起重机车架用Q345B/HG785D钢板焊接实验研究

齐鹏远, 刘家奇, 王 刚, 刘相华

(1. 东北大学 材料科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110819; 2. 营口理工学院 材料科学与工程系, 辽宁 营口 115014; 3. 北汽越野车研究院 试制部, 北京 101300)

工程机械中汽车起重机车架后段为箱体焊接结构,焊接工艺复杂;工作过程中在动态外载荷的震动、交变载荷、疲劳等因素的影响下,车架部件遭受破坏的危险常位于工作载荷大、应力集中的部位.长时间高负荷工作条件下,车架纵向主焊缝容易开裂[1-3];该部位大量使用Q345B钢和HG785D高强钢,多采用单面焊双面成形工艺,同种和异种焊缝接头数量多,焊缝长,焊接质量对整体结构可靠性的影响很大[4-6].

为了提高焊接接头质量,本文对起重机车架用Q345B与HG785D异种钢板焊接接头在不同焊接热输入工艺条件下,从力学性能、弯曲特性及金相组织的分析中得出最佳焊接工艺条件,为制定汽车起重机车架用Q345B/HG785D异种钢板焊接工艺规程提供依据.

1 实验方法

通过实验分析车架后段隔板与侧板、侧板与顶盖外侧单面焊焊缝等焊接工艺的合理性.

1.1 实验母材

母材为8 mm厚异种材质的钢板,其中Q345B化学成分为:wC≤0.2,wSi≤0.50,wMn≤1.7,wP≤0.035,wS≤0.035,wV≤0.15,Fe 余量;HG785D的化学成分为:wC≤0.12,wSi≤0.4,wMn≤1.8,wP≤0.025,wS≤0.015,wN≤0.75,wCr≤0.7,Fe余量.

1.2 焊接材料及保护气氛

选用φ1.2 mm的ER50-6型焊丝,化学成分为:wC0.06～0.15,wMn1.40～1.85,wSi0.80～1.15,wS≤0.035,wP≤0.025,wCu≤0.050,Fe余量.采用MAG焊法,多层多道焊的焊前层间做清理,背面不清根;保护气氛用80%Ar+20%CO2,流量为15～20 L/min.

1.3 焊接接头

钢板焊接接头采用Y型坡口,钝边1 mm,间隙2 mm;采用两层三道进行焊接,一层打底焊,两层填充盖面焊,如图1所示.钢板采用激光切割下料,钢板表面和切口不允许存在裂纹、分层、夹杂和氧化皮,不允许存在超过偏差的麻点、压痕和麻纹等,用铣边机XB-9开坡口.

1.4 焊接实验

按照表1中不同焊接工艺条件进行实验,单面焊接、双面成形,焊接根部必须熔透,同时保证不开裂.

1.5 试样取样方式

按照《JB 4708—2000 钢制压力容器焊接工艺评定》要求,在对接焊缝试板上截取试样,位置见图2.

表1 Q345B与HG785D钢板焊接工艺条件Table 1 Butt welding process conditions for Q345B/HG785D steel plates

2 实验结果及分析

2.1 外观及无损检测

在4种焊接工艺条件(见表1)下,焊接试件焊缝成形均较好,表面无气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷.按照《JB/T 4730.2—2005承压设备无损检测 第2部分:射线检测》进行射线探伤检验,焊缝均为I级,符合评定要求.

2.2 力学和弯曲性能实验

1) 拉伸实验:在室温下,按照GB/T 228.1—2010对各焊接工艺条件下的试样进行拉伸实验,结果见图3.

由图3可知,在各焊接实验条件下,异种钢板焊接接头的抗拉强度均高于强度较低侧Q345B母材规定值的下限值(470 MPa),说明焊接接头强度均符合要求;试件断裂位置在Q345B母材侧,说明焊接接头室温静抗拉强度大于母材室温静抗拉强度,符合评定要求.在实验编号2焊接工艺条件下Q345B/HG785D钢板焊接接头拉伸性能最佳.

2) 冲击实验:按照GB/T 2650—2008在各焊接工艺条件下进行冲击实验,焊缝和热影响区(Q345B母材侧、HG785D母材侧)各取3个试样,实验结果见图4.

由图4a可知,各组实验中热影响区(Q345B母材侧)冲击功均大于国标要求(>27 J,允许一个试样>18.9 J),韧性满足要求.由图4c可知,各组实验中焊缝区的冲击功均满足国标要求,焊缝区韧性均满足使用要求.由图4b可知,在实验1(焊接电流140～200 A)和实验3(焊接电流170～250 A)中,不采用预热及后热处理,试样热影响区(HG785D母材侧)的冲击功不满足国标要求, 其韧性不符合要求;原因如下:HG785D为低合金高强钢,焊后在较大冷却速度下易在热影响区出现低塑性脆硬组织,容易产生氢脆,导致裂纹(冷裂纹),从而降低热影响区韧性[7-9].实验2(140～200 A,预热、后热)的试样性能明显优于实验4(170～250 A,预热、后热)的试样性能,且随着焊接线能量的增大,实验4容易造成接头和热影响区组织过热,产生过热组织并脆化,从而降低焊缝和热影响区韧性,因此焊接时应严格控制热输入.

3) 弯曲实验:按照GB/T 2653—2008在室温下进行弯曲实验,每种焊接实验条件下各取4个弯曲试样(2个正面弯曲、2个背面弯曲).虽然焊接实验中采用单面焊接,但由于背面有衬板的作用,托住了根部熔池,因此背面成形良好.在各弯曲实验中,正弯和背弯试样均符合国标要求(无肉眼可见3 mm裂纹),表明焊接接头完好性(连续性、致密性)和塑性均满足使用要求.

2.3 焊接接头组织分析

通过上述力学及弯曲性能实验,可知实验2工艺条件下试样检测结果最优.为进一步分析实验2工艺条件的适用性,对其焊接接头组织分析如下.

图5为焊缝区显微组织,可以看出有大量细小的铁素体和少量珠光体组织存在,同时伴有大块状先共析铁素体和少量侧板条铁素体；由此可知,由于加热温度低于1 100 ℃,奥氏体晶粒尚未明显长大[10-11],随着空气冷却后得到细小铁素体和少量珠光体组织.

图6为HG785D母材侧过热区:铁素体和珠光体晶粒明显粗大,晶内某些部位出现针状铁素体及少量的贝氏体组织,图中黑灰色为珠光体区.在焊接热循环的影响下,焊接接头过热区温度在固相线至1 100 ℃之间,奥氏体晶粒显著长大,冷却后得到晶粒粗大的过热组织.

HG785D母材不完全相变区组织如图7所示.近HG785D母材侧金属在加热温度超过Ac1(727 ℃)时,珠光体组织开始奥氏体化,形成细小的奥氏体组织,经冷却重结晶后转变为细小铁素体和珠光体组织;该区域受热温度低,冷却速度快,尽管铁素体尚未发生奥氏体转变,但在焊接热循环影响下,形成了较为粗大的铁素体组织.最终HG785D母材不完全相变区组织由细小的铁素体、珠光体组织和未发生相变的粗大铁素体组成,导致该区域晶粒尺寸不均匀,力学性能表现也较差.由金相检查可知,焊缝各区域金相组织正常,未发现粗大魏氏组织等不良缺陷,符合评定要求.

3 结 论

1) 在本实验参数范围内,异种钢板端头对焊的焊接电流越小,焊接接头强度越高,焊接电流由170～250 A降低到140～200 A时,抗拉强度均值可由498.8 MPa提高到552.5 MPa.

2) 焊前预热、焊后缓冷热处理可减少焊接接头淬硬组织的出现,提高焊接热影响区韧性.

3) 采用焊接电流140～200 A、电压22～24 V、焊接速度28 cm/min,进行焊前预热和焊后缓冷热处理,焊材选用ER50-6φ1.2 mm焊丝进行多层多道次对接焊工艺,可得到最佳焊接性能.