戴為志

中國(guó)工程建設(shè)焊接協(xié)會(huì) 北京 100082

高強(qiáng)度鋼通常指屈服強(qiáng)度≥390MPa、抗拉強(qiáng)度為500~1200MPa，并考慮焊接性而生產(chǎn)制造的鋼材?？估瓘?qiáng)度≥1200MPa一般稱為超高強(qiáng)度鋼。高強(qiáng)度鋼分為軋制后經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的調(diào)質(zhì)鋼和不經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的非調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼在力學(xué)性能、焊接性和接頭性能方面有很大的差異。非調(diào)質(zhì)鋼的抗拉強(qiáng)度≤600MPa；而調(diào)質(zhì)鋼的抗拉強(qiáng)度≥600MPa。 在GB/T 1591—2018 《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》 標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)立的Q355、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690等8個(gè)牌號(hào)屬高強(qiáng)鋼范疇。

1 高強(qiáng)鋼的焊接特性

近代開發(fā)的高強(qiáng)鋼，大多采用降低碳含量并加入多元微量合金化元素，用控軋和熱處理達(dá)到控制強(qiáng)韌性的目的。

高強(qiáng)鋼焊接HAZ組織主要受母材的化學(xué)成分和焊接熱循環(huán)條件影響。焊接HAZ各部位的熱循環(huán)不同，導(dǎo)致焊接HAZ是多種顯微組織共存的區(qū)域?？拷酆暇€附近加熱溫度高，奧氏體晶粒明顯長(zhǎng)大。如果鋼中合金元素含量減少，鐵素體容易長(zhǎng)大成魏氏體組織；若鋼中合金元素種類多或合金元素的含量高，將形成貝氏體、馬氏體和島狀馬氏體組織。熔合區(qū)附近HAZ過(guò)熱區(qū)對(duì)焊接接頭的性能有至關(guān)重要的影響，在相同冷卻速度下，晶粒越粗大越易于獲得馬氏體，見表1。

1.1 高強(qiáng)鋼熱裂紋傾向

微合金控軋控冷鋼的碳及雜質(zhì)含量低， C、S、P等元素得到有效控制，為了保證良好的綜合性能和焊接性，要求鋼中添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B及Cu等，添加這些合金元素主要為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩(wěn)定性。這些元素可以推遲珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變，使產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率降低。由于碳含量低，淬火后得到低碳馬氏體，而且會(huì)發(fā)生“自回火”現(xiàn)象，脆性小，具有良好的焊接性，因此焊接時(shí)熱裂紋（液化裂紋和結(jié)晶裂紋）傾向很小。

表1 高強(qiáng)鋼（調(diào)質(zhì)）焊接接頭HAZ各特征區(qū)的溫度和特征

但由于在成形焊接和安裝過(guò)程中存在較大的成形應(yīng)力或附加應(yīng)力，特別是在采用多絲大熱輸入埋弧焊時(shí)，由于焊縫晶粒過(guò)分長(zhǎng)大，出現(xiàn)C、S、P局部偏析，也容易引起結(jié)晶裂紋。

1.2 焊接高強(qiáng)鋼重點(diǎn)防止冷裂紋的產(chǎn)生

由于高強(qiáng)鋼具有淬硬傾向，是冷裂紋產(chǎn)生的必要條件，同普通低合金鋼相比，在擴(kuò)散氫、拉應(yīng)力場(chǎng)的共同作用下極易產(chǎn)生冷裂紋；近期橋梁及建筑鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)鋼（Q390、Q420）焊接工程中不斷出現(xiàn)冷裂紋便是最好的例證。

隨著強(qiáng)度級(jí)別的提高，板厚的增大，冷裂紋傾向變大。熱輸入小，冷卻速度較快，熔敷金屬氫含量高，會(huì)增加冷裂紋的敏感性，強(qiáng)度越高，冷裂問(wèn)題將越突出。

1.3 高強(qiáng)鋼焊接脆斷傾向

高強(qiáng)鋼在成分和熱軋工藝上的特點(diǎn)，使韌性得到了很大的改善，但是由于韌性一般由裂紋起裂和裂紋擴(kuò)展兩部分所需的能量來(lái)度量。在焊接條件下，高強(qiáng)鋼熱影響區(qū)中會(huì)形成局部脆化區(qū)，這些局部脆化區(qū)會(huì)降低裂紋起裂所需的能量。作為多層焊接接頭的局部脆化區(qū)，一般有4個(gè)部位被認(rèn)為是關(guān)鍵部位。

熱影響區(qū)的脆化是細(xì)晶鋼焊接時(shí)常常發(fā)生的問(wèn)題，一般所用的熱輸入越大，脆化傾向越嚴(yán)重。HAZ的脆化問(wèn)題主要有粗晶區(qū)（CGHAZ）脆化、臨界熱影響區(qū)（ICHAZ）脆化、多層焊時(shí)臨界粗晶熱影響區(qū)（IRCGHAZ）脆化、過(guò)臨界粗晶熱影響區(qū)脆化（SRCGHAZ）及亞臨界粗晶熱影響區(qū)（SCGHAZ）脆化等。其中，CGHAZ、IRCGHAZ和SCGHAZ的脆化是微合金鋼焊接時(shí)最應(yīng)引起重視的脆化區(qū)域。

高強(qiáng)鋼焊接HAZ是組織和性能極不均勻的部位，其特點(diǎn)是整個(gè)HAZ同時(shí)存在著脆化和軟化現(xiàn)象。在焊接熱循環(huán)的作用下，高強(qiáng)低碳調(diào)質(zhì)鋼HAZ區(qū)Ac1～Ac3附近區(qū)域發(fā)生脆化（即強(qiáng)韌性降低的現(xiàn)象）。既使高強(qiáng)低碳調(diào)質(zhì)鋼母材本身具有較高的韌性，結(jié)構(gòu)運(yùn)行中焊接微裂紋也容易在HAZ脆化嚴(yán)重的部位產(chǎn)生和發(fā)展，導(dǎo)致接頭區(qū)域出現(xiàn)脆性斷裂的可能性。

為防止熱影響區(qū)的脆化，采用合適的焊接參數(shù)焊接時(shí)（焊接熱輸入≤20kJ/cm），減小高溫停留時(shí)間，避免奧氏體晶粒長(zhǎng)大；采用合適的t8/5，使HAZ獲得韌化組織。

1.4 高強(qiáng)鋼焊接軟化傾向

受焊接熱循環(huán)的影響，高強(qiáng)低碳調(diào)質(zhì)鋼存在強(qiáng)化效果損失的現(xiàn)象（稱為軟化和失強(qiáng)）。焊前母材強(qiáng)化程度越大，焊后HAZ的軟化程度（失強(qiáng)率）越大。

高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼HAZ發(fā)生軟化，與碳化物的沉淀和聚集長(zhǎng)大過(guò)程有密切聯(lián)系。HAZ峰值溫度直接影響奧氏體晶粒度，碳化物溶解以及冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。HAZ軟化最明顯的部位是峰值溫度處于Ac1～Ac3之間的區(qū)域，這與該區(qū)不完全淬火過(guò)程有密切關(guān)系。焊接HAZ區(qū)Ac1～Ac3溫度區(qū)是不完全淬火區(qū)域，回火后的組織是鐵素體，粗大碳化物及低碳奧氏體分解產(chǎn)物，塑性變形抗力很小，表現(xiàn)為軟化失強(qiáng)，硬度明顯降低。

軟化區(qū)強(qiáng)度一定時(shí)，板厚越大，焊接熱輸入越小，初始預(yù)熱溫度越低，焊接接頭的失強(qiáng)率越小，強(qiáng)度也就越大。

焊接中只有設(shè)法減少軟化區(qū)的寬度，即可將焊接HAZ軟化的危害降到最低程度。因此，在高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)，不宜采用大的焊接熱輸入或較高的預(yù)熱溫度。

熱軋及正火條件下，合金元素對(duì)塑性和韌性的影響與其強(qiáng)化作用相反，即強(qiáng)化效果越大，塑性和韌性降低越多，當(dāng)鋼中合金元素的含量超過(guò)一定范圍后，會(huì)出現(xiàn)韌性大幅度下降的現(xiàn)象。因此，抗拉強(qiáng)度＞600MPa的高強(qiáng)鋼一般都需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；我國(guó)的高強(qiáng)鋼抗拉強(qiáng)度一般為600～1200MPa；但對(duì)于抗拉強(qiáng)度＞800MPa的調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，焊接HAZ區(qū)，特別是HAZ粗晶區(qū)有產(chǎn)生冷裂紋和韌性下降的傾向。對(duì)焊后不進(jìn)行熱處理的焊件，必須嚴(yán)格控制焊接區(qū)的擴(kuò)散氫含量以及選擇合適的焊接方法、焊接熱輸入以及最佳焊接參數(shù)。

1.5 高強(qiáng)鋼細(xì)晶粒特性對(duì)焊接的特殊要求

高強(qiáng)鋼為細(xì)（超細(xì)）晶粒鋼，焊接時(shí)均會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大傾向。這不僅會(huì)造成HAZ的脆化，還會(huì)導(dǎo)致HAZ的軟化。不同的焊接工藝會(huì)產(chǎn)生不同的晶粒度。

由于高強(qiáng)鋼材料晶粒極度細(xì)化，焊接時(shí)面臨的嚴(yán)重問(wèn)題是焊縫的強(qiáng)韌化、熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大等問(wèn)題。高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度、細(xì)化晶粒等指標(biāo)同鋼材的微合金元素直接有關(guān)，焊接會(huì)造成合金元素的損失。

試驗(yàn)結(jié)果表明，晶粒粗大能使其脆性解理斷裂的危險(xiǎn)性增大：隨著晶粒尺寸的增大，臨界斷裂應(yīng)力σo下降，發(fā)生脆性解理斷裂的危險(xiǎn)性增大。晶界上夾雜物的聚集使材料塑性大為降低。由于晶粒尺寸與晶面尺寸總面積成反比，所以晶粒尺寸越小，脆斷危險(xiǎn)性也越??；表面能γ值越大，σo也越大，從而降低脆斷危險(xiǎn)性。另外，γ值又與晶界上的夾雜物狀態(tài)有關(guān)，晶界尺寸增大，γ值減小。此外，晶粒尺寸增大，在一個(gè)晶粒內(nèi)的位錯(cuò)塞積隨之增強(qiáng)，塞積尖端的應(yīng)力集中程度增加，因而解理脆斷的危險(xiǎn)性也越大。

對(duì)于目前大量應(yīng)用的結(jié)構(gòu)鋼，斷裂強(qiáng)度取決于晶粒尺寸，鋼的力學(xué)性能與晶粒尺寸平方根的倒數(shù)成反比；焊接結(jié)構(gòu)使用的材料，絕大多數(shù)為軋制鋼板、型材和管材，以及鍛件和鑄件。在加工過(guò)程中，經(jīng)過(guò)冷熱變形，產(chǎn)生各向異性，導(dǎo)致晶粒和晶軸偏向某一方向，或形成織構(gòu)，出現(xiàn)金屬纖維化。此時(shí)，晶粒被拉長(zhǎng)，形成線狀和帶狀?yuàn)A雜物和第二相粒子。因此，在軋制過(guò)程中金屬的“流動(dòng)”方向?qū)Σ牧闲阅苡忻黠@影響。沿平行于和垂直于軋制方向取樣，材料的強(qiáng)度、塑性和韌性必然有所不同。

焊縫金屬主要是通過(guò)合金化控制焊縫的組織實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化。針狀鐵素體（AF）可以改善原始焊縫的低溫沖擊韌度，當(dāng)焊縫中存在高比例的針狀鐵素體時(shí)，低溫韌性顯著提高；對(duì)400MPa級(jí)細(xì)晶鋼，只要通過(guò)調(diào)整焊縫組織使其獲得針狀鐵素體即可獲得理想的強(qiáng)韌性。

1.6 重視高強(qiáng)鋼焊接強(qiáng)度配比的研究

對(duì)于焊縫金屬?gòu)?qiáng)度選擇問(wèn)題，傳統(tǒng)觀念及有關(guān)規(guī)定大多主張“等強(qiáng)配比”或“超強(qiáng)配比”，認(rèn)為焊縫強(qiáng)度高一些更為安全。但是，近年來(lái)美國(guó)、日本等國(guó)家工程技術(shù)人員從防止冷裂紋的角度考慮，對(duì)“低強(qiáng)配比”焊接接頭組織性能進(jìn)行了研究并取得進(jìn)展。選用“低強(qiáng)配比（0.86）”焊材使焊接裂紋顯著減少，這一發(fā)現(xiàn)已在工程應(yīng)用中獲得成功。該研究主要適用于承受壓應(yīng)力的焊縫，對(duì)于承受拉應(yīng)力的焊縫，這方面的研究結(jié)果尚有較大分歧。

在高強(qiáng)鋼焊接研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于抗拉強(qiáng)度≥800MPa高強(qiáng)鋼，除考慮強(qiáng)度外，還必須考慮焊接區(qū)韌性及裂紋的敏感性，為此，人們往往采用“低強(qiáng)配比”；但有時(shí)低強(qiáng)配比的焊接接頭力學(xué)性能和抗裂性能，比“等強(qiáng)配比”所得焊接接頭更優(yōu)異。

“低強(qiáng)配比”焊材并不意味著焊接接頭強(qiáng)度一定低于母材。這是因?yàn)槔碚撋系膹?qiáng)度配比不等于焊接接頭實(shí)際的強(qiáng)度配比，在工程中通常是按產(chǎn)品樣本規(guī)定的熔敷金屬名義保證值（或焊材標(biāo)稱強(qiáng)度）選擇焊材。但是，焊縫強(qiáng)度不同于熔敷金屬?gòu)?qiáng)度。事實(shí)上焊縫金屬的實(shí)際強(qiáng)度往往超出熔敷金屬的保證值。按名義強(qiáng)度選擇的低強(qiáng)焊接材料，實(shí)際所得到的焊縫強(qiáng)度未必低強(qiáng)。

考慮冶金因素、熔合比（稀釋率）和力學(xué)上的拘束強(qiáng)化效果，高強(qiáng)鋼焊縫的實(shí)際強(qiáng)度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出熔敷金屬的名義保證值。因此，選用“低強(qiáng)配比”的焊材，焊接接頭實(shí)際強(qiáng)度未必低強(qiáng)，可能等強(qiáng)，甚至稍許超強(qiáng)；而按“等強(qiáng)配比”選擇焊材則可能造成超強(qiáng)過(guò)多的效果，造成焊縫金屬?gòu)?qiáng)韌性和抗裂性的下降。

2 高強(qiáng)鋼焊接的主要關(guān)鍵技術(shù)[1]

試驗(yàn)證實(shí)：高強(qiáng)鋼焊接接頭一次焊接成功所獲得的焊縫，比返工后一次成功的焊縫的綜合指標(biāo)要好很多。因此，行業(yè)中對(duì)高強(qiáng)鋼焊縫中存在不是裂紋的超標(biāo)焊縫“緊急放行”的作法值得肯定。

完全可以這樣理解：高強(qiáng)鋼焊接接頭的強(qiáng)度、細(xì)化晶粒等指標(biāo)同鋼材的微合金元素直接有關(guān)，焊接熱循環(huán)會(huì)造成合金元素的損失。因此，多一次熱循環(huán)，合金元素的損失會(huì)增加，對(duì)焊接接頭質(zhì)量不利，必然降低焊接接頭的綜合性能。

焊接過(guò)程中，除焊材中水分蒸發(fā)外，金屬元素和熔渣中各種成分在電弧高溫下也會(huì)蒸發(fā)成為蒸氣。沸點(diǎn)越低的物質(zhì)越容易產(chǎn)生蒸氣。從圖1可看出，Zn、Mg、Bb、Mn等部分元素的沸點(diǎn)較低，因此在熔滴形成和過(guò)渡過(guò)程中最易蒸發(fā)。氟化物也因沸點(diǎn)低而易于蒸發(fā)。

圖1 各類元素沸點(diǎn)比較

微量元素?fù)p失的程度比鐵及鐵的化合物氣化損失高得多，這是一種比例失調(diào)的損失；對(duì)焊接而言，是多次進(jìn)行相同或者相似的熱循環(huán)。分析認(rèn)為：熱循環(huán)次數(shù)越多，比例失調(diào)也就越嚴(yán)重（工程實(shí)踐中稱為微合金元素?zé)龘p）；于是便形成了高強(qiáng)鋼焊接的第一問(wèn)題：有用元素蒸發(fā)不僅造成合金元素?fù)p失，影響焊接質(zhì)量，還增加了焊接煙塵，污染環(huán)境，影響焊工健康。

2.1 減少高強(qiáng)鋼焊接熱循環(huán)次數(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

（1）在鋼結(jié)構(gòu)的下料工藝中采用新技術(shù) 傳統(tǒng)燃?xì)庀铝锨懈钍卿摻Y(jié)構(gòu)焊接接頭的第一次熱循環(huán)。研究中發(fā)現(xiàn)：在切割帶淬硬傾向鋼材時(shí)，切割表面形成近1mm的淬硬層，對(duì)焊接及其不利。在研究高強(qiáng)鋼焊接性試驗(yàn)中，認(rèn)為以下4種方式可避免和減少下料切割工序熱循環(huán)的影響。

1）水切割：這種技術(shù)是采用300MPa以上帶磨料的高壓水切割鋼板，由于切割口完全沒有熱影響區(qū)，避免了一次熱循環(huán)。這種技術(shù)適合中薄板高強(qiáng)鋼的下料切割，在國(guó)外已被大量采用（見圖2）。

圖2 水切割設(shè)備（展品）

2）水下等離子切割：切割口幾乎沒有熱影響區(qū)，已被國(guó)內(nèi)外大量采用。

3）機(jī)械加工：幾乎沒有熱影響區(qū)。

4）火焰切割后機(jī)械磨除淬硬層：可以減少下料切割工序熱循環(huán)的影響。目前，在我國(guó)大量采用此種技術(shù)，但由于受人為干擾因素大，所以質(zhì)量問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。

（2）減少或取消碳弧氣刨 碳弧氣刨的熱循環(huán)形式雖然不同于焊接，但碳弧氣刨瞬間熱輸入比普通焊接大很多。在鋼材氣刨熱影響區(qū)中，仍然是和焊接相似的熱循環(huán)，同時(shí)氣刨表面硬度增加，焊縫會(huì)有滲碳層出現(xiàn)；碳弧氣刨噪聲、粉塵、比焊接明亮數(shù)倍的弧光，也會(huì)形成綜合污染，影響環(huán)境和焊工健康，同時(shí)造成極大浪費(fèi)，增加工程成本。

綜上所述，在高強(qiáng)鋼焊接性試驗(yàn)的研究中，提出了“減少或取消碳弧氣刨”的觀點(diǎn)。因此，碳弧氣刨技術(shù)在高強(qiáng)鋼的焊接工程中，正在逐漸縮小應(yīng)用范圍。

減少或消除碳弧氣刨的途徑是在鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝工程中，采用“不清根”焊接技術(shù)。例如：雙面雙弧同步同向打底成形技術(shù)，焊接試驗(yàn)如圖3所示。該技術(shù)是一項(xiàng)專門技術(shù)，可取代技術(shù)難度較高的單面焊雙面成形技術(shù)，廣泛應(yīng)用在全熔透對(duì)接立焊縫、全熔透T形角焊縫，以及特殊條件下的平焊對(duì)接焊縫。由于焊縫在打底成形之后直接進(jìn)行填充、蓋面，取消了碳弧氣刨清根工序，大大提高了工效，同時(shí)降低了工人單面焊雙面成形技術(shù)難度，保證了焊接質(zhì)量，因此具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖3 雙面雙弧同步同向打底成形技術(shù)試驗(yàn)

在“鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)焊接工程中率先采用了“雙面雙弧同步同向打底成形技術(shù)”，獲得成功（見圖4）[2，3]。

圖4 “鳥巢”13號(hào)柱腳雙面雙弧同步同向打底成形技術(shù)

雙面雙弧同步同向打底成形技術(shù)無(wú)淬硬組織生成。前電弧對(duì)后電弧有預(yù)熱作用，而后電弧對(duì)前電弧有后熱作用，正因?yàn)檫@個(gè)雙面雙弧同步同向打底成形技術(shù)特性，尤其在厚板高強(qiáng)鋼上，使焊縫區(qū)的擴(kuò)散氫有更多的逸出時(shí)間，焊縫組織出現(xiàn)針狀鐵素體，淬硬傾向小，同時(shí)焊接同向收縮，焊后殘余應(yīng)力小，因此更適合大厚板高強(qiáng)鋼的焊接，同時(shí)此種技術(shù)也適合于機(jī)器人自動(dòng)化焊接。

2.2 高強(qiáng)鋼焊接必須采用多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)

高強(qiáng)鋼焊接不宜擺動(dòng)，正確的操作方法就是“多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)”。為了證實(shí)上述觀點(diǎn)，在高強(qiáng)鋼焊接工藝研究中進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。

所謂多層焊技術(shù)，不是一次成形，而是多層成形，焊接運(yùn)條手法允許擺動(dòng)，焊接厚度一般不控制，適合低碳鋼厚板焊接。

多層多道焊就是在多層焊的基礎(chǔ)上，焊接手法上不允許擺動(dòng)，焊接厚度要明確規(guī)定，以限制焊縫的熱輸入，一般規(guī)定：GMAW、FCAW-G每一道不超過(guò)5mm（通常是3~5mm）；SMAW用AV值來(lái)確定每一道的厚度（AV＝一根焊條所焊焊縫的長(zhǎng)度／一根焊條除焊條頭外的長(zhǎng)度），通常AV≥0.6；在立焊位置允許擺動(dòng)，但限制擺幅：SMAW允許寬度為焊條直徑的3倍；GMAW、FCAW-G允許擺動(dòng)15~20mm。

多層多道錯(cuò)位焊接技術(shù)就是在多層多道焊接技術(shù)的基礎(chǔ)上，加入焊接接頭每一道次錯(cuò)位連接，即：接頭不在一個(gè)平面內(nèi)，通常錯(cuò)位50mm以上。這種技術(shù)特別適合于高強(qiáng)鋼厚板的焊接。

在焊接過(guò)程中，一次結(jié)晶對(duì)焊縫金屬組織有較大影響，主要影響因素有氣孔、裂紋和偏析，其中偏析影響最大。大擺動(dòng)焊接時(shí)，由于焊接速度過(guò)慢，導(dǎo)致焊接熱輸入過(guò)大，焊接接頭在高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，過(guò)熱現(xiàn)象越嚴(yán)重，晶粒粗大，極易產(chǎn)生偏析嚴(yán)重的柱狀晶，因而塑性和韌性下降越明顯，甚至造成冷脆。

在焊后冷卻過(guò)程中，焊縫從接近基本金屬開始凝固，單道焊的組織為典型的柱狀結(jié)晶，且共晶粒通常是沿等溫曲線法向方向（即最大溫度梯度方向）長(zhǎng)大。由于凝固是從純度較高的高熔點(diǎn)物質(zhì)開始，所以在最后凝固部分及柱狀晶的間隙處，便會(huì)留下低熔點(diǎn)不純物質(zhì)。在多層焊時(shí)，對(duì)前一道焊縫重新加熱，加熱超過(guò)900℃的部分可以消除柱狀晶并使晶粒細(xì)化。因此，多層焊比單層焊的力學(xué)性能要好，特別是沖擊韌度有顯著的提高。

3 快速壓縮脈沖電弧適合高強(qiáng)鋼焊接[4]

眾所周知：GMAW是理論上的無(wú)氫焊接，具有抗裂性強(qiáng)、熔深大、抗疲勞及焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)；然而，GMAW焊接時(shí)電弧穩(wěn)定性差、飛濺大，工藝性差，焊工掌握困難，所以焊縫成形較差。為了克服GMAW缺點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外，特別在歐洲正在深入研究高強(qiáng)鋼的富氬氣體保護(hù)焊接技術(shù)，并取得重大突破。

在我國(guó)，人們開始使用雙元-三元?dú)怏w保護(hù)，以改善噴射過(guò)渡形式，確實(shí)取得了一定效果，GMAW的飛濺大大減少，焊縫成形質(zhì)量大幅度提高。但是研究發(fā)現(xiàn)：隨著Ar比例的增加，焊縫的熔深逐漸下降、熔敷效率提高不大，說(shuō)明單純?cè)诒Ｗo(hù)氣體上作文章顯然是不夠的，應(yīng)當(dāng)考慮采用性能優(yōu)良的設(shè)備，配以己經(jīng)成功的二元?dú)怏w，這是高強(qiáng)鋼焊接試驗(yàn)研究的基本思想，也是目前唯一正確的技術(shù)路線。

有關(guān)研究證實(shí)：由于CO2氣體在弧柱中的吸熱分解反應(yīng)，對(duì)焊接電弧有強(qiáng)烈冷卻作用，與氬弧焊比較，其焊接電弧弧柱區(qū)窄，電弧斑點(diǎn)尺寸小。隨著保護(hù)氣體的CO2含量增加，焊接寬度明顯降低，電弧面積明顯收縮，見表2。

表2 富氬CO2氣體保護(hù)焊氣體比例與電弧形態(tài)關(guān)聯(lián)性

一般說(shuō)來(lái)， 在焊接過(guò)程中，在相同焊接參數(shù)的前提下，電弧面積越小，電弧密度也就越大；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)：CO2比例越高，焊接電流越大，電弧面積收縮越??；比例差距越大，焊接HAZ熔深也隨之增大。根據(jù)表2結(jié)論，要增加焊接HAZ的熔深，就必須增加CO2的含量，最好是100%采用CO2作為保護(hù)氣體，然而電弧的穩(wěn)定性會(huì)變差，飛濺變大，合金成分不成比例燒損也隨之增加。于是，人們?cè)谛枰附親AZ熔深和電弧穩(wěn)定性之間陷入迷茫，難以作出選擇。

3.1 新型脈沖MIG焊機(jī)高速射流過(guò)渡

新型脈沖MIG焊機(jī)高速射流過(guò)渡無(wú)飛濺、焊縫成形美觀、焊接HAZ熔深大、可全位置焊接。 在電源上采用了全橋軟開關(guān)結(jié)構(gòu)與數(shù)字控制相結(jié)合的方式，達(dá)到快速控制熔滴過(guò)渡過(guò)程的目的。由于脈沖頻率很高，對(duì)射流電弧和熔滴進(jìn)行有效的壓縮，從而形成電流密度極高的壓縮電?。ǜ咚倜}沖壓縮電?。M(jìn)而提高了焊接HAZ熔深（見圖5）。

圖5 電流密度極高的高速脈沖壓縮電弧

這種脈沖焊接方式減少了母材的熱輸入，可獲得熔寬均勻、美觀的紋狀焊縫，還增加了熔池的攪拌作用，將金屬內(nèi)形成的氣泡等缺陷的影響因素排除，同時(shí)細(xì)化了焊縫晶粒，降低了裂紋敏感性，提高了焊縫的整體質(zhì)量。為了證實(shí)高速脈沖壓縮電弧焊接工藝是目前高強(qiáng)鋼焊接最佳工藝之一，選擇了GMAW焊接工藝作對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析對(duì)比。

試驗(yàn)方式：采用自動(dòng)焊模擬機(jī)器人焊接（見圖6）。

快速脈沖壓縮電弧焊接工藝幾乎沒有飛濺（只在坡口不均勻時(shí)稍有一點(diǎn)飛濺），焊縫成形良好，表面焊接質(zhì)量幾乎同100%Ar（TIG）焊接一樣（見圖7）。

圖6 模擬機(jī)器人設(shè)備調(diào)試

圖7 快速脈沖壓縮電弧試件表面質(zhì)量

3.2 熔敷效率對(duì)比試驗(yàn)

Q420GJB試件，長(zhǎng)度600mm、厚度為45mm的全熔透焊縫，模擬機(jī)器人自動(dòng)焊，用快速脈沖壓縮電弧工藝焊接28道；而模擬機(jī)器人自動(dòng)焊采用相同焊接參數(shù)，傳統(tǒng)常規(guī)GMAW純CO2焊接32道（見圖8）。經(jīng)分析：快速脈沖壓縮電弧焊接工藝較GMAW傳統(tǒng)常規(guī)純CO2焊接工藝，熔敷效率提高12.5%。

圖8 熔敷效率對(duì)比試驗(yàn)

3.3 焊接HAZ熔深對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)方法是模擬機(jī)器人進(jìn)行角焊縫焊接，同前述一樣，用同一設(shè)備，同一焊材、同一焊接參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。宏觀金相分析及熔深測(cè)試如圖9、圖10所示。快速脈沖壓縮電弧焊接工藝焊接HAZ最大熔深為4.5mm；GMAW焊接HAZ最大熔深為3.5mm。

圖9 快速脈沖壓縮電弧焊接工藝最大熔深4.5mm

圖10 GMAW最大熔深3.5mm

4 結(jié)束語(yǔ)

1）高強(qiáng)鋼在焊接過(guò)程中存在熱裂紋、冷裂紋、脆斷及軟化傾向等問(wèn)題，因此在焊接施工中應(yīng)該高度重視焊接工藝方面的研究，解決上述問(wèn)題。

2）在高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，對(duì)焊接熱循環(huán)次數(shù)以及多層多道焊技術(shù)要重視起來(lái)，避免焊接質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題。

3）快速脈沖壓縮電弧焊接工藝試件焊接HAZ熔深平均水平大于GMAW，并且該技術(shù)徹底解除了對(duì)20%CO2+80%Ar氣體保護(hù)焊的疑慮。在試驗(yàn)中，提高了焊接接頭的綜合性能，為高強(qiáng)鋼動(dòng)載焊接提供了技術(shù)支持。