高强度结构钢HG785D焊接工艺研究

高强度结构钢HG785D焊接工艺研究

张升波  ,杨晓龙

山西航天清华装备有限责任公司，山西 长治046012

摘要：本文针对高强度结构钢HG785D材料分别使用手工电弧焊(SMAW)和熔化极气体保护焊（MIG)两个焊接工艺方法进行焊接试验，焊后对焊缝接头进行了机械性能试验分析与焊缝金相及组织的显微观测，掌握两种焊接工艺方法的焊接性。实验结果显示，采用合理的焊缝参数、匹配的焊接材料及接头形式，可以得到焊接性能更加优异的焊缝接头，并已在实际产品的使用过程中获得了良好的效果。

关键词：高强度结构钢；HG785D；焊接

HG785D属国内自主研发的新型低合金高强钢，具有高强度、低膨胀系数和稳定的弹性模量，由于它焊接前既不需要进行时效和热处理，而且焊接成型后一般又不需要做进一步的退火和热处理，为各种高强度结构焊接件的最理想材料。然而低合金高强度钢焊接工艺由于是随着对其合金硬度等级要求标准的提高逐步地提高，冷裂纹产生的温度敏感性也逐步地增加，焊缝受热后发生破裂变形的温度倾向也随之明显逐渐地上升，所以，选择和设计出合理而可靠有效的焊接工艺参数显得至关重要[1]。为了全面深入理解认识和准确把握HG785D钢板的主要焊接参数及工艺性能，掌握各种合理和有效组合的焊接性工艺原理和工艺参数，所进行的HG785D钢板焊接性工艺研究有着重大深远的意义。

一、试验材料和方法

1.1试验材料

本试验采用10mm厚HG785D钢板，V型坡口对接型式焊接，尺寸为300mmx100mm，坡口及尺寸见图1。

HG785D钢板化学成分和力学性能见表1和表2。

1.2焊接材料选择

针对HG785D材料的主要成分、焊接产品力学性能要求以及焊接产品结构特点，本次在进行焊接产品工艺技术试验的研究过程中，HG785D钢板主要是通过使用手工电弧焊(SMAW)和熔化极气体保护焊（MIG)两个焊接工艺方法同时进行试件焊接[2]，其中SMAW使用焊条J707，MIG焊使用焊丝ER80-G，其两种焊接材料的化学成分见下表3与表4。

1.3焊接试验

由于焊接热能输入量是直接决定焊缝及接头的组织特性好坏的主要的参数，热输入量过大时，会直接使焊缝的热影响区的金属晶粒变粗大，产生更粗大晶粒的的铁素体含量，甚至会产生脆性组织，对金属韧性不好。在数小时后，会出现在高温辐射的直接影响下所形成的淬硬组织，易导致产生焊接裂纹。这是两种极端情况，会直接影响到焊接接头质量。而且HG785D对焊接热输入也比较的敏感，所以，热输入量应该尽量控制在一个合理允许的范围内。MIG焊前试验全部采取自动化焊接试验的工艺方法来进行焊接工艺参数匹配，所有焊接试板均全部是采取单面或多层多道焊接成形，焊前均预先进行焊接预热和时间计算处理，并全部使用工程机械装备夹具来进行夹持[3]。试板焊缝检验合格后，根据目前我国现行QJ176B-2016《地面设备熔焊通用技术条件》标准中I级焊缝要求对高强度结构钢HG785D的焊缝100％进行X光探伤，检验合格后按工艺要求制作拉伸试样，对以上的两种焊接接头分别可进行金相观察和显微相观察。

二、试验结果及分析

2.1拉伸试样断口分析

由延伸的试样断口宏观形状进行分析，断口截面宏观上看产生出了一个明显的颈缩，断缝成粗纤维状，颜色比较灰暗，边缘还带有一个剪切唇，表明焊缝材料在的连续拉伸过程中都出现了一个强烈的热塑性裂纹流动，属一种典型的热塑性裂纹，说明该焊缝的接头强度特性优良。

为便于进一步研究分析焊接试验结果，分别对焊接部位切取了金相试样，测量的试样经磨制、润色处理后再用中低比强度的混合金属酸液进行浸蚀处理后，放置试样于金相显微镜条件下进行了观察，接头可区分出为焊缝区、热影响区及母材区，焊缝区组织结构均为呈共价结晶物，焊缝、热影响区与、母材区域均清晰或肉眼观察可见，铁素体和珠光体均为随轧制方向的平行均匀状分布，铁素体数量差别相对较小，说明该HG785D材料碳含量也相对的较低；图2、图3都显示为热影响区组织，先共分析的铁素体含量在沿奥氏体晶界的各个方向区域范围内几乎都是呈魏氏型组织，而且，能够有较为的明确地观测并发现了自焊缝过热区方向至焊缝母材区方向晶粒尺寸上的组织变化特征也是相当的显著，其中投资焊缝的过热区组织颗粒相对较粗大，母材区组织颗粒其次，焊接区域组织颗粒也较为的细微，表明该焊接过热区域的组织颗粒塑性都比较良好。经对各组试样整体进行分析，焊缝区、热影响区晶粒结构变化基本正常，均未发现明显异常。

图2    热影响区组织                     图3  热影响区组织

2.2产品焊接验证

针对HG785D材料开展的焊接工艺研究后得出合理的焊接工艺参数，并已顺利地把HG785D钢件的焊接工艺参数成功运用推广到了某型号产品的典型焊接生产过程中，焊接生产完成后对产品的所有焊缝都分别进行了着色与无损探伤的双重技术检测才能合格生产(但也由于目前该型产品绝大部分焊接的内部焊缝通常都设计为搭接对接焊缝，焊接后的产品内部的焊缝质量情况通常都无法通过直接的使用X光机来做出较为准确客观的质量评价，而且，生产出来的产品焊缝长度也通常都较长。且焊缝体积较笨重，X光检查时操作比较麻烦，而且检查的周期也较长，同时也因为X光探伤检验方式的使用收费相对较高，所以，在能够确保产品质量满足了公司产品的安全使用的技术要求和规定要求的两个基本条件前提下，采用着色探伤检验的方式来对焊接焊缝质量进行了无损探伤检测)，焊接后表面光滑无裂纹，并分别经连续三次的进行了静载强度检验(加载1.25倍配重质量)、动载(加载1.25X1.1倍配重质量)和强度试验(加载3倍配重质量)的检测，全部合格，达到了生产和使用条件[4]。

三、结束语

从HG785D试验试样的检测结果数据上分析，每个接头试样的抗拉强度σ值都需在706.5MPa之上，即每个接头试样的最大抗拉强度都不低于母材名义值的90％，其中的最大抗拉强度值超过了840MPa，说明了HG785D这种焊接材质需要具备了更多的高硬度性和更良好的焊接性。

多层多道焊过程中，层道间的温度差异或层道层间的温差有二种完全不同类型的温度控制的方法，导致填充温度的时间差异变化很大，对于显微组织的影响也很大，进而直接影响到显微组织层的组织厚度、接头材料的力学性能。

由于焊缝中热影响区的组成结构及物理化学特性等的重大改变使得对于焊缝热量的输送变得更为敏感，所以，焊缝热处理工艺过程控制中加强焊缝热输入量的监控将是一个直接的影响焊缝品质控制的重要关键技术。而热输入量又与焊接电流、焊前的预热温度以及焊接层间温度变化等焊工艺参数直接相关，选择最合适的焊工艺参数必不可少。

经过对本文的深入分析研究，明确给出了高强度结构钢HG785D的各种焊接工艺及其对应的比较合理经济的焊缝参数区间，掌握了焊接热影响区组织结构和焊接参数的微小改变以及对焊接热输入的温度敏感性，为今后的各种型号材料中涉及应用到的HG785D焊接工艺参数给予了比较有力可靠的技术支持依据与参考。

参考文献：

[1]赵焕金，谢春霞.在钢结构厂中设计的一些研究与探讨 [J].建筑建材市场装修，2019（4）.

[2]郭俊，贺维.高强度结构钢HG785D焊接工艺研究在公共建筑中的防火设计[J].防火工程技术研究：中文版，2019（1）：00038-00038.

[3]何继伟，崔涛.在钢结构设计中的保护策略探究 [J].防火科技，2020（21）.