雙八千大型起重機臂架用Q690D高強鋼焊接工藝研究

 

    雙八千大型船用起重機是安裝在深水半潛式起重鋪管船上的起重運輸設備，具有起噸位大、工作幅度大、工作速度快、全回轉深水作業等特點。臂架主要由弦杆、腹杆、鉸jiao耳er等deng焊han接jie而er成cheng，是shi主zhu要yao的de受shou力li部bu件jian
，它ta的de焊han接jie質zhi量liang關guan係xi到dao整zheng個ge起qi重zhong機ji的de性xing能neng和he安an全quan。由you於yu低di強qiang度du鋼gang強qiang度du較jiao低di
，要yao想xiang增zeng加jia承cheng載zai能neng力li
，就jiu必bi須xu增zeng加jia板ban材cai的de厚hou度du，這zhe不bu僅jin增zeng加jia了le製zhi造zao過guo程cheng中zhong加jia工gong焊han接jie的de難nan度du和he成cheng本ben，而er且qie增zeng加jia了le起qi重zhong機ji整zheng體ti重zhong量liang。因yin此ci，要yao提ti高gao所suo用yong鋼gang材cai的de強qiang度du來lai達da到dao增zeng加jia承cheng載zai能neng力li的de目mu的de。雙shuang8t大型起重機臂架選用的材料是屈服極限為690MPa的Q690D高強度鋼
，將板材厚度控製在50mm以下
，從而減輕起重機的重量。本文對該高強鋼的焊接性

、peitaohanjiecailiaojihanjiegongyijinxingxiangxiyanjiu
，bingduiqihanjiejietouxingnengjinxingleshiyanhepingding
，yibaozhenghanfengzhiliang
，fangzhiyinhanjieyingliguodaershidehanfenghemucaichanshengliewen。

 

    1Q690焊接工藝研究Q690高gao強qiang度du鋼gang是shi低di碳tan調tiao質zhi鋼gang中zhong的de一yi種zhong。低di碳tan調tiao質zhi鋼gang的de含han碳tan量liang較jiao低di
，在zai設she計ji的de合he金jin係xi統tong中zhong加jia入ru多duo種zhong能neng提ti高gao泮pan透tou性xing的de元yuan素su，以yi取qu得de強qiang化hua和he較jiao高gao禚zhuo性xing的de目mu的de
，同tong時shi也ye兼jian顧gu了le焊han接jie的de要yao求qiu。這zhe類lei鋼gang一yi般ban是shi在zai調tiao質zhi狀zhuang態tai下xia直zhi接jie焊han接jie，焊han後hou不bu再zai做zuo調tiao質zhi熱re處chu理li。盡jin管guan綜zong合he力li學xue性xing能neng比bi較jiao優you越yue
，但dan其qi焊han接jie性xing卻que比bi碳tan鋼gang差cha得de多duo。對dui於yuQ690D高強度鋼的焊接，預熱溫度、焊後保溫溫度及時間如何選擇，經過焊接熱循環後的焊縫、熱影響區組織性能如何分析，焊接接頭的強度'韌性能否達到0標耍求，冷、熱裂紋的傾向如何，與之相匹配的焊接材料如何確定和焊接工藝參數如何優化，這些都是Q690高強鋼焊接存在的難題。

 

    l.i焊han接jie性xing分fen析xi所suo謂wei的de焊han接jie性xing就jiu是shi指zhi材cai料liao在zai指zhi定ding的de製zhi造zao工gong藝yi條tiao件jian下xia，能neng夠gou形xing成cheng完wan整zheng接jie頭tou並bing滿man足zu預yu期qi使shi用yong要yao求qiu的de能neng力li。焊han接jie性xing分fen析xi的de目mu的de是shi在zai於yu查zha明ming選xuan定ding的de材cai料liao在zai指zhi定ding的de焊han接jie工gong藝yi條tiao件jian下xia可ke能neng山shan現xian的de問wen題ti
，以yi確que定ding焊han接jie工gong藝yi的de合he理li性xing或huo者zhe材cai料liao的de改gai進jin方fang向xiang。對duiT-Q690D高強鋼，可以從以下幾個重耍方麵對其焊接性進行間接分析。

 

    由於焊接熱影響醫泮硬及冷裂傾向與鋼材的化學成分有密切關係，因此可利用化學成分間接地評估鋼材的冷裂敏感性。一般是將碳當量（Ceq）作為衡量鋼材冷裂傾向的參數指標。高強鋼的碳當量計算公式如下：Q690D材質證書的微量合金元素成分檢測如表1所示。每塊鋼板的化學成分不可能完全一致，但相差不大。將成分百分數代入1.3Q690D冷裂紋敏感性鋼材冷裂紋敏感性也可以評定鋼材的冷裂傾向大小，用式（2）計算鋼材冷裂敏感性。

 

    為熔敷金屬中的擴散氫含量

，mL/100g；i為拘束度，MPa.當PHT>0時
，即有產生裂紋的可能性。從Q690D母材成分中可以計算得知：當戶為0.304時，有冷裂紋產生。

 

    以下措施可以降低冷裂紋的發生：氫是引起高強鋼冷裂的主要原因，焊接接頭中的氫含量越高，產生裂紋的傾向就越大。焊接材料中的水分，焊件坡口處的鐵鏽、油汙及環境的濕度是焊縫中富氫的原因。所以
，一定要保證焊接坡口及焊材幹淨
、幹燥。

 

    盡量減小拘束度及合理安排焊道次序，降低焊縫金屬的殘餘應力。

 

    通過冷裂紋敏感性公式可以計算出需耍達到的預熱溫度r：用丁評估鋼材熱裂敏感性的公式如下：當//CS4時
，一般不會產生熱裂紋。/ffC越大

，鋼材熱裂紋敏感性越高。計算Q690D高強鋼熱裂紋敏感性大小為丨。13
，所以一般不會產生熱裂紋。

 

    1.5焊接工藝試驗焊接方法及坡口S前所有的焊接方法均適用於高強鋼。本文針對高強鋼Q690D，研究了焊接方法為GMAW的焊接工藝。焊接位置為平焊1G，母材厚度為25mm
，采用20%C02+80%Ar氣體保護，焊接接頭的坡口結構如所示。

 

    焊材選杼選焊材必須為低氫焊材
，焊縫金屬的氫含量必須S5mL/100g.建議在焊接時，根焊道選用低強匹配的焊材
，填充及蓋麵選W等強匹配或高強匹配焊材。

 

    根焊道的焊絲或焊條的直徑盡量小，可以控製焊道成型，並控製熱輸入，改善HAZ性能。

 

    對於本次焊接試驗，選用的焊材規格及其力學性能如表3和表4所示。

 

    表3所選焊材規格選項規格焊接方法焊接材料表4所選焊材熔敷金屬力學性能性能屈服強度/MPa拉伸強度/MPa延伸率/%衝擊功Avg/1.6焊han接jie工gong藝yi參can數shu焊han接jie過guo程cheng中zhong，控kong製zhi焊han接jie熱re輸shu入ru，利li於yu控kong製zhi熔rong池chi形xing狀zhuang

，降jiang低di缺que陷xian幾ji率lv，減jian小xiao變bian形xing，並bing能neng夠gou細xi化hua晶jing粒li
，改gai善shan焊han縫feng微wei觀guan組zu織zhi。本ben次ci試shi驗yan的de相xiang關guan焊han接jie工gong藝yi參can數shu如ru表biao5所示。

 

    表5焊接工藝參數部位電流/A電壓/V焊接速度/（mm/min）熱效率打底填充蓋麵1.7預(yu)熱(re)及(ji)層(ceng)間(jian)溫(wen)度(du)預(yu)熱(re)的(de)目(mu)的(de)是(shi)為(wei)了(le)防(fang)止(zhi)焊(han)縫(feng)金(jin)屬(shu)產(chan)生(sheng)裂(lie)紋(wen)及(ji)加(jia)快(kuai)氫(qing)的(de)擴(kuo)散(san)，改(gai)善(shan)母(mu)材(cai)的(de)可(ke)焊(han)性(xing)。預(yu)熱(re)溫(wen)度(du)隨(sui)著(zhe)板(ban)厚(hou)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)厚(hou)板(ban)冷(leng)卻(que)更(geng)快(kuai)及(ji)厚(hou)板(ban)的(de)碳(tan)當(dang)量(liang)略(lve)篼(dou)於(yu)薄(bo)板(ban)。如(ru)果(guo)大(da)氣(qi)濕(shi)度(du)過(guo)大(da)或(huo)者(zhe)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)低(di)於(yu)5°C
，則預熱溫度要比原預熱溫度高出25°C.如果焊接構件被剛性約束，預熱溫度也要相應地提高。特別要注意的是，在組對及定位焊時，焊件的溫度同樣也要達到*低預熱溫度值，並且，在焊接組對過程中，時刻監測焊件的溫度。如果在焊接過程中發現焊件的溫度低於規定的*低預熱溫度，則必須停止組對，重新預熱焊件至*低預熱溫度
，方才可繼續進行焊接。

 

    本次焊接試驗規定所有母材的預熱溫度必須在130150"C

，方可施焊。*大層間溫度150°C.1.8焊後加熱保溫焊接完畢後
，必須立即進行焊接接頭的焊後加熱保溫。焊後加熱保溫有利於焊縫中氫的散逸。保溫時間至少為厚度方向上3min/mm，且總時間不低於一個小時。

 

    預熱與焊後保溫的溫度越高，越有利於焊縫金屬中氫的擴散。保溫溫度控製在20025CTC.1.9其他事項高強鋼焊接過程中，還要注意以下幾點：高強鋼焊接過程中，如果熱輸入過大或者冷卻速度較低
，在焊接熱影響區易發生軟化或者脆化現象：若冷卻速度較快
，焊接熱影響區易產生淬硬組織
，出現冷裂紋和性下降的現象。所以
，要嚴格控製焊接參數，並製定若幹緩冷措施。

 

    母材的切割和坡口製備可以用火焰切割，但是也必須預熱
，具體溫度要視板厚決定，*小預熱溫度不低於115°C.組對時
，要嚴格控製根部間隙為4mm，鈍邊為12mm.這是因為，根部間隙為4mm有利於背部焊道成型

，背麵成型焊道高度要控製在2mm左右，而且不能有咬邊。焊接過程中，一旦出現咬邊，或者餘高過高，則必須打磨並重新焊接。

 

    焊材使用必須防止受潮，盡量避免使用過程中吸氫。

 

    1.10試驗結果根據以上所述，進行了焊接工藝試驗。焊後對焊接試件進行了無損檢測
、宏觀腐蝕檢測、力學性能測試等。試驗結果如下。

 

    1.11外觀、無損及宏觀腐蝕檢測按照標準AWSD1.1，進行VT
、MT
、UT三種無損檢測，檢測結果表明，焊縫外觀均勻美觀
，成型良好
，並且無表麵氣孔

、咬邊、夾渣、裂紋等缺陷
，焊縫金屬內部不存在夾渣、未熔合

、未(wei)焊(han)透(tou)及(ji)裂(lie)紋(wen)等(deng)缺(que)陷(xian)，外(wai)觀(guan)及(ji)無(wu)損(sun)檢(jian)測(ce)合(he)格(ge)。經(jing)腐(fu)蝕(shi)和(he)用(yong)肉(rou)眼(yan)觀(guan)察(cha)焊(han)縫(feng)及(ji)熱(re)影(ying)響(xiang)區(qu)橫(heng)截(jie)麵(mian)，焊(han)縫(feng)金(jin)屬(shu)與(yu)母(mu)材(cai)完(wan)全(quan)熔(rong)合(he)
，並(bing)且(qie)經(jing)測(ce)試(shi)
，焊(han)縫(feng)焊(han)根(gen)及(ji)餘(yu)高(gao)均(jun)符(fu)合(he)標(biao)準(zhun)，測(ce)試(shi)結(jie)果(guo)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)。

 

    1.12力學性能測試拉伸試驗是應用*廣泛的力學性能試驗方法之一
，通過拉伸試驗可標定焊接接頭*基本力學性能指標如屈服強度、抗拉強度、延伸率等，這些性能指標是評定材料及其焊接接頭性能的重要依據。試樣拉伸後如所示，拉伸性能如表6所示。

 

    測試結果顯示
，試樣斷裂丁-母材。這表明焊縫拉伸強度等於或高丁-母材，有更高的抗拉強度
，滿足高強匹配的要求
，拉伸性能符合要求。因此

，本次試驗的焊接規範是合理的。

 

    表6縮減截麵試樣拉伸性能測試結果試樣編號寬度/mm厚度/mm斷裂載荷/kN拉伸強度/MPa斷裂位置母材彎曲測試的壓頭直徑為40mm，彎曲角度為180°，彎曲試驗數據如表7所示。在彎曲後的試樣中，1號試樣出現1.65mm的裂紋
，如所示；2號和3號試樣完好無裂紋。對照GB/T232-1999標準，三個試樣的測試結果全部滿足要求。

 

    表7焊接接頭彎曲試驗結果焊縫編號工況側彎1.65mm裂紋一條側彎完好，無裂紋側彎完好，無裂紋°C
，測試結果如表8所示。試樣的衝擊功值符合標準的要求。

 

    表8衝擊性能測試結果編號測試位置測試值1測試值2測試值3均值焊縫中心線熔合線培合線+2mm溶合線+5mm根部焊縫中心線根部熔合線根部你合線+2mm根部培合線+5mm對浸蝕過的測試材料加10g載荷測試其顯微硬度。測試方向由母材一側向焊縫中心測試
，分別測試根焊區和填充區硬度
，測試值為材料的維氏硬度（HV）。硬度測試采用維氏硬度計
，載荷為lkg，硬度測試點的位置如所示，測試結果如表9所示。

 

    表9硬度測試結果（HV）為(wei)便(bian)於(yu)觀(guan)察(cha)，將(jiang)測(ce)試(shi)的(de)硬(ying)度(du)值(zhi)描(miao)於(yu)坐(zuo)標(biao)係(xi)中(zhong)，如(ru)所(suo)示(shi)。從(cong)圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，焊(han)接(jie)接(jie)頭(tou)中(zhong)，從(cong)焊(han)縫(feng)中(zhong)心(xin)到(dao)母(mu)材(cai)這(zhe)段(duan)距(ju)離(li)內(nei)

，不(bu)同(tong)位(wei)置(zhi)的(de)維(wei)氏(shi)硬(ying)度(du)時(shi)高(gao)時(shi)低(di)，呈(cheng)波(bo)浪(lang)式(shi)變(bian)化(hua)。熔(rong)合(he)線(xian)處(chu)一(yi)邊(bian)是(shi)溫(wen)度(du)較(jiao)低(di)的(de)母(mu)材(cai)，一(yi)邊(bian)是(shi)溫(wen)度(du)較(jiao)高(gao)的(de)熔(rong)池(chi)金(jin)屬(shu)，存(cun)在(zai)較(jiao)大(da)的(de)溫(wen)度(du)梯(ti)度(du)和(he)過(guo)冷(leng)度(du)

，使(shi)得(de)該(gai)處(chu)組(zu)織(zhi)比(bi)焊(han)縫(feng)其(qi)它(ta)位(wei)置(zhi)組(zu)織(zhi)細(xi)小(xiao)、致密
，且細晶強化作用明顯
，表現出較高的硬度。但整體來看
，各位置的硬度值均在350HV以下，滿足H2S應力腐蝕的硬度要求。

 

    2結語通過對GMAW焊接方法的Q690D高強鋼的焊接工藝進行試驗及評定
，結果表明：通過計算，表明Q690D高強鋼焊接熱影響區有較強的淬硬傾向。為防止冷裂紋的產生，預熱溫度應不低於150°C.研究的焊接工藝通過了無損檢測和宏觀腐蝕測試
，焊縫外觀均勻美觀
，成型良好
，焊縫金屬內部不存在夾澄、未熔合
、weihantoujiliewendengquexian，waiguanjiwusunjiancehege。jingfushiheyongrouyanguanchahanfengjireyingxiangquhengjiemian，hanfengjinshuyumucaiwanquanpeihe，bingqiejingceshi，hanfenghangenjiyugaojunfuhebiaozhun，ceshijieguomanzuyaoqiu。

 

    接頭的力學性能測試，結果表明焊接接頭的綜合力學性能良好
，能夠滿足雙八千大型起重機臂架的設計和使用要求。

 

    焊接試驗結果顯示，接頭中未發現冷裂及熱裂現象，表明預熱及焊後保溫溫度製定合理。

 

    綜上所述，對於雙八千大型起重機臂架用Q6卯D高(gao)強(qiang)鋼(gang)焊(han)接(jie)工(gong)藝(yi)研(yan)究(jiu)己(ji)獲(huo)得(de)成(cheng)功(gong)，無(wu)論(lun)力(li)學(xue)性(xing)能(neng)還(hai)是(shi)耐(nai)腐(fu)蝕(shi)性(xing)

，均(jun)能(neng)滿(man)足(zu)設(she)計(ji)和(he)使(shi)用(yong)要(yao)求(qiu)，而(er)且(qie)控(kong)製(zhi)了(le)起(qi)重(zhong)臂(bi)的(de)自(zi)重(zhong)變(bian)形(xing)和(he)焊(han)接(jie)變(bian)形(xing)
，在(zai)減(jian)輕(qing)整(zheng)機(ji)重(zhong)量(liang)的(de)同(tong)時(shi)保(bao)證(zheng)了(le)整(zheng)機(ji)的(de)製(zhi)造(zao)質(zhi)量(liang)。