齊鵬遠, 劉家奇, 王 剛, 劉相華

(1. 東北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819; 2. 營口理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程系, 遼寧 營口 115014; 3. 北汽越野車研究院 試制部, 北京 101300)

工程機械中汽車起重機車架后段為箱體焊接結(jié)構(gòu),焊接工藝復(fù)雜;工作過程中在動態(tài)外載荷的震動、交變載荷、疲勞等因素的影響下,車架部件遭受破壞的危險常位于工作載荷大、應(yīng)力集中的部位.長時間高負荷工作條件下,車架縱向主焊縫容易開裂[1-3];該部位大量使用Q345B鋼和HG785D高強鋼,多采用單面焊雙面成形工藝,同種和異種焊縫接頭數(shù)量多,焊縫長,焊接質(zhì)量對整體結(jié)構(gòu)可靠性的影響很大[4-6].

為了提高焊接接頭質(zhì)量,本文對起重機車架用Q345B與HG785D異種鋼板焊接接頭在不同焊接熱輸入工藝條件下,從力學(xué)性能、彎曲特性及金相組織的分析中得出最佳焊接工藝條件,為制定汽車起重機車架用Q345B/HG785D異種鋼板焊接工藝規(guī)程提供依據(jù).

1 實驗方法

通過實驗分析車架后段隔板與側(cè)板、側(cè)板與頂蓋外側(cè)單面焊焊縫等焊接工藝的合理性.

1.1 實驗?zāi)覆?/h3>

母材為8 mm厚異種材質(zhì)的鋼板,其中Q345B化學(xué)成分為:wC≤0.2,wSi≤0.50,wMn≤1.7,wP≤0.035,wS≤0.035,wV≤0.15,Fe 余量;HG785D的化學(xué)成分為:wC≤0.12,wSi≤0.4,wMn≤1.8,wP≤0.025,wS≤0.015,wN≤0.75,wCr≤0.7,Fe余量.

1.2 焊接材料及保護氣氛

選用φ1.2 mm的ER50-6型焊絲,化學(xué)成分為:wC0.06～0.15,wMn1.40～1.85,wSi0.80～1.15,wS≤0.035,wP≤0.025,wCu≤0.050,Fe余量.采用MAG焊法,多層多道焊的焊前層間做清理,背面不清根;保護氣氛用80%Ar+20%CO2,流量為15～20 L/min.

1.3 焊接接頭

鋼板焊接接頭采用Y型坡口,鈍邊1 mm,間隙2 mm;采用兩層三道進行焊接,一層打底焊,兩層填充蓋面焊,如圖1所示.鋼板采用激光切割下料,鋼板表面和切口不允許存在裂紋、分層、夾雜和氧化皮,不允許存在超過偏差的麻點、壓痕和麻紋等,用銑邊機XB-9開坡口.

1.4 焊接實驗

按照表1中不同焊接工藝條件進行實驗,單面焊接、雙面成形,焊接根部必須熔透,同時保證不開裂.

1.5 試樣取樣方式

按照《JB 4708—2000 鋼制壓力容器焊接工藝評定》要求,在對接焊縫試板上截取試樣,位置見圖2.

表1 Q345B與HG785D鋼板焊接工藝條件Table 1 Butt welding process conditions for Q345B/HG785D steel plates

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 外觀及無損檢測

在4種焊接工藝條件(見表1)下,焊接試件焊縫成形均較好,表面無氣孔、裂紋、咬邊等焊接缺陷.按照《JB/T 4730.2—2005承壓設(shè)備無損檢測 第2部分:射線檢測》進行射線探傷檢驗,焊縫均為I級,符合評定要求.

2.2 力學(xué)和彎曲性能實驗

1) 拉伸實驗:在室溫下,按照GB/T 228.1—2010對各焊接工藝條件下的試樣進行拉伸實驗,結(jié)果見圖3.

由圖3可知,在各焊接實驗條件下,異種鋼板焊接接頭的抗拉強度均高于強度較低側(cè)Q345B母材規(guī)定值的下限值(470 MPa),說明焊接接頭強度均符合要求;試件斷裂位置在Q345B母材側(cè),說明焊接接頭室溫靜抗拉強度大于母材室溫靜抗拉強度,符合評定要求.在實驗編號2焊接工藝條件下Q345B/HG785D鋼板焊接接頭拉伸性能最佳.

2) 沖擊實驗:按照GB/T 2650—2008在各焊接工藝條件下進行沖擊實驗,焊縫和熱影響區(qū)(Q345B母材側(cè)、HG785D母材側(cè))各取3個試樣,實驗結(jié)果見圖4.

由圖4a可知,各組實驗中熱影響區(qū)(Q345B母材側(cè))沖擊功均大于國標要求(>27 J,允許一個試樣>18.9 J),韌性滿足要求.由圖4c可知,各組實驗中焊縫區(qū)的沖擊功均滿足國標要求,焊縫區(qū)韌性均滿足使用要求.由圖4b可知,在實驗1(焊接電流140～200 A)和實驗3(焊接電流170～250 A)中,不采用預(yù)熱及后熱處理,試樣熱影響區(qū)(HG785D母材側(cè))的沖擊功不滿足國標要求, 其韌性不符合要求;原因如下:HG785D為低合金高強鋼,焊后在較大冷卻速度下易在熱影響區(qū)出現(xiàn)低塑性脆硬組織,容易產(chǎn)生氫脆,導(dǎo)致裂紋(冷裂紋),從而降低熱影響區(qū)韌性[7-9].實驗2(140～200 A,預(yù)熱、后熱)的試樣性能明顯優(yōu)于實驗4(170～250 A,預(yù)熱、后熱)的試樣性能,且隨著焊接線能量的增大,實驗4容易造成接頭和熱影響區(qū)組織過熱,產(chǎn)生過熱組織并脆化,從而降低焊縫和熱影響區(qū)韌性,因此焊接時應(yīng)嚴格控制熱輸入.

3) 彎曲實驗:按照GB/T 2653—2008在室溫下進行彎曲實驗,每種焊接實驗條件下各取4個彎曲試樣(2個正面彎曲、2個背面彎曲).雖然焊接實驗中采用單面焊接,但由于背面有襯板的作用,托住了根部熔池,因此背面成形良好.在各彎曲實驗中,正彎和背彎試樣均符合國標要求(無肉眼可見3 mm裂紋),表明焊接接頭完好性(連續(xù)性、致密性)和塑性均滿足使用要求.

2.3 焊接接頭組織分析

通過上述力學(xué)及彎曲性能實驗,可知實驗2工藝條件下試樣檢測結(jié)果最優(yōu).為進一步分析實驗2工藝條件的適用性,對其焊接接頭組織分析如下.

圖5為焊縫區(qū)顯微組織,可以看出有大量細小的鐵素體和少量珠光體組織存在,同時伴有大塊狀先共析鐵素體和少量側(cè)板條鐵素體；由此可知,由于加熱溫度低于1 100 ℃,奧氏體晶粒尚未明顯長大[10-11],隨著空氣冷卻后得到細小鐵素體和少量珠光體組織.

圖6為HG785D母材側(cè)過熱區(qū):鐵素體和珠光體晶粒明顯粗大,晶內(nèi)某些部位出現(xiàn)針狀鐵素體及少量的貝氏體組織,圖中黑灰色為珠光體區(qū).在焊接熱循環(huán)的影響下,焊接接頭過熱區(qū)溫度在固相線至1 100 ℃之間,奧氏體晶粒顯著長大,冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織.

HG785D母材不完全相變區(qū)組織如圖7所示.近HG785D母材側(cè)金屬在加熱溫度超過Ac1(727 ℃)時,珠光體組織開始奧氏體化,形成細小的奧氏體組織,經(jīng)冷卻重結(jié)晶后轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿¤F素體和珠光體組織;該區(qū)域受熱溫度低,冷卻速度快,盡管鐵素體尚未發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變,但在焊接熱循環(huán)影響下,形成了較為粗大的鐵素體組織.最終HG785D母材不完全相變區(qū)組織由細小的鐵素體、珠光體組織和未發(fā)生相變的粗大鐵素體組成,導(dǎo)致該區(qū)域晶粒尺寸不均勻,力學(xué)性能表現(xiàn)也較差.由金相檢查可知,焊縫各區(qū)域金相組織正常,未發(fā)現(xiàn)粗大魏氏組織等不良缺陷,符合評定要求.

3 結(jié) 論

1) 在本實驗參數(shù)范圍內(nèi),異種鋼板端頭對焊的焊接電流越小,焊接接頭強度越高,焊接電流由170～250 A降低到140～200 A時,抗拉強度均值可由498.8 MPa提高到552.5 MPa.

2) 焊前預(yù)熱、焊后緩冷熱處理可減少焊接接頭淬硬組織的出現(xiàn),提高焊接熱影響區(qū)韌性.

3) 采用焊接電流140～200 A、電壓22～24 V、焊接速度28 cm/min,進行焊前預(yù)熱和焊后緩冷熱處理,焊材選用ER50-6φ1.2 mm焊絲進行多層多道次對接焊工藝,可得到最佳焊接性能.