低合金高强度结构钢焊接性能研究

谭震国 胡庆超

1.概述

随着国内外工程机械的发展，为了减轻工程机械中焊接结构的质量，节约材料和缩短焊接工期，在降低焊接产品结构成本条件下，也能够提高生产效率和使用性能，低合金高强钢就是在这种复杂苛刻的工况要求下逐渐被工程设计部门所采用，使得工程机械的设计逐渐向轻型化、快速化的方向发展，于是低合金高强钢的焊接性能成为了广大工程技术人员及高等院校、科研院所研究的课题。本公司从实际产品中涉及的材料角度出发，重点研究了Q550C+Q550C同级别高强钢,Q550C+Q690D、Q550C+Q345D不同级别高强钢的焊接性。

2.试验材料

本试验研究的母材Q345D、Q550C和Q690D均为低合金高强度结构钢，执行标准为GB/T1591—2008《低合金高强度结构钢》，本试验的母材分别为五矿营口中板有限责任公司生产的控轧态Q345D低合金高强钢、宝山钢铁股份有限公司生产的控轧态Q550C低合金高强钢和舞阳钢铁有限公司生产的调质态Q690D低合金高强钢，其化学成分及力学性能分别如表1～表3所示。

3.焊接性分析及焊接材料的选择

（1）焊接性分析 Q345D、Q550C和Q690D均属于低合金高强度结构钢，现在国内很多钢厂为了提高钢的强韧性及其优良的综合力学性能，在Q550C和Q690D等级的高强钢的成分设计中添加了一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B及Cu等，并且加大了对S、P元素的控制，以便提高钢的淬透性和回火稳定性，正因为如此加大了冷裂纹及脆硬组织出现的几率。从低合金高强钢的焊接性研究出发，其常出现的焊接缺陷主要有冷裂纹、热裂纹、氢致裂纹、脆化和软化。

表1 低合金高强钢化学成分（质量分数） （%）

表2 低合金高强钢力学性能

表3 低合金高强钢焊评中的板厚组合

预热温度的计算：碳当量法，我们常将钢中各自合金元素都按相当于若干含碳量进行折合并累计起来求得碳当量，采用CE或Ceq标识，用CE值来评估冷裂倾向的大小。

根据国际焊接学会（IIW）推荐采用的计算碳当量CE的表达式计算得到Q550C和Q690D低合金高强钢的碳当量CE值分别为0.25%、0.41%。

国际焊接学会（IIW）规定，在碳当量计算公式适用于中、高强度的低合金高强钢，当CE≤0.45%时，焊接板厚＜25mm的板可以不预热，本试验中采用的板厚均≥25mm，所以在焊接工艺中还应采取焊前预热处理。

（2）焊接材料的选择 通过上述主要对Q550C和Q690D低合金高强钢的焊接工艺性分析，为了获得与Q550C和Q690D母材同样的强度及韧性，我们根据等强匹配原则，选择伯合乐焊接技术有限公司生产的实芯焊丝T Union GM 90，按照AWS A5.28标准牌号为ER90S—G，φ1.2mm，此焊丝能够适用于淬火、回火和热加工细晶粒结构钢和高强度的抗蠕变结构钢焊接，焊缝金属具有良好的低温冲击性能；对于低合金高强钢Q345D与Q550C的焊接材料，我们则是按照低强匹配原则，选择的焊材是上海大西洋焊接材料有限责任公司生产的实芯焊丝CHW—50C6SM,按照AWS A5.28标准牌号为70S—6，焊丝T Union GM 90和CHW—50C6SM的化学成分及力学性能分别如表4和表5所示。

4.焊接工艺要点

（1）焊接参数 本试验的焊接方法均采用熔化极气体保护焊，为了保证焊缝无损检测及结合实际产品的坡口形式，本试验采用X形坡口形式。经过前述对低合金高强钢的焊接工艺性有效合理的分析，再加上试验过程中我们不断的调节焊接参数，得出了最佳的焊接参数，如表6所示。

焊接的预热范围为距焊道3倍板厚，且≥75mm，且焊接过程中必须在试板两端加引弧板以保证焊缝质量。

（2）试验结果分析 各种性能试验结果如表7～表9所示。

表4 T Union GM 90焊接材料化学成分

表5 T Union GM 90焊接材料力学性能

表6 各种母材组合下的焊接参数

表7 试板拉伸试验结果（试验标准ASTM E8M—04）

表8 焊接试板弯曲试验结果

表9 冲击试验结果（-20℃）

通过对本试验的焊缝无损检测（MT、UT检测），其中UT标准：GB11345质量等级I级，GB11345检测等级B级；MT标准：GB/T 19418—2003表1中C级；无损检测结果满足标准要求。根据性能试验结果，对于母材Q550C+Q690D的匹配，根据低强匹配原则选用焊材T UnionGM 90；母材Q550C+Q550C的匹配，根据等强匹配原则选用焊材T Union GM 90；母材Q550C+Q345D的匹配，根据低强匹配原则选用焊材CHW—50C6SM，这三组焊接工艺性试验结果均符合试验标准，故证明其焊接工艺是合理的，可以指导产品的实际焊接生产。