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高强钢焊接前沿技术的开发研究
发布日期:2014-10-31 13:38   

 一、高强钢主要焊接难点分析

第一,焊接裂纹的危险性。微合金控轧控冷钢的碳及杂质含量低,C、S、P等元素得到有效控制,因此,焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。但由于在成形焊接和安装过程中存在较大的成形应力或附加应力,特别是在采用多丝大线能量埋弧焊时,由于焊缝晶粒过分长大,出现C、S、P局部偏析也容易引起结晶裂纹。

随着强度级别的提高,板厚的增大,仍然具有一定的冷裂纹倾向。热输入量(线能量)小,冷却速度较快,熔敷金属含氢量高,因而会增加冷裂纹的敏感性,强度越高,冷裂问题将越突出。

第二,热影响区中局部脆化区对韧性的影响。高强钢在成分和热轧工艺上的特点使韧性得到了很大改善。韧性一般由裂纹起裂和裂纹扩展两部分所需的能量来度量。这种钢在焊接条件下,在热影响区中会形成局部脆化区,这些局部脆化区会降低裂纹起裂所需的能量。作为多层焊接接头的局部脆化区一般有4个部位被认为是关键部位,即粗晶热影响区、临界温度区间热影响区、临界温度区间粗晶热影响区、亚临界温度区粗晶热影响区。

第三,焊接接头软化。高强钢的部分高温度是在热轧工艺中采用加速冷却将能量储存在位错组织中而获得的,这一能量在高温下可以释放,这样就会导致在焊接条件下产生的在临界温度区间和亚临界温度区间的加热区,甚至在缓慢冷却的粗晶区的加热区中,形成硬度比母材金属低的区域,即软化区。软化使接头的强度降低。例如,在埋弧焊的条件下,板厚为40毫米的焊接接头中会发现有强度下降25%的软化区。

笔者认为,新钢种的强度、细化晶粒等指标同钢材的微合金元素直接有关,焊接会造成合金元素的损失,因此,必然降低焊接接头的综合性能。从理论上分析,钢材中的微合金及其化合物的熔点均比纯铁和铁的化合物低,在焊接热循环中,微合金元素及其化合物必然随纯铁及铁的化合物从固态→液态→气态变化,各种元素所气化的部分就是损失的部分;然后,其余部分又开始从液态→固态变化形成焊缝,完成所有热循环步骤。

研究表明,由于各类元素及化合物熔点上的差距,在高温区停留的时间不同。微合金元素及其化合物气化在高温区停留的时间相对较长,气化较铁及铁的化合物充分,因此微量元素损失的程度比铁及铁的化合物气化损失高得多,这是一种比例失调的损失;对焊接而论,是多次进行相同或者相似的热循环。分析认为,热循环次数越多,比例失调也就越严重(工程实践中称微合金元素烧损),于是便产生了高强钢焊接的第一问题。

综上所述,在焊接这些新钢种时,除严格的热输入外,减少焊缝及其HAZ焊接热循环的次数,从而降低微合金元素及其化合物和铁及铁的化合物比例失调程度的研究,保证焊缝同母材等强或合适的低强(0.86),逐渐引起了人们的兴趣。

为防止冷裂纹,要采取相应的预热和后热措施,选用低氢型和超低氢型焊接材料;抗拉强度在800兆帕以上的钢种,还可以考虑选择低强匹配的焊材,以保证其综合指标。

为减少热影响区脆化,主要是限制焊接热输入,多层、多道错位焊接技术能降低HAZ高温停留时间,对防止焊接接头脆性断裂有很大作用;同时应根据钢种、板厚和性能要求等,通过工艺评定试验,选择合适的焊接参数。热影响区中的软化区也可以通过限制热输入来减小软化区宽度和软化程度。

二、高强钢快速脉冲压缩电弧焊接新技术的开发研究

该研究是高强钢焊接领域内较为前沿的试验研究工作,涉及工艺装备、人员素质、科技成果的开发与应用三大要素,因此,具有一定的现实意义。

第一,高强钢高标准焊接技术问题。众所周知,GMAW是理论上的无氢焊接,具有抗裂性强、熔深大、抗疲劳、焊接效率高等优点。然而,GMAW焊接时电弧稳定性差、飞溅大、工艺性差,焊工掌握困难,所以焊缝成型较差。

为了克服GMAW缺点,目前,国内外对高强钢的焊接正在深入研究富氩气体保护焊接技术,并取得重大技术突破。

在我国,人们已开始使用二元~三元气体保护,以改善喷射过渡形式,GMAW的飞溅大大减少,焊缝成型质量大幅度提高。但是,经研究发现,随着氩比例的增加,焊缝的熔深逐渐下降、熔敷效率提高不大,说明单纯在保护气体上做文章显然是不够的,应当考虑采用性能优良的设备,配以己经成功的二元~三元气体,这是高强钢焊接试验研究的基本思想,也是目前唯一正确的技术路线。

有关研究证实,由于CO2气体在弧柱中的吸热分解反应,对焊接电弧的强烈冷却作用,与氩弧焊比较,其焊接电弧弧柱区窄,电弧斑点尺寸小。随着保护气体的CO2含量增加,焊接宽度明显降低,电弧面积明显收缩。

在焊接过程中,按照相同的焊接规程,电弧面积越小,电弧密度也就越大;CO2比例越高,焊接电流越大,电弧面积收缩越小;比例差距越大,焊接HAZ熔深也随之增大。相关数据显示,要增加焊接HAZ的熔深,就必须增加CO2的含量,最好是100%采用CO2做保护气体。然而,电弧的稳定性变差、飞溅变大、合金成分不成比例烧损等问题也随之增加。于是,人们在需要焊接HAZ熔深和电弧稳定性之间莫衷一是。

从价值工程的角度上看,普通低合金高强钢采用GMAW技术是合理的,由于采用高强和等强配比,焊缝及HAZ强韧性储备很高,合金元素的烧损不会影响焊接接头的综合性能;飞溅不是焊缝质量的否决指标,通过人工处理即可满足技术要求;在强韧性要求较严的场合,人们更看重成本低、抗裂性能好的GMAW技术。

然而、在高强钢的焊接中,尽管20%CO2+80%富氩气体保护焊能满足高强钢焊接中电弧稳定和减少飞溅的部分技术要求,但对电弧的稳定性及焊缝的表面质量高标准要求,特别是减少微合金元素的烧损,增加焊接HAZ的熔深逼迫人们研究更新的焊接技术。(待续)

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