高强钢EQ56和EH36焊接工艺

2. 实验方法
本文选择低合金超高强度钢EQ56和高强度钢EH36作为试验材料，采用FCAW-G（药芯 焊丝CO2气体保护焊）和SMAW（药皮焊条手工电弧焊）2种不同的焊接工艺对两种材料进 行施焊，分析不同焊接工艺对焊缝金属、热影响区以及母材金属组织和性能的影响。
2.1 试验材料
试板为鞍钢集团新轧钢股份有限公司生产的TMCP钢板, EQ56钢板25.5×2800×9600mm 和EH36钢板40×3200×12000mm，并加工成EQ56钢板25.5×400×1000和EH36钢板 25.5×400×1000的试板若干，试板的化学成分见表2-1及力学性能见表2-2所示。
1. 引言
随着材料科学和工程技术的发展，现代结构材料对焊接质量的要求越来越高。研究表明， 不同的焊接工艺对焊接接头的内部晶粒结构有显著影响，从而影响焊缝金属的强度等性能， 细小的等轴晶能减少结晶裂纹、提高力学性能(如强度、韧性、硬度、疲劳寿命等)。因此， 制定最佳的焊接工艺，控制焊接接头的性能和内部组织成为人们研究的热点。在研究同种钢 焊接的同时，人们也在不断的研究异种钢之间的焊接，在很多领域都会涉及到焊接问题，特 别在造船和海洋平台行业对钢材的焊接有着更高的要求。众所周知，焊接是造船和海洋平台 的关键技术，焊接接头的好坏直接影响整个船体的质量[1]，焊接接头的性能和组织变化也 使众多结构工作者关注的焦点。但高强钢对应力敏感性很大，这给焊接带来很大问题。HAZ 硬度是确定焊接性的重要指标，从某种意义上讲HAZ 最高硬度代表了冷裂纹的倾向性。热 影区中硬度主要取决于化学成分和焊接条件（碳当量和t8/5）。对于EQ56和EH36这样的低 合金超高强钢和高强钢来说，在小线能量焊接时，还会出现脆硬组织进而裂纹倾向性增加。 其最高硬度出现在或靠近熔合线附近的CGHAZ（热影响区粗晶区），裂纹也常在此区产生。 母材中的化学成分，扩散氢含量，线能量，接头拘束，环境温度等因素都会引发氢裂纹[2]。 目前在船厂使用的超高强钢和高强钢基本都是TMCP （Thermo Mechanical Control Process： 热机械控制工艺）钢，按以往碳当量公式及硬度指数进行计算应该不预热即可满足焊接工艺 要求，但此类新的低碳类合金高强钢在直接焊接后却存在着种种问题及缺陷[3]。
图3-2 RT探伤照片（有少量气孔） Fig.3-2 The picture of RT (air hole)
由图3-1和3-2所知，工艺Ⅰ焊缝在进行RT探伤时没有出现缺陷，而工艺Ⅱ中却出现了一 定数量的气孔，焊缝金属中气孔产生的根本原因是在焊接电弧高温下大量溶解于熔滴和熔池 金属的气体原子在熔池结晶时，由于溶解度的突然下降，使得气体原子处于过饱和状态，反 应生成的气体分子由于不溶于金属而在液态金属中形成气泡。当气泡向外逸出的速度小于熔 池的结晶速度时，就在焊缝中形成了气孔。如图3-2所示，在工艺Ⅱ的焊缝中产生的气孔主 要是冶金反应引起的CO气孔，而不是氢气孔，主要是由于所选用的CHE58-1焊条为铁粉低 氢型（碱性）焊条，其中常含有一定的碳酸盐，加热时分解出HF和CO2气体，减少了焊缝的 含氢量，在一定程度上具有防止氢气孔的作用，但在工艺Ⅱ中由于焊接电流达到了180～ 190A，从而使药皮中的碳酸盐提前分解，且分解具有高氧化性的CO2不能被充分还原，产生 了少量的CO气孔。
3.2 金相试验结果与分析
不同焊接工艺的焊缝金相试验结果如图3-3到图3-4所示, 焊接热影响区EQ56侧和EH36 侧的显微组织如图3-5和图3-6所示。高强钢焊接接头的金相组织与钢的工艺焊接性和使用焊
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接性有密切的关系，由于超高强钢EQ56和高强钢EH36中含有Nb、Ni、Mn、Cr等合金元素， 不仅直接影响了焊缝金属一次结晶组织和热影响区的晶粒大小，而且还影响固态下的相变， 这些合金元素使得焊接连续冷却曲线（CCT图）向右平移，而贝氏体转变部分向左突出，从 而使焊缝组织比较复杂。

高强钢 EQ56 和 EH36 焊接工艺
李刚，张涛，相珺
辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，辽宁阜新 (123000)
E-mail：zhangtao6510337@
摘 要：本文通过对 EQ56 和 EH36 之间的焊接性进行分析，以及对 EQ56 和 EH36 之间进 行焊接工艺评定试验，分析了不同的焊接工艺对焊缝金属、热影响区和母材金属组织和性能 的影响。试验结果表明，EQ56 和 EH36 焊接接头的性能均能满足要求。不同焊接工艺对接 头低温冲击性能和热影响区的硬度影响较大，而对接头强度和抗裂性能影响不大。 关键词：超高强度钢 EQ56；高强度钢 EH36；焊接；焊接工艺评定
2.3.3 预热温度 预热温度是焊接淬硬倾向高的钢板（特别E级及E级以上）的一个重要的工艺参数，焊
前合理的预热有利于焊缝中扩散氢的逸出，降低焊接接头的冷却速度，从而防止产生淬硬的 马氏体组织，有效地防止冷裂纹的产生。预热温度的确定主要与母材成分、焊缝中扩散氢含 量等因素有关。但是过高地的预热温度又会造成现场的施工条件恶劣。在本实验的制定过程 中，我们选择预热温度为30℃[4]，采用电陶瓷加热片对钢板进行预热。
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表2-1 EQ56和EH36钢板的化学成分 Tab.2-1 The chemical composition of EQ56 and EH36 steel
Chemical C Si Mn S Composition ﹪ ﹪ ﹪ ﹪
P Cu Cr Ni Mo Al Nb V Ti Ceq ﹪ ﹪﹪﹪﹪ ﹪ ﹪﹪﹪﹪
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图2-5 焊接接头坡口的形状及尺寸 Fig.2-5 The shape and size of the groove
2.3.2 焊条烘干 为了保证焊缝金属的力学性能，减少焊缝金属中的含氢量，提高焊条的使用性能，焊条
在使用前必须经过烘干。烘干规范为：采用远红外焊条烘干箱，加热到350～400℃，下烘烤 60～120min。
Mo 0.16 0.022
Cr — 0.005
V — 0.007
Mechanical Properties E81T1-Ni1 E7018-1
表2-4焊接材料的力学性能 Tab. 2-4 The mechanical properties of the electrode
σs/MPa 640
σb/MPa 560
Class
Volts
CHE58-1
3.2
DCEP
100～110A
19～20V
CHE58-1
4.0
DCEP
180～190A
23～24V
CHE58-1
4.0
DCEP
160～170A
22～23V
BACK GOUGING
CHE58-1
4.0
DCEP
120ห้องสมุดไป่ตู้130A
20～21V
CHE58-1
4.0
DCEP
180～190A
705
19.5 350 470 460
455
530
28.5 254 321 326
Supply Condition TMCP
2.2 焊接材料的选择
焊接EQ56和EH36时采用等韧性原则，选择焊缝韧性不低于基体金属的低组配焊接接头 比较合理。采用FCAW-G工艺时，选用的焊接材料是E81T1-Ni1 JC (LinColn LW-81Ni1)药芯 焊丝。焊丝尺寸：φ1.2mm；符合AWS A5.29-98 E81T1-Ni1及GB/ T 17493-1998 E551T1-Ni1， 并取得ABS船级社的认可证书，认可等级为：4Y400SA H10。当采用SMAW工艺时，选用的 焊接材料是E7018-1(CHE58-1)焊条。焊条尺寸：φ3.2mm和φ4.0mm；符合AWS A5.5 E7018-1 及GB/T 5117-1995 E5018-1，并取得ABS船级社的认可证书，认可等级为：3YH5。焊接材料 成分及性能如表2-3，表2-4所示。
Mechanical Properties EQ56 EH36
表2-2 EQ56和EH36钢板的力学性能 Tab.2-2 The mechanical properties of EQ56 and EH36 steel
Y.S. N/mm2 T.S. N/mm2 EL % Akv(-40℃) J
560
Travel Speed (cm/min) 17.1 27.3～42.4 50.0
26.3 22.1～38.5
35.0
Interpass TEMP. (℃)
30 30～80
90
38 38～96
115
工艺Ⅱ，采用SMAW，2G位置焊接，焊接参数见表2-7所示。
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23～24V
CHE58-1
4.0
DCEP
180～190A
23～24V
Travel Speed (cm/min) 6.1 12.7～28.8 23.9
Interpass TEMP. ℃
30 55～107
109
16.0 12.1～29.0
28.0
32 49～110
110
3. 试验结果及分析
3.1 焊缝缺陷与分析
如图35为焊接热影响区eq56侧的显微组织图中左边为焊缝金属的组织即先共析铁素体沿柱状晶界分布晶内为粒状贝氏体和针状铁素体右边为过热区组织先共析铁素体沿奥氏体晶界分布晶内主要是板条状的低碳马氏体马氏体和少量小块状的ma36为焊接热影响区eh36微组织右边为焊缝金属的组织即先共析铁素体沿柱状晶界分布晶内为粒状贝氏体和针状铁素体组织左边为过热区组织少量先共析铁素体沿奥氏体晶界分布晶内为针状铁素体珠光体和粒状贝氏体组织
2.3.4 焊接工艺参数 工艺Ⅰ，采用FCAW-G，2G位置焊接，试板焊接层间温度为30～115℃，保护气体为100%
CO2，气体流量为25L/min，焊嘴直径为20mm,焊接参数见表2-6所示。
Layer/ Pass
1 2～10
11
Process
FCAW-G FCAW-G FCAW-G
12 13～17
σ5/% 25
540
610
28
Akv/J (-40℃) 130 100
2.3 焊接工艺
2.3.1 坡口加工 坡口形式直接影响焊接接头的性能和焊接成本，为防止经热切割时产生淬硬脆裂趋势，
本文的坡口加工采用机械法，坡口型式与几何尺寸[4]如图2-5所示。用磨光机将坡口表面及 坡口两侧打磨至有金属光泽，去除毛刺，坡口用丙酮脱脂。焊前将坡口及其边缘内、外表面 20mm范围内的油、锈等清除干净。
表2-3焊接材料的化学成分 Tab.2-3 The chemical composition of the electrode
Chemical Composition (wt%) C Si Mn P
S
Ni
E81T1-Ni1
0.07 0.38 1.32 0.009 0.017 0.90
E7018-1
0.06 0.24 1.10 0.017 0.016 0.012
焊接完成后首先对焊缝的外观进行目测检验（VI），试板目测检验合格后，进行超声波 （UT）探伤检验，试板在焊接48小时后进行X射线（RT）探伤检验，以及表面的磁粉检验 （MT），RT探伤照片如图3-1和3-2所示。
图3-1 RT探伤照片（无缺陷） Fig.3-1 The picture of RT (no disfigurement)
EH36
0.09 0.38 1.48 0.003 0.012 0.01 0.01 0.01 0.01 0.036 0.04 0.03 0.01 0.35
EQ56
0.04 0.34 1.46 0.003 0.008 0.44 0.24 0.41 0.14 0.042 0.04 0.01 0.02 0.41
Amps or WFS
1.2
DCEP 140～150A
1.2
DCEP 140～150A
1.2
DCEP 160～170A
BACK GOUGING
1.2
DCEP 150～160A
1.2
DCEP 150～160A
1.2
DCEP 150～160A
Volts
24～25V 24～25V 24～25V
21～22V 21～22V 21～22V
18
FCAW-G FCAW-G FCAW-G
表2-6 焊接工艺参数 Tab.2-6 The parameters of the welding process
Filler Metal Class
LW-81Ni
LW-81Ni LW-81Ni
LW-81Ni LW-81Ni LW-81Ni
Diameter Cur. Type
Layer/ Pass
1 2～7
8
9 10～16
17
Process SMAW SMAW SMAW
SMAW SMAW SMAW
表2-7 焊接工艺参数 Tab.2-7 The parameters of the welding process
Filler Metal Diameter Cur. Type Amps or WFS