高强钢焊接的现状和发展

1高强钢焊接的现状和发展武汉铁锚焊接材料股份有限公司吕奎清随着国民经济的飞速发展，各行各业都呈现出欣欣向荣的局面，但我们看到在繁荣的背后同时暴露出了一些问题：各行各业都在消耗大量的能源及资源，全球资源减少的同时污染日益严重。国家已经认识到了一些问题的严重性，中央已明确提出各行业要节约20%的能源、20%钢铁，要求从源头做起。对于我们钢铁使用单位都必须减少用钢量，减少用钢量的有效途径是提高钢的强度，所以在今后的日子里，高强度会逐步替代目前大量采用500MPa级以内的低强钢。低合金高强钢是今后将采用量最大的钢种，它通常是指抗拉强度500~1000MPa范围并考虑焊接性而生产制造的钢材，而抗拉强度在1000MPa以上的一般称为超高强钢。低合金高强钢的种类可以分为非调质钢和经过淬火-回火的调质钢。非调质钢又可分为热轧钢、控轧钢和正火钢等。一般非调质钢指常温抗拉强度600MPa以下的钢材，调质钢则为抗拉强度600MPa以上的钢材。根据调质、非调质钢强度级别的差别，这两类钢材的焊接性、焊接工艺和接头性能有很大的不同。低合金高强钢总体来说明其焊接性较好，可基本上采有现有的焊接方法与工艺。一、常用的方法2从上世纪初，焊接技术得到应用以来，多种焊接方法得以发明与应用。1、手工电弧焊手工电弧焊适用于各种不规则形状、各种焊接位置的焊缝。手工焊时主要根据焊件厚度、坡口形式、焊缝位置等选择焊接工艺参数。多层焊的第一层以及非平焊位置焊接时，焊条直径应小一些。在保证焊接质量的前提下，应尽可能采用大直径焊条和大电流焊接，以提高生产效率。手工电弧焊使用范围广，焊接材料与工艺成熟，对于500~1000MPa范围内的钢种都可采用此焊接方法，其配套的焊条有CJ607RH、CJ707RH、CJ807RH、CJ107等，但其焊接效率低下，成型较差，在条件允许的情况下，我们应尽可能地不采用手工电弧焊。2、埋弧自动焊埋弧自动焊由于具有熔敷效率高、大熔深以及机械自动操作的优点，特别适用于大型焊接结构的制造，广泛用于船舶、管道和要求长焊缝的结构制造，多用于平焊和平角焊位置。埋弧自动焊包括双面埋弧自动焊和单面焊双面成形埋弧自动焊工艺。对于抗拉强度500~700MPa的钢种目前都可采用埋弧焊进行平焊与平角焊，焊接结构有钢结构、管线、桥梁等，配套的焊丝有：CJGNH-1、CJQ-1、CJGX-1、H1OMn2、CH62CF、H70Q等。对于抗拉强度700MPa以上的钢种，使用埋弧焊进行实例不是很多，主要是埋弧焊的焊接线能量大，导致焊缝及热影响区的晶粒粗大，增加了脆性而降低了韧性。3、CO2气体保护焊CO2气体保护焊是目前大力推广的高效焊接方法，其包含CO2气体保3护焊实芯焊丝与药芯焊丝，其实芯焊丝应用范围较广，500~900MPa的高强钢都采用了实芯焊丝，应用领域基本包括了现有的结构，使用效果较好，气保焊丝的窄间隙焊具有生产率高、焊接热输入小，热影响区窄等优点，更适于焊接性较差的低合金钢。其配套的焊丝：WH50-6、WH60-G、WH70-G、WH80-G、WH90-G等。药芯焊丝作为高效焊接材料目前在造船行业得到了广泛的应用，其应用率达到了60%以上，主要采用500MPa的药芯焊丝，如我公司生产的YCJ501-1（GBE501T-1），目前国产500MPa级药芯焊丝质量较好，无论焊接工艺性能，还是力学性能都与外国产品相当。600MPa的药芯焊丝部分得到应用，700MPa以上的药芯焊丝实际应用很少，主要由于对于高强度的药芯焊丝，我们研制还不够，现有产品的焊接工艺性能及力学性能有待提高，随着我们研发的不断深入，相信不久，药芯焊丝的品种也会达到目前焊条的水平。我公司为配合舰船建设的需要，研制了一种用于650MPa钢种的CW921FCW药芯焊丝，焊接工艺性能及力学性能都较好，其扩散氢含量在3ml/100g（色谱法）。其熔敷金属化学成分及力学性能分别见表1、表2和表3。表1熔敷金属化学成分牌号CMnSiMoNiVSPCW921≤0.071.00~1.45≤0.35≤0.602.0~3.4——≤0.015≤0.020典型值0.0301.130.200.412.670.0390.00710.0174表2熔敷金属力学性能牌号抗拉强度（Rm）MPa屈服强度（Rel）MPa伸长率（A）%Akv冲击功J-20℃-50℃CW921FCW655~805≥590≥16≥64≥27典型值68061521.57653表3对接接头力学性能牌号抗拉强度（Rm）MPa正、反冷弯D=3tAkv冲击功J-50℃CW921FCW655~805120°不裂、180°不断≥27典型值705合格484、自保护药芯焊丝自保护药芯焊丝的芯内组成物和电焊条药皮相似，焊接时起着造渣、造气、稳弧、脱氧等作用，所以焊接时不需另加任何保护气体。自保药芯焊丝的焊接效率高，适应性强，特别适合野外焊接，如管线建设。我公司目前研制用于X60、X70管线钢焊接的自保护药芯焊丝。5、电渣焊与气电立焊电渣焊与气电立焊在焊接接头形式、方式及焊接效率都有类似之处，焊接效率非常高，焊接线能量大。特别是气电立焊，采用的是药芯焊丝，其焊缝内在质量高，成型美观，在船体大合拢、储油罐的建造等应用量日益增加。公司目前正在研制500MPa级船用气电立焊焊丝。二、低合金高强钢的焊接热轧及正火钢常用的自动焊方法是埋弧自动焊、电渣焊、CO2气体保护焊等。对于厚壁压力容器等大型厚板结构，电渣焊是常用的焊接方法，5由于电渣焊焊缝及热影响区过热，晶粒粗化，焊后需进行正火处理。低碳调质钢常用的焊接方法有手工电弧焊、CO2气体保护焊和混合气体保护焊等。对于屈服强度Rel≥680MPa的低碳调质钢，熔化极气体保护焊较合适的焊接方法。这类钢焊接时应严格限制线能量，控制焊接热影响区冷却时间不能过长，因为在过低的冷却速度下热影响区粗晶区可能出现上贝氏体、M-A组元等组织而导致脆化。冷却时间过短会出现淬硬组织组织并导致焊接裂纹产生。低碳调质钢焊接所面临在解决的问题一是防止裂纹；二是在保证满足高强度要求的同时，提高焊缝金属及焊接热影响区的冲击韧性。为了消除裂纹和最大限度地提高焊接效率，一般采用熔化极气体保护焊（MIG）或活性气体保护焊（MAG）自动焊或半自动化焊接方法。工程机械中的焊接结构比较复杂，目前最常用的焊接方法是手工电弧焊和气体保护焊，但是对于不同的板厚要求开不同形式的坡口。对于机架类结构和轴类结构中的钢板拼接处通常采用气体保护焊和埋弧自动焊拼板工艺，其中对于一些重型机械或输送机中的滚筒结构，通常采用CO2气体保护焊打底，随后用埋弧自动焊盖面。三、大力发展高效焊接技术从各行业来看，我国手工电弧焊的比例大约为60%，高效化焊接只有40%左右，而发达国家的高效化率已超过70%，说明我国焊接自动化率还处于一个较低的水平。电焊条的产销量及低强度还占有较大的比例，我们应发展高效自动化焊接材料与焊接工艺，如各种型号、各强度级别的埋弧6焊丝、实芯焊丝及药芯焊丝，我们必须研制齐全，制订合理的焊接工艺，杜绝焊接缺陷的产生。药芯焊丝在组成上由于类似焊条，作为一种高效的焊接材料，大力推广有其得天独厚的基础，不仅可研制出低合金高强钢药芯焊丝，而且还可通过改变钢带材料研制出不锈钢、耐热钢、耐磨钢等用焊接材料，具有广泛的应用前景。四、21世纪超级钢的崛起，将引起焊接材料和焊接技术的重大变革日本1997年启动“超级钢”研制项目，我国也于1998年启动了“新一代钢铁材料重大基础研究”项目。其最终目标，是将占我国钢产量60%以上的三类钢（碳素钢、低合金钢、合金结构钢）的强度或寿命提高一倍。经过几年的工作，所谓超级钢或称21世纪新一代钢铁材料的基本特征已显现出来，是将现代冶金理论和最新控制技术相结合，应用纯净化、微合金化、超强力轧制下快冷、形变诱导相变、可变强磁场精密热处理技术，制成的超细晶粒钢。试验已表明：对Q235碳素钢和屈服强度400Mpa的低合金钢，在不改动主要化学组元的情况下，通过纯净化和细化晶粒，可提高其屈服强度一倍，分别达到400Mpa和800Mpa。而超级合金结构钢，例如具有耐疲劳性能的高强螺栓钢，强度可提高到1500Mpa。目前，国内外对21世纪超级钢的研制都已取得进展。日本已明确提出：在2007年完成研制工作，2010年推广应用。日本希望在2010年前后，以“超级钢”更换20世纪六、七十年代日本经济高速增长时期建立的各种基础建设设施，这些设施到2010年前后，都已服役50年，需要更新了。我7国也已制出超细晶粒薄板，试用于汽车中。国内的各大型钢铁企业，也已提出到2010年推广生产超级钢的计划，在抓紧改进冶炼和轧制生产设备与工艺。预期十年后，推广采用强度级别达800~1500Mpa的新一代钢材产品时，将逐渐引起那时的焊接技术发生重大变革。由于钢材的“超细晶粒”组织，在热作用下，晶粒长大驱动力很大，将使焊接热影响区易因晶粒粗化而降低强度与韧性，甚至出现软化带。同时焊缝金属不可能呈现钢材经强力轧制与处理的“超细晶粒”，不可能在相近成分下使焊缝金属与母材等强等韧。因此目前常用的焊接材料与焊接工艺，将不适应于“超级钢”的焊接。日本在800Mpa级结构钢的研究计划中，设置的研究项目包括：研制微细铁素体组织、研究小线能量焊接工艺、研究改善焊接接头性能的措施。一方面在研究如何尽量减少钢材热影响区晶粒长大的倾向，另一方面则是研究如何变革焊接工艺。目前认为最有希望应用于800Mpa级结构钢的焊接方法是激光焊。1960年发明的激光，经过40多年的发展，在军用与民用的巨大驱动下，在21世纪将进入高速发展时期。随着各类激光发生器向大功率化、轻便化和经济化的发展，激光焊接和切割，由于能源高度集中和热影响区小，并且激光束具有可以在大气中焊接的优点，既可以对大型构件作深熔焊，又可以进行微形精密焊接，今后将逐步加快其推广使用的步伐。日本已有人预言，由于激光焊接符合优质、低耗、清洁、热影响区窄、接头变形小、操作灵活等技术发展方向，21世纪将逐渐成为激光焊接的时代。8此外，正在研究探讨的超级钢连接技术有：薄板高强度低温钎焊、可拆卸的高强度机械连接、搅拌摩擦焊、超窄间隙小能量脉冲式熔化极气体保护焊等。焊接填充材料的变化也将逐渐提上日程，例如开发熔敷金属为超低碳贝氏体的高强度高韧性焊接材料等。