高强度耐候钢的焊接

1、高强度耐候钢的焊接刘华松(中国北车集团济南机车车辆厂 ,山东 济南 250022 )摘 要 :介绍了高强度耐候钢和与普通耐候钢的区别 ,分析了高强度耐候钢焊接冷裂纹 、热裂纹及脆化的产生过程和原因 ,提出了防止或减少高强度耐候钢焊接冷裂纹 、热裂纹及脆化的措施 。关键词 :高强度耐候钢 ;冷裂纹 ;热裂纹 ;脆化中图分类号 : TG142. 72 ,TG44文献标识码 :B能量焊接 (如埋弧焊) 时焊接焊缝的脆化问题 。1 高强度耐候钢的特点自 2002 年以来 ,铁路货车 ( 轴重 23 t ) 制造所 采用的耐 候 钢 , 其 强 度 等 级 提 高 到 屈 服 强 度 400MPa ,为

2、了和以前应用的耐候钢有所区分 ,将屈服强 度 400 MPa 、抗拉强度 500 MPa 的耐候钢 ,称为高 强度耐候钢 。高强度耐候钢的特点是强度高 ,塑性稍低 ,低温 冲击性能高 。现铁道货车用钢材已用高强度耐候钢 代替普通耐候钢 。在普通耐候钢中以 09CuPTiRE - A 热轧钢板应 用最为普遍 ,在以下讨论时 ,所提到的普通耐候钢若 不特别指出牌号的仅指热轧钢板 09CuPTiRE - A ;所提到的高强度耐候钢若不特别指出牌号的仅指热轧 钢板 Q450NQR1 。3 如何避免高强度耐候钢的焊接冷裂纹造成焊接冷裂纹的主要因素有 3 个方面 : (1) 钢 的淬硬倾向 ; (2) 焊

3、接拉应力 ; (3) 焊接接头的含氢量 及其分布 。针对以上 3 个方面的影响因素 ,可采取的主要 措施有 :(1) 选用碱性低氢型焊条 、焊剂 。碱性低氢型焊条 、焊剂焊接接头的含氢量低 ,脱硫 、脱磷性能好 ,冲 击韧性高 。使用前需在 350 420 温度下烘干 12 h ,目的是有效去除其中的水分 ,从而减少焊接接头的含氢量 ,降低接头的冷裂倾向 。(2) 焊接备件必须经检验合格才可组对 ,不得强 力组对 ,避免过大的组装应力 。(3) 对钢材欲焊部位及两侧各 20 mm 范围内应 认真清理 ,去除水分 、铁锈 、油污等杂物 。(4) 合理安排焊接次序 。原则是尽量使大多数 焊缝能在刚

4、度较小的条件下焊接 ,进一步减少焊接应力 。(5) 焊前预热 、焊后缓冷或热处理 。焊前预热通 常是防止高强钢焊接冷裂纹的重要工艺措施 。焊后 缓冷或热处理可以使扩散的氢充分逸出 ,降低了焊 接残余应力 ,改善组织 ,减少淬硬性 ,从而降低焊接 冷裂倾向 。高强度耐候钢焊接时一般也不需要采取 预热及焊后缓冷等工艺措施 。下列情况需要焊前预 热 :焊接环境温度小于 5 时 ,焊件局部预热到 75 125 ;焊补厚度不小于 8 mm 高强度耐候钢母材 上 的 裂 纹 等 缺 陷 时 , 焊 前 须 将 焊 件 局 部 预 热 到100 150 。凡进行焊前预热的 , 焊接的层间温2高强度耐候钢焊接

5、性分析钢材的碳当量越高 ,淬硬倾向越大 ,焊接热影响 区的冷裂倾向也越大 ,钢材的焊接性越差 ,所以用钢 材的碳当量可以大致评价钢材的焊接性 ,以便确定 是否 需 要 采 取 预 热 等 工 艺 措 施 。高 强 度 耐 候 钢 Q450NQR1 的碳当量 为 0 . 35 % 0 . 43 % , 普 通 耐 候 钢 09CuPTiRE - A 的碳当量为 0 . 20 %0 . 25 % 。高强度耐候钢的碳当量较高 ,焊接热影响区存 在一定的淬硬和冷裂倾向 。所以它的焊接工艺问题第一是如何避免冷裂纹的产生 ; 第二是如何避免由 于杂质偏析引起的热裂问题 ; 第三是如何避免大线收稿日期 :2

6、006 - 06 - 16作者简介 :刘华松 ( 1954 - ) ,男 ,河北泊头人 ,高级工程师 ,1982 年毕 业于大连铁道学院焊接专业 ,工学学士 ,现从事焊接工艺方面的技术 工作 。10高强度耐候钢的焊接度应不低于焊件局部预热温度 。(6) 选用合适的焊接线能量 。手工电弧焊和混 合气体保护焊时焊接线能量一般较小 ,这时适当增 大合理的焊接线能量 ,可延长焊接接头的冷却时间 , 减少或避免焊接热影响区的淬火组织 ,同时还有利于氢的逸出 ,降低了冷裂纹的倾向 。(7) 选用合适的焊接方法和焊接操作规范 。在 中厚板几种常用的焊接方法中 ,焊接接头的低温冲 击韧性以清根双面多层混合气体

7、保护焊最好 ,其次 是清根双面多层手工焊条焊 ,再次为不清根双面单层埋弧自动焊 。混 合 气 体 保 护 焊 焊 接 头 的 氢 含 量 低 ,抗冷裂性能好 ,应优先采用 。多层焊时 ,前一层 焊道对后一层焊道起到预热的作用 ; 而后一层焊道 对前一层焊道又起到后热缓冷和回火的作用 ,所以 多层焊接头比单层焊接头抗裂性高 。当焊缝断面较大时 ,应采用多层多道焊 。手工焊条焊须保持短弧 操作 。手工焊条焊和混合气体保护半自动焊应在离 开焊缝端头 2030 mm 引弧 ,电弧稳定后再拉到焊 缝端头进行正常焊接 。焊缝末端必须采用回焊收尾 法 ,回焊长度应为 2540 mm ;焊接弧坑必须焊满 。熔

8、深越大 ,熔合比越大 。适当减小焊接电流并提高电弧电压 。5 高强度耐候钢焊缝脆化问题在做高强度耐候钢的焊接接头低温 V 形缺口 冲击试验时发现 ,冲击韧性最低的区域是在焊缝上 , 这与一般高强钢焊接接头冲击韧性最低的区域是在 熔合区上不同 。再一个规律性的现象就是 ,用大规 范 (大线能量) 焊接的焊缝其冲击韧性较用 小 规 范 (小线能量) 焊接的冲击韧性低 。高强度耐候钢焊接时 ,从提高焊接接头的冲击 韧性考虑 ,采用较小的线能量是有利的 。当然减小 焊接线能量 (即加大冷却速度) 对冲击韧性提高的作 用是有限的 。另一方面 ,减小焊接线能量对接头的 抗冷裂性能及塑性指标亦有不利影响 。

9、所以 ,选择焊接线能量时须通盘考虑 。已有的焊接试验证明 ,高强度耐候钢的较大线 能量手弧焊和半自动气电焊焊 缝 冲 击 韧 性 虽 然 较 低 ,但仍高于母材的冲击韧性要求 ,因此手弧焊和半 自动气电焊时可不必单独考虑 接 头 的 冲 击 韧 性 问题 。但用粗丝埋弧自动焊时 ,则须考虑焊接线能量 对接头冲击韧性的影响 。在保证焊透和完全熔合的 前提下 ,焊接线能量不能超过 30 kJcm 。4 避免高强度耐候钢焊接热裂纹的方法高强度耐候钢的焊接热裂纹主要是焊缝的结晶 裂纹 。已有的焊接实践证明 ,高强度耐候钢焊缝的 热裂倾向比普通耐候钢小 ,估计与高强度耐候钢更 低的硫 、磷含量及较高的锰

10、含量及手弧焊时使用的 碱性焊条有关 。为避免高强度耐候钢的焊接热裂纹 ,采取的主 要措施有 :(1) 选用碱性焊条 、焊剂 。(2) 合理安排焊接次序 ,尽量减小焊接应力 。(3) 控制焊缝的形状 。凹心和平齐的角焊缝及 窄深的对接焊缝 ,焊缝结晶时其低熔点物质易富集 在焊缝中心面上 ,在焊接拉应力的作用下 ,极易产生 结晶裂纹 。宽而浅的对接焊缝 ,当柱状晶往上生长时 ,杂质大部分被推向表面而分散分布 ,拉应力集中 的现象也大为减弱 ,焊缝的抗热裂性较高 。所以对 接焊缝的形状系数 (宽厚比) 一般控制在 1 . 32 ,且 有 12 mm 的焊缝余高 (仅对车体焊缝而言) 。对接 焊缝和角

11、焊缝的外形应为微凸形 ,焊缝末端采用回焊收尾法 ,手弧焊和半自动气电焊焊缝弧坑须焊满 。 埋弧自动焊应设引弧板和引出板 。(4) 采用合理的焊接规范 。焊接电流越大 ,焊接6 高强度耐候钢的焊接工艺6. 1焊接材料高强度耐候钢焊接材料的选择须与母材相适 应 。当 2 种不同性能的耐候钢钢材组焊在一起时 , 允许按其中强度较低的母材选用焊条和焊丝 ,但焊 接工艺须满足强度较高的母材的工艺要求 。当高强度耐候钢钢件与普通低碳钢件或 Q295 、Q345 等的低 合金钢件或铸钢件组焊在一起时 ,优先选用非耐候 的结构钢焊接材 料 , 也 可 以 选 用 耐 候 钢 焊 接 材 料 。 但须保证熔敷金

12、属的最低抗拉强度不低于强度较低 的母材的抗拉强度 。焊条 、焊剂须按规定进行烘干 。6. 2焊前准备组焊前须对欲组焊的各件进行检查 ,不合格者 不得组对 。欲焊部位及两侧各 1020 mm 范围内应除去水分 、铁锈 、油污等杂物 ,厚度小于 20 m 且不 影响焊接质量的可焊性金属防锈漆可不清除 。采用气割或碳弧气刨加工坡口后 ,须除去坡口表面的氧 化熔渣或气刨挂渣 ,不影响焊接质量的致密氧化层 或硬化层可不清除 。坡口合格后才可组对焊接 。11综述述评机车车辆工艺 第 6 期 2006 年 12 月6. 3 焊接过程手工焊条焊须保持短弧操作 。手工电弧焊时 , 板厚不小于 6 mm 的双面对

13、接焊缝要求焊透的 , 当 正面焊缝焊完后 , 须 清 焊 根 后 方 可 焊 接 背 面 焊 缝 。 焊缝厚度不小于 6 mm 的对接焊缝和焊脚尺寸不小于 8 mm 的角焊缝 , 手工电弧焊或气体保护电弧焊 须分层焊 。多层焊时 ,每焊完一层后应彻底清除熔 渣 ,方可进行后一层的焊接 。相邻两层焊缝的接头 应错 开 20 30 mm , 并 尽 量 采 用 相 反 的 焊 接 方 向 。手工焊条焊和混合气体保护半自动焊的焊缝须采用回焊收尾法 ,焊接弧坑必须焊满 。为减小焊接变形 , 降低焊接应力 ,施焊时应选择合理的焊接顺序和方 法 ,如选用对称焊 、逆向分段焊 、由中间向两端焊 、跳 焊等方

14、法施焊 。所有焊缝 ( 包括定位焊缝) 施焊后 ,施焊者必须将其熔渣和飞溅彻底清除 。焊接时 ,应 防止电弧击伤焊件上非焊接的表面 。6. 4 焊接规范参数 (见表 1) 。表 1 焊接规范参数选择参考表焊接方法焊材牌号焊材规格mm焊 接 参 数ø3 . 2ø4ø5焊接电流 :90140 A焊接电流 :150190 A焊接电流 :180220 A手工电弧焊J 556NiCrCu短路过渡 ;焊接电流 :90130 A ; 电弧电压 : 1820 V ; 气体流量 :815 Lmin ;射流过渡 ;焊接电流 :200280 A ;电弧电压 :2232 V ; 气体流

15、量 :1828 Lmin半自动富氩气保焊ø1 . 2TH550 - NQ - ø1 . 2焊接电流 :220290 A ;电弧电压 :2332 V ; 气体流量 : 2030Lmin ;焊接速度 :3555 cmmin焊接电流 :260360 A ;电弧电压 :2638 V ; 气体流量 : 2535Lmin ;焊接速度 :4065 cmmin自动富氩气保焊TH550 - NQ - ø1 . 6焊接电流 :500740 A ;电弧电压 :3344 V ; 焊接速度 : 2634mh埋弧自动焊TH550 - NQ - ( 配 SJ 101)ø4陷 ,焊缝外

16、形尺寸符合图纸 (当图纸无明确要求时须6. 5焊接质量检查焊件在检查前必须将其熔渣和飞溅彻底清除 。 焊件按 TBT1580 - 1995 表 5 的 规 定 检 查 无 超 标 缺按 GB10854 - 1989) 的规定 。(编辑 :施翠燕)征 稿 简 则11机车车辆工艺是以学术性 、实践性 、规范化为特色的期刊杂志 。报道的主要内容为 :铁道机车车辆 、轨道交通 装备用的新材料 、新工艺 ;制造和修理方面的新技术 ;引进 、吸收国产化方面的新成果 ; 解决关键零部件惯性质量问题方面的新措施等 。主要栏目有 : 综述述评 、研究开发 、关键 零部件 、试验检测 、冷热工艺 、现场经验 、计

17、算机应用 、工装 设备等 。主要读者对象为 : 从事机车车辆工艺的研究开发 人员 ,铁路工厂 、机务段 、车辆段的一线技术人员和管理人 员 ,大专院校的师生等 。21 来稿要求及注意事项 :(1) 文稿务求论点 明 确 、论 据 可 靠 、数 据 准 确 、文 字 精 练 、图表清晰 ,一般以 4000 字以内为宜 ,并请附英文题名 ,35 个中 、英文关键词 ,中 、英文摘要 ( 300 字以内) ,全部作 者的单位 、所在省 、市及邮编 ,第一作者的个人简介 (出生年 月 、最高学历 、现职称) 及联系电话 。(2) 文稿中单位用国家法定计量单位 ;插图 、表格 、引文按正文引用顺序 ,统一用阿拉伯数字编码 ,图 、表应有题名 。(3) 文稿应附参考文献 ,本刊参