S690QL高强钢横焊埋弧焊工艺研究及硬度降低方法

■ 付伟龙

扫码了解更多

1. 概述

桅杆式起重机是海洋工程起重机之一。该桅杆由多个筒体环缝焊接。当筒体直径较小时，环缝可以采用平焊焊接，随着起重能力的提高，筒体的直径和壁厚随之增加，无法采用平焊焊接。由于我公司承接了一台5000t的起重机，筒体壁厚65mm， 直径10m。横焊埋弧焊的方法被首次引入生产中，如图1所示。

埋弧焊通常采用平焊，熔化的铁液在重力的作用，能够理想的熔入焊缝坡口。而横焊埋弧焊面临着铁液下趟，易产生未熔合的风险。

公司承接的起重机桅杆采用S690QL的材料，屈服强度为690MPa，要求的冲击温度为-40℃。该钢材的使用有助于减轻起重机的自重。但是新钢材，新工艺给焊接过程带来巨大的挑战。根据项目要求，该焊接执行美国焊接学会AWS D1.1和英国劳氏船级社（LR）的标准。

图1 筒体埋弧焊横焊

2. 焊接工艺

（1）焊接性分析 S690QL属于低合金高强钢，钢板的交货状态是淬火加回火，其化学成分及力学性能如表1和表2所示。

（2）焊材的选择 焊接材料的选择除了要考虑与钢材强度，韧性等性能相匹配外，还要尽量减少焊缝中扩散氢含量，保证接头冲击韧性，减少裂纹的倾向。为此焊材的选定必须为低氢，扩散氢的含量为H5（≤5mL/100mg）。

结合以往的经验，打底焊材选择Stein 品牌Megafil 742M（φ1.2mm），填充和盖面采用Topcore 742B（φ4.0）匹配ST 55焊剂。Megafil 742M 焊材型号为E110C—G ， Topcore 742B 型号为F11A8—EC—F5，Topcore 742B为药芯埋弧焊丝，因为药剂的作用，可以达到-60℃的冲击性能。

（3）预热温度的确定 预热温度参照AWS D1.1 的附件来选择。首先计算Pcm（焊接冷裂纹敏感指数）的含量。本测试工艺Pcm=0.29。其次根据焊材含氢量选择对应的敏感度指数分类。本试验由于海工环境的要求，选择低氢焊丝（H1组类）。确定敏感度指数分组为D组。再次根据拘束度及板厚确定预热温度为130℃。本试验选择中等等级拘束度。

（4）坡口的设计 筒体对接，埋弧焊平焊通常采用双V形坡口（X坡口）。如果该坡口用于横焊埋弧焊，面临着焊接工作量较大，铁液容易下趟，焊剂堆积过量的问题。为此将坡口改进为K形坡口，测试中发现埋弧焊导电杆容易和焊缝底部产生短路。最终选择坡口设计如图2所示。坡口预留3～5mm 的间隙，上部45°坡口，底部预留15°坡口。根部采用陶瓷衬垫打底。

（5）焊接参数及热输入 横焊的焊接参数值略小于平焊的参数。因此根据焊材材质书的参数，稍微调小，得到理想的焊缝成形。焊接参数如表3所示。参照钢板制造商的介绍，S690QL 的最大热输入不应超过2.5kJ/mm。

3. 理化试验标准及结果

（1）理化试验标准 依据船级社LR和AWS D1.1 的要求，试验项目包括横向拉伸，侧向弯曲，低温冲击，宏观及硬度。

（2）试验项目及结果 首先，完工的焊缝进行外观检测，达到ISO5817—B级标准。其次，待焊缝冷却48h后，进行磁粉检测和超声波检测，无超标缺陷，尤其是不可以产生裂纹。再次，试板送理化试验测试。接头拉伸、弯曲、冲击测试结果如表4～表6所示。理化试验都达到标准的规定要求。

硬度检测示意如图3所示，宏观照片如图4所示，接头硬度测试值如表7所示。

图2 坡口设计

图3 硬度检测示意

表1 S690QL1钢板化学成分（质量分数） （%）

表2 S690QL1钢板力学性能

表3 焊接参数

4. 硬度值分析及回火焊道

从硬度值可以看出以下几个规律。

（1）从钢板厚度方向上，根部的硬度比钢板的表面硬度低，这得益于后续焊道对根部焊道的反复热处理。

（2）同一个厚度上，热影响区硬度值高于母材及焊缝区域。

（3）焊缝表面，最后一道热影响区比第一道热影响区硬度高25HV10，这是由于最后一道焊缝没有后续焊道的回火处理。

为了降低最后一道热影响区的硬度，特调整盖面的焊道顺序，采用回火焊道（见图5）。改进后的第7道焊缝不在母材边缘，它给第6道焊缝进行回火。第6道焊缝热影响区的硬度通过第7道的回火作用得到降低。通过额外的工艺测试，发现该焊道排布对焊缝内部力学性能没有影响，但明显降低了表面的热影响区硬度。

该回火焊道的方法被广泛用于高强钢的焊接。对于平焊、立焊和仰焊，可采用从两侧往中间焊接的方法，其硬度降低的效果比横焊更明显（见图6）。

5. 结语

试验验证了横焊埋弧焊适用于S690QL的可行性。通过采用合适的预热温度、焊接参数、焊材及回火焊道等措施，取得了良好的焊接效果。

图4 宏观照片

表4 横向拉伸性能

表5 横向弯曲性能

表6 焊接接头冲击性能

表7 接头硬度测试（≤420HV10合格）

图5 横焊的回火焊道

图6 改进的盖面顺序