BS700高强钢臂架焊接工艺研究

霍雷，张毅，王伟

中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司 河南新乡 453000

1 序言

工程机械产品具有设计结构强度高、使用工况恶劣、产品使用过程中受动载荷作用较明显的特点，这就导致工程机械产品对设计结构、结构强度和工件重量有较高的要求。在产品设计中，为了保证产品结构的强度，满足使用时动载荷强度和产品轻量化的要求，必须在产品的关键结构中大量使用高强钢或超高强钢，如某产品的臂架，长度4～5m，工件板厚10m m，横截面宽度350mm×250mm，工件整体采用上下两端的折弯U形件对接结构，构件结构如图1所示。对接处开8mm×60°对接坡口，坡口焊缝焊接成形，焊接后保证焊缝的焊接质量和结构强度，产品设计时选用材料为BS700高强钢。

图1 构件结构示意

针对BS700高强钢臂架焊接，首先进行焊接工艺试验，主要进行了焊缝的无损检测、力学性能检测和宏观金相试验，然后对臂架工件进行焊接实践验证，确定BS700高强钢臂架焊接的工艺方法，为同类产品的工艺实践提供参考。

2 焊接试件准备

2.1 焊接材料

表1 BS700钢力学性能

表2 BS700钢化学成分（质量分数）（%）

（2）焊接材料 根据BS系列高强钢的材料性能，在接头力学性能满足工件焊接要求的前提下，BS系列高强钢的配套焊接材料应尽可能选择强度级别稍低的焊接材料，避免高匹配焊接材料的选用，因此，推荐选用最低抗拉强度700MPa级别的焊接材料。选用GHS-70级高强钢焊丝，焊丝直径1.2mm。焊丝的力学性能和化学成分分别见表3、表4。

表3 GHS-70焊丝力学性能

表4 GHS-70焊丝化学成分（质量分数）（%）

2.2 试件制备

结合臂架结构特征，由于臂架采用折弯U形件对接结构，对接处开钝边为2mm的V形坡口，坡口角度60°。选用10mm厚BS700板材，激光下料尺寸为400mm×150mm×10mm板件，尺寸150mm一端开钝边2mm的单边V形坡口，坡口角度30°，去除坡口面氧化渣等杂物，打磨坡口表面至见金属光泽，将板件组对成对接坡口，板件间预留2mm的间隙，定位焊焊接牢固，如图2所示。

图2 对接坡口示意

3 试件焊接工艺方法

焊前清理工件待焊表面，打磨焊缝及焊缝两侧30～50mm内不得有锈蚀、油污、油漆等污物，并打磨表面至见金属光泽。根据焊接位置、接头形式和作业效率等选择合适的焊接辅助装置。室内焊接，确保环境温度≥5℃，焊接工位风速＜2m/s。

在试件两端分别焊接引弧板、引出板，引弧板、引出板材质与试件相同或相近，尺寸不小于50mm×30mm×6mm，并打磨引弧板、引出板表面至见金属光泽。

由于BS700钢材属于高强钢板，为了降低试件的焊接应力和拘束度，减缓焊后的冷却速度，避免产生氢致裂纹，同时也为了降低焊缝及热影响区的淬硬倾向，提高焊缝接头的抗裂性能[1-3]，焊前需进行局部预热，预热温度为100～150℃，预热范围为焊缝两侧各100mm左右。

焊接时先全位置焊接打底焊缝，焊缝成形均匀，焊缝高度3～4m m，焊后检查，若焊缝有夹渣、气孔和裂纹等缺陷，则必须刨除缺陷焊缝后重新焊接。采用多层多道焊接方法，后一焊道压住前一焊道焊缝的1/3～1/2，焊缝的接头处错开距离不少于8～10mm，焊缝层间、道间必须清渣处理。控制焊缝的层间、道间温度为100～250℃。若温度过低，则需重新预热，焊后使用石棉被保温。

为了减少焊接飞溅、细化溶滴、增强多层多道焊接金属间的熔合度、降低微裂纹倾向和改善焊缝成形质量、提高焊缝的综合性能[1-3]，采用富氩混合气体保护（80%Ar＋20%CO2）焊接方法，使用GHS-70级焊丝，焊丝直径1.2mm，人工焊接，焊缝分3层依次焊接完成，焊接参数见表5。

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表5 富氩混合气体保护焊焊接参数

试件焊接后，清理焊缝表面及引弧板、引出板切割面，焊缝表面及周围不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷及明显的焊渣飞溅，焊缝与母材交接处圆滑过渡。为了防止焊接冷裂纹产生，改善接头的组织和力学性能，有效消除焊接内应力，稳定尺寸，减小加工和使用过程中的变形[4]，焊接后整体进行去应力处理，以释放焊接内应力，获得质量稳定的焊缝。

4 试件焊后检测

4.1 外观检查

试件焊接后，进行焊缝外观检查，焊缝与母材交接处圆滑过渡，焊缝成形均匀，接头匀直，焊缝表面未出现裂纹、气孔、未熔合、夹渣及明显的焊渣飞溅等缺陷。

4.2 无损检测

试件焊接完成24h后，进行焊缝的超声波检测，按照GB/T 11345—2013《焊缝无损检测 超声检测技术、检测等级和评定》进行B级检测，并按照GB/T 29712—2013《焊缝无损检测 超声检测 验收等级》2级标准进行验收。

经无损检测，焊缝内部未发现超标缺陷，焊接质量达到2级要求。

4.3 力学性能检测

试件经无损检测后，依据ISO 15614-1：2017《金属材料焊接工艺规程及评定》规定，并结合我公司臂架产品的设计要求，分别进行了焊缝拉伸试验、弯曲试验、宏观金相检测等焊缝力学性能检测，试件检测全部合格，试验结果如下。

（1）拉伸试验 按照GB/T 2651—2008《焊接接头拉伸试验方法》对试件的焊缝接头进行拉伸试验，在万能试验机上进行试验，焊缝的抗拉强度为770～781MPa，相当于GHS-70级焊丝的抗拉强度，满足BS700钢材焊接低匹配原则要求，且拉伸断裂位置不在焊缝上，表明试件的焊缝满足设计焊缝的强度要求，试验结果见表6。

表6 拉伸试验结果

（2）弯曲试验 按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》对试件的焊缝接头进行弯曲试验，根据ISO 15614-1：2017《金属材料焊接工艺规程及评定》进行2件180°正弯和2件180°背弯试样的弯曲试验，试样弯曲后均未出现裂纹和其他缺欠，表明试件焊缝接头的强度和塑性较好，满足标准ISO 15614-1：2017《金属材料焊接工艺规程及评定》的要求，试验结果见表7。

表7 弯曲试验结果

（3）宏观断面试验 按照GB/T 226—2015《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》对试件的焊缝接头进行低倍宏观金相检测。经检测，焊缝接头未出现肉眼可见的裂纹、未熔合、根部未焊透等缺陷及其他危害性缺欠，焊缝已完全焊透，且焊缝成形良好，如图3所示。

图3 接头宏观断面照片

试件的焊接检测结果显示，试件焊缝已完全焊透且焊缝成形良好，焊缝内部未出现GB/T 29712—2013《焊缝无损检测 超声检测 验收等级》2级标准的超标缺陷，焊缝质量达到2级要求，焊缝接头的抗拉强度相当于GHS-70级焊丝的抗拉强度，满足BS700钢材焊接时低匹配焊接材料的原则要求，且焊缝接头的强度和塑性较好，弯曲（正弯、背弯）180°后均未发现裂纹和其他缺欠，满足ISO 15614-1：2017《金属材料焊接工艺规程及评定》焊接质量要求。检测表明，对于BS700钢材对接焊缝，采用富氩混合气体保护（80%Ar＋20%CO2）焊接方法，选用GHS-70级高强钢焊丝，焊丝直径1.2mm，使用表5中的焊接参数，焊接时预热温度至100～150℃，采用多层多道焊接方法，并控制焊缝的层间道间温度的焊接工艺方法是可行的，能够满足其焊接质量要求。

5 工件焊接生产过程

5.1 工件组对

工件经折弯、开设坡口后，吊运至拼装平台上进行组对，上下两件中心线对齐，坡口焊缝对接，对接处错边量≤1mm，坡口间预留2mm拼装间隙，如图4所示。组对后定位焊焊接牢固，工件表面外侧焊接桥板控制工件的焊接变形。

图4 工件组对

5.2 焊接工艺方法

焊前清理工件待焊表面及焊缝两侧，打磨焊缝及焊缝两侧30～50mm内露出金属光泽，不得有影响焊接质量的铁锈、油污、水及涂料等异物。

室内焊接，确保环境温度≥5℃，焊接工位风速＜2m/s。焊前局部预热，预热温度至100～150℃，预热范围为焊缝两侧各100mm左右。采用富氩混合气体保护（80%Ar＋20%CO2）焊接方法，使用GHS-70级焊丝，焊丝直径1.2mm，焊接参数见表5。

为了减小工件的不均匀温度场，增大焊缝与空气的接触面积，使焊接后的焊缝热量尽快散失，以控制工件的焊接应力[5]，减小工件的纵向焊接变形，工件纵向焊缝采用交替法、间断性焊接[6]，从两端向中间分段跳焊，逐段将整条纵焊缝焊满，焊接顺序如图5所示。

图5 纵向焊缝焊接顺序

为了减小焊接应力对工件外形的作用，控制工件的横向焊接变形，工件两侧的对称焊缝采用对称性焊接，一侧焊完一层后翻转焊接另一侧焊缝，焊接后再翻转焊接这一侧焊缝，依次类推，焊缝厚度方向分多次逐步将两侧焊缝焊满，不允许一次性焊满一侧焊缝后再焊接另一侧焊缝，焊接顺序如图6所示。

图6 两侧焊缝焊接顺序

先全位置焊接打底焊缝，焊缝成形均匀，焊缝高度3～4m m，焊后检查，若焊缝有夹渣、气孔和裂纹等缺陷，则必须刨除缺陷焊缝后重新焊接。填充焊和盖面焊，清理打底焊缝表面焊渣飞溅，采用多层多道焊接方法，后一焊道压住前一焊道焊缝的1/3～1/2，焊缝的接头处错开距离不少于8～10m m，焊接时控制焊缝层间道间温度100～250℃，当温度＜100℃时，需停止焊接并重新加热。

焊接后焊缝表面覆盖石棉被保温，工件冷却后，清理焊缝表面及周围不得有裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷及明显的焊渣飞溅，焊缝与母材交接处圆滑过渡。然后，对工件整体进行去应力处理。

5.3 焊后质量检测

（1）工件外观检查 工件焊接完成后，进行外观质量检查，工件外形尺寸变形量≤1mm，焊缝对接处外形尺寸内缩0.5～1mm，三维坐标检查工件表面的平面度≤1.5mm，工件整体焊接变形量满足图样设计公差要求。

（2）焊缝外观检查 焊缝成形均匀，接头匀直，焊缝表面没有出现裂纹、气孔、未熔合、夹渣及明显的焊渣飞溅等焊接缺陷。工件放置2天后，再次检查焊缝表面，未出现裂纹、气孔、未熔合、夹渣及明显的焊渣飞溅等焊接缺陷。

（3）焊缝内部检测 工件放置24h后，进行焊缝的超声波检测，检测焊缝的有效熔深≥板厚，满足图样设计的熔深要求。焊缝内部未出现G B/T 29712—2013《焊缝无损检测 超声检测 验收等级》2级标准的超标缺陷，焊缝质量达到2级要求。

6 结束语

通过对BS700高强钢试件的焊接试验和BS700高强钢臂架的焊接实践证明，对于BS700高强钢臂架，采用富氩混合气体保护（80%Ar＋20%CO2）焊接方法，选用GHS-70级高强钢焊丝，焊丝直径1.2mm，使用本研究所用焊接参数，焊接时预热温度至100～150℃，采用多层多道焊接方法，并控制焊缝的层间、道间温度的焊接工艺方法是可行的，能够满足臂架产品的焊接质量需求。同时，通过纵焊缝交替法、间断性焊接，对称焊缝对称性焊接，并辅以外侧加焊桥板的焊接工艺方法，能够有效控制工件的焊接变形，满足臂架图样要求的形位公差。

对于BS700高强钢臂架产品，上述焊接工艺方法已通过我公司产品的批量验证，产品在施工服役过程中没有出现焊缝开裂、层状撕裂等焊接质量问题。实践证明，该种焊接工艺方法是经得起实践考验的，对于BS700高强钢材和同类臂架产品的焊接和生产，具有积极的实践意义和参考价值。