序言

       近年来，公司为Gusto、AmClyde承建的多台海上吊机建造项目，为提高结构的承载力而大量使用高强钢管结构。作为吊机的主要受力部件拔杆是使用高强钢S690QL材料，这种高强钢焊接技术要求高，焊接过程中容易出现冷裂纹、热影响区脆化和软化等问题，必须对焊接工艺参数及焊接生产过程进行严格控制。笔者为此制定了详细的试验计划和控制措施，进行了多次试验，取得了良好的效果，并保证了较高的焊接生产效率，得到了业主和第三方的认可。本文拟就拔杆中的高强钢对接管为例，来分析研究高强钢焊接工艺及焊接控制措施。

1 试验材料

根据业主规格书及AWS D1.1标准的要求，试验材料选用EN 10025-6 S690QL，规格Ф406mm×25mm。其化学成分和力学性能分别见表1、表2。

表1 S690QL高强钢化学成分（质量分数）（%）

C	Si	Mn	P	S	N	Al	B	Cr	Cu	Mo	Nb	Ni	Ti	V	Zr
0.17	0.23	1.17	0.010	0.001	0.004	0.080	0.0031	0.33	0.03	0.22	0.031	0.04	0.003	0.004	0.00

表2 S690QL高强钢力学性能

屈服强度（ReL）/MPa	抗拉强度（Rm）/MPa	伸长率（A）/%
750	790	18

这类钢是一种热处理强化钢，在低碳的基础上加入提高淬硬性的合金元素，易形成低碳马氏体和上贝氏体的混合组织，若在Ms点附近的冷却速度过快，来不及“自回火” ，冷裂倾向比较大；加入Cr，Mo，Nb，V等合金元素而增加淬硬性，这些元素会引起再热裂纹；焊接时若线能量过大，高温停留时间长而引起奥氏体晶粒粗大，形成上贝氏体和M-A组元而引起HAZ区的脆化。因此，在焊接时要注意马氏体转变时的冷却速度不能太快，使生成的马氏体进行“自回火”处理，以防止冷裂纹；合理控制热输入和预热温度，使获得最佳的800～500℃之间的冷却速度，改善抗脆能力、提高热影响区韧性。

2 焊接方案的制定

按照标准和规格书要求，考虑到拔杆结构特点及现场施工情况，笔者针对Ф406mm×25mm管材对接，采用单面焊双面成形技术，制定了两套试验方案：方案一是采用STT打底，焊条电弧焊（SMAW）来填充、盖面；方案二是采用STT打底，药芯焊丝电弧焊（FCAW-G）进行填充、盖面。若管件评定合格，则此工艺可支持单独用SMAW或FCAW-G焊接加衬垫或背后清根的S690QL高强钢板焊缝。

根据母材的抗拉强度和屈服强度等力学性能，按照焊接工件的使用性能和工作条件以及结构特点、受力状态，选用与母材化学成分相近的焊接材料，并严格控制焊接材料的扩散氢含量（[H]≤5mL/100g），其相关内容见表3。

表3 焊接材料及相关内容

注：“-”表示不适用。

3 焊接工艺评定

3.1 坡口准备

根据现场情况及高强钢的焊接特点，准备S690QL钢管，数量为Ф406mm×25mm 2件，开V型坡口，具体的坡口角度、根部钝边、根部间隙见图1所示，焊接时采用管倾斜45°、固定焊的6G位置。

       http://www.weldinfo.net/file/upload/201308/20/16-56-17-93-1.jpg

图1 坡口细节

3.2 焊前预热温度及层间温度的控制

预热主要是为了防止裂纹，降低马氏体转变时的冷却速度，通过马氏体“自回火”作用提高抗裂性，所以在焊接过程中要严格控制层间温度，避免层间温度过高，使800～500℃之间的冷却速度低于出现脆性混合组织的临界冷却速度，使热影响区的韧性下降。本试验中焊前预热温度控制在100～120℃，焊接中层间温度最高值不超过200℃。

3.3焊接工艺参数

控制焊接热输入是保证焊接质量的关键步骤，热输入的大小直接影响到焊接接头的组织和性能。应选择合适的电流、电压、焊接速度等工艺参数，以获得最佳的热输入。焊接时，采取的工艺参数见表4和表5。 

表4 方案一 焊接工艺参数

表5 方案二 焊接工艺参数

3.4焊接过程控制措施

3.4.1鉴于高强钢材质的特殊性，下料及切坡口前都要预热100～120℃，结束后用保温棉进行保温缓冷。温度降到室温后用电动砂轮机打磨坡口表面氧化皮。

3.4.2组对前检查坡口面的硬度，以防止硬度过大，产生淬硬倾向；对坡口面做磁粉检查（MT），确保坡口面完好。

3.4.3进行组对点焊时也要预热，预热温度为100～120℃；在焊接结束之前应确保焊缝温度维持在合理的温度区间范围之内。

3.4.4焊接时的引弧和熄弧要在坡口内进行，严禁在坡口以外的母材表面引弧；注意接头处、道间、层间的清理，清理时使用电动砂轮机进行。

3.4.5焊接过程中不能随意停止焊接，要保证所熔敷的金属厚度在母材厚度的2/3以上。

3.4.6焊接过程中，焊道要控制好厚度，不要太厚或太薄；不要使焊道过宽，尽量采取窄焊道，使焊道成形

良好。

3.4.7在焊接的过程中，注意焊道的布置，每一层焊道由坡口两边向中间焊接；盖面焊时，采用与回火焊道相近的盖面焊道构成，焊道顺序见图2。

图2 焊道顺序图

 

3.4.8后热处理

焊接结束后，采用电阻加热器在焊缝两侧各150mm范围内进行后热处理，温度控制在250～300℃，保温时间2小时，以减少焊接接头的扩散氢含量，降低焊缝的脆性，提高焊缝接头的综合性能。

4 试验结果及分析

4.1 无损检测（NDT）

业主规格书要求焊接完成后72h对试件进行NDT检验，包括焊缝外观检查、磁粉检测（MT）、超声波检测（UT）、射线检测（RT）等，检验结果表明未出现任何缺陷，满足AWS D1.1标准和业主规格书的要求。

4.2 弯曲试验

根据业主规格书和AWS D1.1标准要求，将加工好的4件侧弯试样进行弯曲，弯曲时压头直径d为63.5mm，弯曲角度为180°；对弯曲后的试样凸面的表面缺陷进行检查，试验结果满足标准规范要求。

4.3拉伸试验

根据业主规格书和AWS D1.1标准要求，将加工好的2件缩减断面拉伸试样进行拉伸破断，检测拉伸强度。

4.4 冲击试验

将制备好的标准冲击试样（取样位置位于上、下表面，缺口位置分别位于焊缝中心、熔合线、熔合线+1mm、熔合线+2mm、熔合线+5mm，共10组，每组3件试样，规格尺寸10mm×10mm×55mm）放在JB-500冲击试验机上，在-30℃下进行夏比冲击试验，其吸收能量值满足相关规范要求。

4.5焊缝宏观腐蚀

焊缝金属宏观照片表明焊缝熔合良好，无裂纹等缺陷。

4.6硬度检测

对焊接接头的上、中、下表面各一排进行硬度检测，每排包含焊缝、两侧的热影响区、两侧的母材，每个区域各三个单独的压痕，HV₁₀硬度值均没有超过420，满足标准规范要求。

5 结束语

从两个工艺方案的过程及结果分析来看，试件的NDT检测及力学性能均能满足规范标准要求。其中，SMAW操作方便、适应性强，适合焊接各种位置，质量可靠，但效率较低；FCAW-G焊缝成形较好，效率较高，但易受气流、风等环境条件的影响，质量不如SMAW可靠。两个焊接工艺方案都具备可行性，在施工现场可根据操作性和环境条件等来灵活选择采取何种方案，也为公司高强钢的焊接施工和质量控制积累了经验。

S690QL高强钢焊接难度大、易出现焊接缺陷等问题，但通过严格控制焊接工艺参数、焊接前的预热温度和焊接过程中的层间温度，采取合理的技术和后热处理措施，便能获得良好的焊接接头和焊接质量。

该高强钢的焊接工艺已成功的运用在公司建造的多个吊机项目中，为高强钢的焊接制造提供了有效的技术支持，赢得了业主和第三方的好评。

参考文献

[1] American Welding Society. Structural Welding Code-Steel AWS D1.1/ D1.1M：2010. American National

Standards Institute.

[2] 陈祝年.焊接工程师手册[M]. 北京：机械工业出版社.2010.

[3] 中国机械工程学会焊接学会编. 焊接手册. 材料的焊接[M].北京：机械工业出版社.2008.

[4] 李亚江，暴一品，蒋庆磊，马群双. Q690高强钢热影响区显微组织和性能研究[J]. 现代焊接，2011, 6,J12～J14.