖1所示。

圖1 橫梁截面拼接位置及坡口尺寸

設(shè)計(jì)要求橫梁拼接焊縫等級(jí)為QJ176A—1999《地面設(shè)備熔焊通用技術(shù)條件》中I級(jí)，焊后進(jìn)行100%X射線探傷，且焊后要求橫梁全長(zhǎng)直線度≤3mm。

2.3 焊接接頭缺陷等級(jí)要求

2.3.1 外部缺陷

表3 錯(cuò)邊

QJ176A—1999《地面設(shè)備熔焊通用技術(shù)條件》焊縫接頭缺陷——外部缺陷：錯(cuò)邊、咬邊、未焊透、裂紋、未熔合、焊瘤及電弧擊傷痕跡、表面氣孔、夾渣、夾鎢及夾雜物。其中I級(jí)焊縫不允許存在咬邊、未焊透、裂紋、未熔合、焊瘤及電弧擊傷痕跡、表面氣孔、夾渣、夾鎢及夾雜物，錯(cuò)邊要求如表3所示。

2.3.2 內(nèi)部缺陷

QJ176A—1999《地面設(shè)備熔焊通用技術(shù)條件》焊縫接頭缺陷——內(nèi)部缺陷：裂紋、未熔合、氣孔、夾渣、夾鎢及夾雜物、圓形缺陷等。其中I級(jí)焊縫內(nèi)部不允許存在裂紋、未熔合，內(nèi)部氣孔、夾渣、夾鎢及夾雜物、圓形缺陷等具體要求如表4、表5、表6、表7所示。

表4 焊接接頭內(nèi)部氣孔、夾渣、夾鎢及夾雜物

表5 焊接接頭內(nèi)部細(xì)小密集性氣孔、夾渣、夾鎢及夾雜物

表6 圓形缺陷

表7 缺陷點(diǎn)數(shù)與缺陷直徑換算值

注：透視照片上任何10mm×30mm焊縫區(qū)域內(nèi)各缺陷直徑換算成點(diǎn)數(shù)的總和；圓形缺陷的直徑應(yīng)小于或等于母材厚度的一半，但最大不超過8mm。

2.4 焊接方法及焊材選擇

HG785D根據(jù)其力學(xué)性能及焊接特點(diǎn)，可歸類于低碳調(diào)質(zhì)鋼。根據(jù)相關(guān)焊接技術(shù)及手冊(cè)顯示，低碳調(diào)質(zhì)鋼由于其淬透性大、冷裂紋敏感系數(shù)大，在HAZ的粗晶區(qū)容易形成低碳馬氏體組織，但是該類馬氏體組織的Ms點(diǎn)轉(zhuǎn)變溫度較高，焊縫金屬冷卻過程中，其中生成的馬氏體組織發(fā)生“自回火”效應(yīng)，減小了焊縫金屬的冷裂紋傾向。故低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)存在以下問題。

a.焊后冷裂紋和焊縫金屬韌性下降傾向。產(chǎn)生位置位于HAZ及HAZ的粗晶區(qū)；

b. HAZ軟化或脆化傾向。產(chǎn)生位置位于HAZ受熱源加熱但未完全奧氏體化的區(qū)域，以及當(dāng)HAZ受熱源加熱時(shí)其最高溫度低于Ac1臨界轉(zhuǎn)變溫度線而高于鋼的調(diào)質(zhì)熱處理回火溫度的區(qū)域。

根據(jù)相關(guān)資料分析顯示，HAZ軟化源于母材金屬被加熱到回火溫度至Ac1的溫度區(qū)間，其金屬內(nèi)部碳化物積聚長(zhǎng)大而使鋼材軟化。HAZ的脆化源于焊接冷卻過程中，在800～500℃的區(qū)間溫度內(nèi)，焊縫金屬的冷卻速度過慢而導(dǎo)致焊縫金屬中形成B上組織和M-A的混合脆性組織。

圖2 CO2氣體保護(hù)焊t8/5=11s時(shí)所推薦的預(yù)熱溫度及熱輸入

表8 SLD-80焊絲化學(xué)成分

表9 SLD-80焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

綜合以上因素以及實(shí)際生產(chǎn)能力，按8/5=11s時(shí)所推薦的預(yù)熱溫度及熱輸入，得到焊態(tài)下與母材接近的力學(xué)性能，以及綜合性能及成本要求，采取“等強(qiáng)匹配”原則，焊接方法采用手工鎢極氬弧焊打底+富氬混合氣體保護(hù)焊（氣體配比80%Ar+20%CO2）蓋面的工藝方法，焊絲選用SLD-80（SLD/ZY-GJ-10-36）。該焊絲化學(xué)成分及熔敷金屬力學(xué)性能見表8、表9。

3 焊接工藝參數(shù)選擇

3.1 焊接工藝方法確定

該橫梁工藝流程如圖3所示。研制初期，該橫梁折彎工藝中，考慮到整體折彎后兩槽型件對(duì)扣拼接時(shí)將會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)邊量，拼焊完成后橫梁焊縫質(zhì)量存在風(fēng)險(xiǎn)，槽型件寬度未成形下料。因此為保證槽型件對(duì)扣拼接時(shí)，嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量，槽型件整體折彎后采用機(jī)加工方式加工高度50mm以及兩側(cè)35°坡口，保證對(duì)接面錯(cuò)邊量及直線度等要求。

槽型件對(duì)接組裝時(shí)，采用剛性固定法并在橫梁中間部位焊縫截面上采取反變形措施。由于母材為HG785D高強(qiáng)板，為保證焊縫金屬?gòu)?qiáng)度與母材匹配，焊絲選用山東索立得焊材有限公司生產(chǎn)的SLD-80（SLD/ZY-GJ-10-36）。為驗(yàn)證所選焊接工藝方法的合理性——鎢極氬弧焊打底+富氬混合氣體保護(hù)焊（氣體配比80%Ar+20%CO2）蓋面，增加二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊工藝試驗(yàn)，焊后采用X射線探傷，判定二者焊縫等級(jí)合格率以及焊縫缺陷數(shù)量。

圖3 橫梁工藝流程圖

3.2 焊接試驗(yàn)

經(jīng)過采用兩種焊接工藝方法及焊接設(shè)備——?dú)怏w保護(hù)焊設(shè)備：Panasonic YD-500FR；鎢極氬弧焊設(shè)備：Panasonic YC-400TX，對(duì)橫梁焊縫進(jìn)行施焊，焊后100%外觀質(zhì)量檢測(cè)及X射線探傷檢測(cè)。焊接工藝參數(shù)如表10所示。

表10 焊接工藝參數(shù)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)1

焊接方法：CO2氣體保護(hù)焊；焊縫外觀質(zhì)量：經(jīng)目視及十倍放大鏡檢測(cè)，此焊縫表面成形差，弧坑、咬邊以及飛濺等雜質(zhì)多，焊縫背面成形差，見圖4。X射線檢測(cè)結(jié)果：焊縫根部有未熔合、焊縫內(nèi)部氣孔等缺陷。

圖4 焊縫1

3.2.2 實(shí)驗(yàn)2

焊接方法：鎢極氬弧焊+富氬混合氣體保護(hù)焊（80%Ar+20%CO2）；焊縫外觀質(zhì)量：經(jīng)目視及十倍放大鏡檢測(cè)，由于焊接工藝參數(shù)偏大，焊后焊縫背面燒穿而出現(xiàn)焊瘤、焊縫表面成形差，見圖5。X射線檢測(cè)結(jié)果：焊縫背面存在焊瘤等缺陷，內(nèi)部存有少量氣孔。

圖5 焊縫2

3.3.3 實(shí)驗(yàn)3

圖6 焊縫3

焊接方法：鎢極氬弧焊+富氬混合氣體保護(hù)焊（80%Ar+20%CO2）；焊縫外觀質(zhì)量：經(jīng)目視及十倍放大鏡檢測(cè)，在實(shí)驗(yàn)2的基礎(chǔ)上調(diào)整工藝參數(shù)后，焊縫表面成形優(yōu)良，背面無焊瘤等缺陷，見圖6。X射線檢測(cè)結(jié)果：焊縫符合QJ176A中I級(jí)要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，采用手工鎢極氬弧焊打底+富氬混合氣體保護(hù)焊（氣體配比80%Ar+20%CO2）蓋面的工藝方法能夠保證焊縫質(zhì)量要求，且工藝參數(shù)合理、焊縫成形優(yōu)良。

4 結(jié)束語

通過改進(jìn)焊接工藝方法，合理選擇焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了HG785D高強(qiáng)板超長(zhǎng)矩形截面梁拼接焊縫單面焊雙面成形，有效地解決了該型號(hào)研制生產(chǎn)難點(diǎn)，焊縫等級(jí)達(dá)QJ176A—1999《地面設(shè)備熔焊通用技術(shù)條件》中I級(jí)，焊縫經(jīng)過100%X射線探傷，合格率達(dá)到100%。

1 陳祝年. 焊接工程師手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

2 朱政強(qiáng). 強(qiáng)度匹配對(duì)低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭斷裂行為影響的綜合研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2002

3 伍芳斌. 低合金高強(qiáng)鋼低匹配對(duì)接接頭性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008

4 胡新陽，李紅濤，宋緒丁. HG785D鋼在不同焊接工藝下的焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展研究[J]．熱加工工藝，2015，44(9)：31～33

5 郭寶軍，于鵬，張澤，等. HG785D高強(qiáng)鋼焊接工藝研究[J]. 金屬加工（冷加工），2016(S1)：981～983

6 陳建武. 強(qiáng)度匹配對(duì)HG785鋼焊接接頭力學(xué)性能影響的研究[J]. 熱加工工藝，2016，45(17)：201～204

7 周振豐. 焊接冶金學(xué)（金屬焊接性）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

8 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)·第2卷[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

Experimental Study on Weldability of HG785D Long-high Strength Steel Rectangular Section Beam

Ma Dianxiang Ren Jinping Zhang Zhongyuan Li Chenda Wu Chunde Yang Hui

(Changzhi Qinghua Machinery Factory,Changzhi 046012)

In order to adapt to the structure’s requirement of light-weight and strength, the steel plate is bent to groove part and then welded to the rectangular section beam. By improving the welding technology and welding parameters, the one side welding with back formation is achieved for the rectangular section beam. And the 100% X ray flaw detection showed that the passing rate of one time inspection reached 100%.

HG785D high strength steel；rectangular section beam；one side welding with back formation；rich argon mix gas shielded arc welding

馬殿響（1990），工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：大型結(jié)構(gòu)件焊接及機(jī)械加工工藝研究。

2017-07-31