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由于企業不斷降低結構自重、提高承載能力的需要，低合金高強度鋼在各個工礦器械的選擇上，成為一大熱點產品，越來越受到重視。近年來屈服強度大于 800MPa超高強度鋼在國內的工程機械上被普遍采用,以滿足工程機械向大型化、輕量化、高效能化方向發展的需求。由于超高強鋼合金系統復雜、淬硬性較大,焊接時容易產生冷裂紋;此外超高強鋼強度級別高,焊接過程中容易導致包括焊接熱影響區在內的焊接接頭脆化。因此防止焊接冷裂紋產生、確保焊接接頭具有優良的力學性能是該系列鋼材的焊接技術關鍵。

1.焊接材料的選擇和匹配

超高強度鋼由于強度提高,鋼材塑性、韌性相應下降。如果仍采用等強原則,選用高組配的焊接接頭,焊縫的韌性不容易保證,將可能導致由于焊縫金屬韌性不足引起低應力脆性破壞。因此高強鋼焊接應采用等韌性原則,選擇焊縫韌性不低于基體金屬的低組配焊接接頭比較合理。采用低強的焊縫金屬并不總是意味著焊接接頭的強度一定低于母材。根據多年來的焊接接頭力學性能試驗經驗,只要焊縫金屬的強度不低于母材的87%,仍可保證接頭與母材等強。

當焊接較厚的超高強度鋼板材時,在焊縫的不同部位應匹配不同強度級別的焊接材料。即:根部焊道采用低強度焊材打底,填充與蓋面焊道采用高強度焊材;對角焊而言通常采用低強焊材。選用低強焊接材料比選擇高強焊接材料的優點在于:焊縫金屬的塑韌性儲備大、焊接接頭延伸性能好,使接頭產生裂紋的可能性減小。

超高強鋼焊接時應選用低氫焊接材料,熔敷金屬的含氫量應不超過5 ml/100 g(水銀法),以盡量減少焊接過程中由焊接材料帶入焊接接頭的氫含量。同時為了避免吸潮,焊接材料應根據規定進行儲存,使用前按要求重新烘焙。

2.預熱溫度的確定

實際焊接過程中應特別重視對超高強度鋼對接焊縫和根部焊道的預熱。鋼板越厚,預熱的必要性越大。預熱溫度與鋼板的當量板厚相關,此外,預熱溫度應根據實際情況進行相應調整:

(1)如果環境濕度大或溫度低于5℃ ,則預熱溫度應再增加25℃ ;如果工件屬剛性固定,預熱溫度也應相應增加;

(2)在當量板厚小于極限值,工件溫度低于5℃或空氣濕度大于65%時,應將工件預熱至50～ 80℃。

3.焊接熱輸入控制

焊接熱輸入量的變化將改變焊接冷卻速度,從而影響焊縫金屬及熱影響區的組織組成,并終影響焊接接頭的力學性能及抗裂性。為了避免超高強鋼焊接時產生焊接冷裂紋和焊縫熱影響區韌性的降低,必須嚴格控制焊接熱輸入量,控制焊接冷卻速度以得到理想的焊縫及焊接熱影響區金相組織。冷卻時間t8 /5是決定焊后超強鋼的性能和焊接接頭性能的一個重要參數,冷卻時間主要取決于焊接熱輸入、預熱或層間溫度。為了確保超強鋼的性能不會因為焊接過程中過大的熱輸入量而削弱,必須對冷卻時間設定上限;另一方面,如果冷卻太快,會造成熱影響區產生脆硬組織,并且阻止氫的排除,導致冷裂紋的產生,所以也必須對冷卻時間的下限進行設定。

根據各種超強鋼的不同特性,確定合理的冷卻時間,這樣在保證焊接熱影響區性能的同時也能夠有效阻止冷裂紋的出現,從而確保焊接接頭的質量。

4.其它工藝措施

(1)確保焊接面的清潔和干燥。產生冷裂紋的主要原因是有應力存在的焊縫金屬中有氫的存在。焊件在組裝前應徹底清理坡口表面及附近母材上的氧化皮,鐵銹、油污、水分等,直至露出金屬光澤并保證清理范圍內無裂紋與夾層等缺陷。

(2)減小構件內應力。采用合理的焊接順序進行裝焊,避免強力組對以減少構件的殘余應力;焊接組裝時應將工件壓緊或墊置牢固,以防止因焊接受熱而產生附加的應力和變形。

(3)焊后消氫處理。在焊接完成后,立即將焊件后熱到150～ 250℃ ,并按每毫米板厚不少于5 min進行恒溫處理后緩冷(且總的恒溫時間不得小于1 h),確保焊接接頭中的殘余氫能擴散逸出,減少延遲冷裂紋的產生。

(4)焊后熱處理。進行焊后熱處理是為了減少焊接殘余應力,高強鋼焊后一般不進行焊后熱處理,熱處理會使接頭的某些力學性能下降,如:沖擊韌度等。只有在設計規則有特殊說明時,方應進行焊后熱處理。但應注意其焊后熱處理溫度不能超過其調質回火溫度。

5.結論

雖然超高強度鋼結構的制作存在一定的工藝難度，但是這也不是不能克服的，我們需要合理的正確的選擇焊接方法和工藝參數，加強焊接與制作過程質量的控制,完全能制造出高質量的超高強鋼結構件。