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【摘 要】800MPa级高强钢近年来在工程机械行业里用的越来越多。为了完成大型塔机吊臂的生产制作任务，对H80高强钢的材质及吊臂的工况做了简单介绍；分析了H80高强钢的焊接性，确定了焊接方法，并按“等强匹配”原则选择了焊接材料；根据工艺评定确定了焊接工艺参数及焊后热处理工艺。指出现场焊接时控制热输入及焊道间温度是该焊接工艺的关键。
【关键词】H80/D80钢；焊接方法；焊接裂纹
FZQ1380型附着自升式塔机是一种新型附着自升式塔机，最大额定起重量为63t，工作时允许最低温度为-20℃。具有起升高度大，作业范围广，起重量大，抗风能力强，自重轻等特点，适用于单机容量为300～1000MW火力发电机组狭小施工场地中的锅炉安装及厂房吊装等施工作业。起重臂（吊臂）是塔吊結构中最重要的承重部分，总重量子力学15.557t，根部中心到头部滑轮组中心距为59063.76m；该起重臂由根段落、7m段、3节12m段、前段和头部共7节组成。按设计要求，起重臂主弦杆采用H80高强钢管，每节起重臂之间采用D80材质的锻件构成销轴连接。H80/D80钢连接焊缝作为起重臂的连接点和受力集中点，其焊接质量是该起重臂制作中的关键。
1.H80/D80高强钢简介
HITEN780高强钢的最低抗拉强度为780MPa ，依加工制作工艺不同为H80和D80两种产品，该钢种是在低碳锰钢的基础上通过加入适量的Cr、Ni、Mo、Cu等元素和V、Nb、Ti、B等微合金元素经热处理调质而成。
H80钢为起重臂主弦杆材质，规格为Φ127mm×11mm。出厂前经热加工并调质处理，淬火后回火温度为660℃（进口管）。D80钢为重臂接头锻件，供货状态为扩氢退火，加工后重新进行调质处理，回火温度为630-640℃。
国内800MPa以上级别高强钢的焊接工程量很少，只有少数几家重型机械厂从国外引进了低合金调质高强钢的焊接技术。虽然一些单位对低合金调质高强钢的焊接材料、焊接工艺进行了一些针对性的研究，但核心技术的资料收集存在较大困难。
2.焊接工艺
2.1 H80钢的焊接性分析
H80钢管分别由日本NKK和成都无缝钢管厂供货，D80采用成都产的和H80同炉的钢坯经锻造加工而成，其化学成份和国产H80一致。H80/D80均经过调质处理，母材组织为回火马氏体+回火贝氏体，使强韧性匹配达到最佳。
从两种（进口/国产）H80高强钢的化学成分和力学性能参数对比可以看出，H80/D80钢的w（C）均不超过0.2%。由于合金元素的强化作用，焊缝及焊接热影响区淬硬性得到提高，焊后组织均为马氏体；该马氏体组织的转变温度点Ms较高，同类钢如日本WELTEN-80C的马氏体转变起始温度为470℃，次层焊缝可对上一层焊缝形成的马氏体组织自动回火，即有“自回火”特性；组织的改善降低了冷裂纹产生的几率，使焊接过程中冷裂纹倾向减小。但焊接过程中如果热输入集中或冷却速度较低，在焊接热影响区则易发生软化或脆化现象，若冷却速度较快，焊接热影响区易发生淬硬组织，有出现冷裂和韧性下降的倾向。
由此看来，制定H80/D80焊接工艺时需要解决两个方面的问题：
（1）防止焊接裂纹。
（2）在保证满足高强度的同时，提高焊缝金属及焊接热影响区（HAZ）冲击韧度。
2.2焊接方法的选定
为了尽可能避免裂纹和尽量提高和生产效率，高强钢焊接一般采用热输入较小的熔化极活性气体保护焊或隋性气体保护焊等工艺方法，并且尽量使用自动化或半自动焊焊接；对于800MPa级以上的低合金调质钢，熔化极气体保护焊如CO2焊或Ar+CO2混合气体保护焊是较好的焊接方法。但目前仍然有一些生产企业因为考虑到掌握气体保护焊焊接工艺的问题、采购与母材相匹配的焊接材料的问题，以及考虑焊接接头的可达性（如D80母材一侧有一舌头伸出形成衬圈，要求焊缝根部须熔合良好，）等方面的问题而决定采取焊条电弧焊工艺方法。
2.3焊接材料的选定
2.3.1焊缝韧性匹配的原则
一般情况下按照“等强匹配”原则选择焊接材料，即焊缝金属的力学性能要和母材相当。近年来美国、日本等国从防止焊接冷裂纹角度考虑认为“等强匹配”可能造成超强结果，使焊接区金属韧性和抗裂性能下降；他们对“低强匹配”焊接接头区的组织进行了研究并取得了进展，认为“低强匹配”的焊接接头在抗裂性和韧性方面优势较大，并针对一些结构刚度很大，承受压应力的焊缝作了实际应用，证明可以满足使用要求。
在没有“低强匹配”方面的可靠资料和数据的情况下，我们认为按照传统的“等强匹配”原则选择焊接材料的方案较为可靠。采用北京钢铁研究院（安泰科技股份有限公司）研制生产的AT-J807B焊条。
2.3.2 J807B焊条的工艺性能
该焊条属药皮过渡类型焊条，在焊条电弧形成的冶金小环境里，在施焊中必然会存在合金成分过渡不均的现象，尤以药皮成块脱落时为甚，且存在一部分合金元素的烧损现象。成份，组织不均匀，必然会造成局部力学性能的差异，在焊缝上容易形成“软肋”或“硬痂”，对焊缝强韧性构成有害。因此需要在焊工培训中重点加强技术练习，克服操作工艺上的困难。
2.4焊接工艺的参数
制定焊接工艺参数时须考虑以下3个问题。
（1）焊前预热，改善母材金属的焊接性，延缓冷却过程，利于焊缝中氢的析出，降低接头内部的残余应力。
（2）低热输入，小参数焊接。利于控制熔池形状，降低缺陷几率，减小变形，同时能细化晶粒，改善焊缝宏观组织；有关800MPa级高强钢的焊接资料表明，施焊中热输入应控制在25KJ/cm 以下。
（3）控制道间温度，利用H80钢“自回火”特性改善焊缝微观组织，获得良好的强韧性能。 2.5焊后热处理工艺
低合金调质高强钢一般在焊态下使用，但在特定条件下（承受动载，低温等）应进行焊后热处理。设计要求规定，接头焊缝残余应力不得大于屈服点的5%，残余应力不合格时，应进行热处理。考虑到现场组合中额外的拘束应力和因之形成的残余应力的大小具有不可预测性，而且可能没有可靠的儀器进行检测，为安全起见，应采取焊后热处理工艺消除残余应力。
2.6焊接及热处理施工工艺控制
由于H2是焊接冷裂纹的最直接的诱发因素，因此在对焊接过程中按规定要求严格执行焊条烘焙、理场保温筒使用程序和焊口清理程序，降低H2的来源；焊后保温缓冷，当天施焊的焊口当天必须热处理完，确保焊缝中的H充分逸出，减小冷裂纹产生几率。每层焊缝只焊接两面各上焊焊缝，向下焊焊缝须翻身成向上焊位才能施焊，避免焊条在仰焊位置因熔敷效果不好产生焊接缺陷。施焊中注意接头的质量和引弧、收弧方式，注意气孔、未熔合、夹渣等缺陷，表面咬边必须修补并磨平；盖面焊缝注意过渡圆滑，边角不圆整得应采用锉刀修磨处理。
3.焊接结果
3.1经焊接工艺评定试验，焊缝接头质量达到设计使用要求
力学性能试验结果：抗拉强度达825MPa（D80母材处断裂），50°面弯、背弯均合格，-20℃低温冲击韧度40.42J/cm2，硬度试验结果为焊缝HB243，母材HB227，热影响区HB206。金相检验结果显示焊缝、热影响区组织和母材一致，均为回火索氏体+回火贝氏体组织。
3.2焊后检验
焊后应进行外观检查，要求所有焊缝应100%进行外观检查，焊缝尺寸必须符合图纸设计要求，焊缝表面不允许出现裂纹、未熔合、气孔、夹渣、焊瘤等缺陷，表面余高控制在2.5mm以内，超出部分和过渡不圆滑处需打磨修理。外观检查不合格的焊缝，须经修补合格后方能进行下一步的检查。
焊后需进行无损检验，焊缝接头无损检验执行100% 超声检验、100%硬度测试、100%、着色+磁粉检验。
4.结论
（1）800MPa级高强钢采用焊条电弧焊接工艺，按“等强原则”选用焊接材料，并采用焊后热处理工艺，满足并达到了设计使用要求。
（2）对焊接热输入和道间温度的控制，是H80主强钢焊接工艺中的关键。
（3）下一步可考虑采用“低强匹配”原则，选择强度等级稍低一引起的焊条（如750MPa级）或采用惰性气体保护焊工艺提高焊缝金属韧性，以更好地满足设计要求。
【关键词】H80/D80钢；焊接方法；焊接裂纹
FZQ1380型附着自升式塔机是一种新型附着自升式塔机，最大额定起重量为63t，工作时允许最低温度为-20℃。具有起升高度大，作业范围广，起重量大，抗风能力强，自重轻等特点，适用于单机容量为300～1000MW火力发电机组狭小施工场地中的锅炉安装及厂房吊装等施工作业。起重臂（吊臂）是塔吊結构中最重要的承重部分，总重量子力学15.557t，根部中心到头部滑轮组中心距为59063.76m；该起重臂由根段落、7m段、3节12m段、前段和头部共7节组成。按设计要求，起重臂主弦杆采用H80高强钢管，每节起重臂之间采用D80材质的锻件构成销轴连接。H80/D80钢连接焊缝作为起重臂的连接点和受力集中点，其焊接质量是该起重臂制作中的关键。
1.H80/D80高强钢简介
HITEN780高强钢的最低抗拉强度为780MPa ，依加工制作工艺不同为H80和D80两种产品，该钢种是在低碳锰钢的基础上通过加入适量的Cr、Ni、Mo、Cu等元素和V、Nb、Ti、B等微合金元素经热处理调质而成。
H80钢为起重臂主弦杆材质，规格为Φ127mm×11mm。出厂前经热加工并调质处理，淬火后回火温度为660℃（进口管）。D80钢为重臂接头锻件，供货状态为扩氢退火，加工后重新进行调质处理，回火温度为630-640℃。
国内800MPa以上级别高强钢的焊接工程量很少，只有少数几家重型机械厂从国外引进了低合金调质高强钢的焊接技术。虽然一些单位对低合金调质高强钢的焊接材料、焊接工艺进行了一些针对性的研究，但核心技术的资料收集存在较大困难。
2.焊接工艺
2.1 H80钢的焊接性分析
H80钢管分别由日本NKK和成都无缝钢管厂供货，D80采用成都产的和H80同炉的钢坯经锻造加工而成，其化学成份和国产H80一致。H80/D80均经过调质处理，母材组织为回火马氏体+回火贝氏体，使强韧性匹配达到最佳。
从两种（进口/国产）H80高强钢的化学成分和力学性能参数对比可以看出，H80/D80钢的w（C）均不超过0.2%。由于合金元素的强化作用，焊缝及焊接热影响区淬硬性得到提高，焊后组织均为马氏体；该马氏体组织的转变温度点Ms较高，同类钢如日本WELTEN-80C的马氏体转变起始温度为470℃，次层焊缝可对上一层焊缝形成的马氏体组织自动回火，即有“自回火”特性；组织的改善降低了冷裂纹产生的几率，使焊接过程中冷裂纹倾向减小。但焊接过程中如果热输入集中或冷却速度较低，在焊接热影响区则易发生软化或脆化现象，若冷却速度较快，焊接热影响区易发生淬硬组织，有出现冷裂和韧性下降的倾向。
由此看来，制定H80/D80焊接工艺时需要解决两个方面的问题：
（1）防止焊接裂纹。
（2）在保证满足高强度的同时，提高焊缝金属及焊接热影响区（HAZ）冲击韧度。
2.2焊接方法的选定
为了尽可能避免裂纹和尽量提高和生产效率，高强钢焊接一般采用热输入较小的熔化极活性气体保护焊或隋性气体保护焊等工艺方法，并且尽量使用自动化或半自动焊焊接；对于800MPa级以上的低合金调质钢，熔化极气体保护焊如CO2焊或Ar+CO2混合气体保护焊是较好的焊接方法。但目前仍然有一些生产企业因为考虑到掌握气体保护焊焊接工艺的问题、采购与母材相匹配的焊接材料的问题，以及考虑焊接接头的可达性（如D80母材一侧有一舌头伸出形成衬圈，要求焊缝根部须熔合良好，）等方面的问题而决定采取焊条电弧焊工艺方法。
2.3焊接材料的选定
2.3.1焊缝韧性匹配的原则
一般情况下按照“等强匹配”原则选择焊接材料，即焊缝金属的力学性能要和母材相当。近年来美国、日本等国从防止焊接冷裂纹角度考虑认为“等强匹配”可能造成超强结果，使焊接区金属韧性和抗裂性能下降；他们对“低强匹配”焊接接头区的组织进行了研究并取得了进展，认为“低强匹配”的焊接接头在抗裂性和韧性方面优势较大，并针对一些结构刚度很大，承受压应力的焊缝作了实际应用，证明可以满足使用要求。
在没有“低强匹配”方面的可靠资料和数据的情况下，我们认为按照传统的“等强匹配”原则选择焊接材料的方案较为可靠。采用北京钢铁研究院（安泰科技股份有限公司）研制生产的AT-J807B焊条。
2.3.2 J807B焊条的工艺性能
该焊条属药皮过渡类型焊条，在焊条电弧形成的冶金小环境里，在施焊中必然会存在合金成分过渡不均的现象，尤以药皮成块脱落时为甚，且存在一部分合金元素的烧损现象。成份，组织不均匀，必然会造成局部力学性能的差异，在焊缝上容易形成“软肋”或“硬痂”，对焊缝强韧性构成有害。因此需要在焊工培训中重点加强技术练习，克服操作工艺上的困难。
2.4焊接工艺的参数
制定焊接工艺参数时须考虑以下3个问题。
（1）焊前预热，改善母材金属的焊接性，延缓冷却过程，利于焊缝中氢的析出，降低接头内部的残余应力。
（2）低热输入，小参数焊接。利于控制熔池形状，降低缺陷几率，减小变形，同时能细化晶粒，改善焊缝宏观组织；有关800MPa级高强钢的焊接资料表明，施焊中热输入应控制在25KJ/cm 以下。
（3）控制道间温度，利用H80钢“自回火”特性改善焊缝微观组织，获得良好的强韧性能。 2.5焊后热处理工艺
低合金调质高强钢一般在焊态下使用，但在特定条件下（承受动载，低温等）应进行焊后热处理。设计要求规定，接头焊缝残余应力不得大于屈服点的5%，残余应力不合格时，应进行热处理。考虑到现场组合中额外的拘束应力和因之形成的残余应力的大小具有不可预测性，而且可能没有可靠的儀器进行检测，为安全起见，应采取焊后热处理工艺消除残余应力。
2.6焊接及热处理施工工艺控制
由于H2是焊接冷裂纹的最直接的诱发因素，因此在对焊接过程中按规定要求严格执行焊条烘焙、理场保温筒使用程序和焊口清理程序，降低H2的来源；焊后保温缓冷，当天施焊的焊口当天必须热处理完，确保焊缝中的H充分逸出，减小冷裂纹产生几率。每层焊缝只焊接两面各上焊焊缝，向下焊焊缝须翻身成向上焊位才能施焊，避免焊条在仰焊位置因熔敷效果不好产生焊接缺陷。施焊中注意接头的质量和引弧、收弧方式，注意气孔、未熔合、夹渣等缺陷，表面咬边必须修补并磨平；盖面焊缝注意过渡圆滑，边角不圆整得应采用锉刀修磨处理。
3.焊接结果
3.1经焊接工艺评定试验，焊缝接头质量达到设计使用要求
力学性能试验结果：抗拉强度达825MPa（D80母材处断裂），50°面弯、背弯均合格，-20℃低温冲击韧度40.42J/cm2，硬度试验结果为焊缝HB243，母材HB227，热影响区HB206。金相检验结果显示焊缝、热影响区组织和母材一致，均为回火索氏体+回火贝氏体组织。
3.2焊后检验
焊后应进行外观检查，要求所有焊缝应100%进行外观检查，焊缝尺寸必须符合图纸设计要求，焊缝表面不允许出现裂纹、未熔合、气孔、夹渣、焊瘤等缺陷，表面余高控制在2.5mm以内，超出部分和过渡不圆滑处需打磨修理。外观检查不合格的焊缝，须经修补合格后方能进行下一步的检查。
焊后需进行无损检验，焊缝接头无损检验执行100% 超声检验、100%硬度测试、100%、着色+磁粉检验。
4.结论
（1）800MPa级高强钢采用焊条电弧焊接工艺，按“等强原则”选用焊接材料，并采用焊后热处理工艺，满足并达到了设计使用要求。
（2）对焊接热输入和道间温度的控制，是H80主强钢焊接工艺中的关键。
（3）下一步可考虑采用“低强匹配”原则，选择强度等级稍低一引起的焊条（如750MPa级）或采用惰性气体保护焊工艺提高焊缝金属韧性，以更好地满足设计要求。