1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法
2023-06-07 06:43:46
1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法
【專利摘要】本發明公開了1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，打底層焊道採用「低強匹配」690MPa高韌性焊絲，提高焊縫根部韌性，增強抗裂性。填充層採用等強匹配900MPa高強高韌性焊絲，保證焊縫的強度和韌性。蓋面層採用760MPa鹼性藥芯焊絲，保證焊縫表面光潔平滑，外觀成形美觀。焊接過程控制層間溫度100～150℃，焊接完成後用矽酸鋁保溫材料覆蓋使焊接區保溫緩冷。本發明提出的在不預熱條件下實現1000MPa高強度鋼的組合焊接方法，可得到強度和韌性匹配良好的焊接接頭，對實現承載結構的輕量化有重要的意義。這種1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，具有生產效率高、結構輕量化、生成成本低、實用性強、適用範圍廣泛等特點。採用這項技術可以降低生產成本約25%，具有很好的工程應用前景。
【專利說明】10OOMPa高強度鋼不預熱組合焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高強度鋼的不預熱組合焊接方法，特別涉及一種用於IOOOMPa高強度鋼焊接結構的不預熱、不進行焊後熱處理和組合焊接方法，屬於焊接【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著鋼鐵結構強度級別的日益提高，高技術含量、高附加值的抗拉強度IOOOMPa的低合金高強度鋼越來越受到人們的關注，其中IOOOMPa高強度鋼焊接結構不僅能在工程領域滿足其強度要求，更能實現結構輕量化的戰略目標，提高材料利用率和降低結構重量，在礦山裝備、煤礦機械等工程領域有著廣闊的應用前景。
[0003]IOOOMPa高強度鋼強度級別較高，在工程應用中作為承載結構有獨特的性能優勢，但IOOOMPa高強度鋼成形工藝複雜、淬硬性大，在焊接中易出現冷裂紋等缺陷，對焊接工藝和焊接接頭質量要求較高。目前在焊接生產中，這類高強度鋼焊接多採用焊前預熱、焊後熱處理的工藝措施，通過熔化極氬弧焊(MIG)或混合氣體保護焊(MAG)等機械化或半機械化方法配合等強匹配焊材進行焊接。但這種焊接方法工藝複雜，焊接過程繁瑣，生產成本較高。特別是實際生產中大型焊接結構難以實現預熱和焊後熱處理，同時對焊接工藝過程和熱輸入要求嚴格，如預熱溫度過低易產生焊接裂紋，預熱溫度過高易造成焊接熱影響區軟化，導致焊接接頭質量難以滿足使用要求。
[0004]中國發明專利ZL200610070181.0 和 ZL200910019599.2 分別提出 800MPa 和900MPa高強度鋼的不預熱焊接工藝，可以實現部分高強度鋼的不預熱焊接。但採用這兩項技術難以實現更高強度級別IOOOMPa高強度鋼的焊接。目前針對IOOOMPa高強度鋼的焊接仍是採用預熱焊接方法。若能在不預熱、不焊後熱處理條件下，實現對IOOOMPa高強度鋼的焊接，對簡化焊接工藝、改善勞動條件和降低生產成本將有重要的意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服現有技術的不足，提出一種IOOOMPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，技術特點是:打底層採用低匹配690MPa高韌性焊絲鎢極氬弧焊，填充層採用900MPa高強高韌性實芯焊絲Ar+C02混合氣體保護焊，蓋面層採用760MPa藥芯焊絲Ar+C02混合氣體保護焊；焊接過程控制層間溫度100?150°C，焊後立即用矽酸鋁保溫材料覆蓋焊接區保溫緩冷。這種方法適用於IOOOMPa高強度鋼以及1000MPa/800MPa高強異種鋼的不預熱組合焊接，可獲得外觀光潔美觀的焊接接頭，焊縫中下貝氏體和鐵素體形態以細針狀分布，能夠起到抑制微裂紋萌生和擴展的作用。焊接熱影響區中形成強韌性較好的低碳馬氏體和下貝氏體混合組織，消除熱影響區的軟化問題。採用這種不預熱組合焊接方法獲得的焊接接頭抗拉強度900?980MPa、焊縫金屬_20°C條件下的衝擊吸收功大於47J，可滿足其使用要求。
[0006]為實現上述目的，本發明採用下述技術方案:
[0007]IOOOMPa高強度鋼不預熱組合焊接方法,工藝步驟如下:[0008](I)在待焊工件接頭處開雙面V形坡口，坡口角度為50°~60°，鈍邊2~3mm;
[0009](2)用手動砂輪片打磨坡口及坡口兩側20~30mm的表面，去除鐵鏽和油汙，露出金屬光澤，用無水乙醇和丙酮將打磨後的坡口及表面清洗乾淨；
[0010](3)採用填絲鎢極氬弧焊打底焊，填充「低強匹配」690MPa高韌性焊絲，用純氬氣保護，焊接參數為:鎢極直徑2.4mm，直流正極性；填充焊絲直徑2.0mm，焊接電壓12~14V，焊接電流90-180A，保護氣體流量12~20L/min。
[0011](4)填充焊採用900MPa高強高韌性實芯焊絲Ar+C02混合氣體保護多道多層焊，控制層間溫度100~150°C，焊接參數為:焊絲直徑1.2mm,焊接電壓30~33V，焊接電流280~380A，焊接熱輸入控制在12~20kJ/cm，保護氣體流量14~22L/min ;焊接過程中嚴格控制焊接熱輸入，控制焊接速度，收弧處填滿弧坑。
[0012](5)蓋面焊採用760MPa高強度鈣型鹼性藥芯焊絲Ar+C02混合氣體保護，焊接參數為:焊絲直徑2.0mm，焊接電壓24~28V，焊接電流220~360A，焊接熱輸入控制在12~20kJ/cm,保護氣體流量16~22L/min,焊絲伸出長度18~25mm ;焊接過程中控制焊接速度，焊後用矽酸鋁保溫材料覆蓋焊接接頭區域，使之保溫緩慢冷卻。
[0013]上述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法中，焊前不預熱，焊後不進行熱處理，焊接過程中須保持連續施焊，中途不得中斷焊接。整個焊接過程中注意保持層間溫度100~150°C，收弧部位不允許出現弧坑。
[0014]其中:步驟(3)中所述「低強匹配」690MPa高韌性焊絲優選直徑為2.0mm，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:c ( 0.12%, Si0.4%~0.8%, Mnl.2%~1.8%, Ni0.5%~
1.0%, Cu ( 0.35%, Mo0.20% ~0.55%, Nb0.02% ~0.1%，Ti ( 0.20%，餘量為 Fe ;熔敷金屬力學性能為:抗拉強度σ b≥690MPa，伸長率δ≥18%, _20°C衝擊吸收功Akv≥68J。
[0015]其中:步驟(3)中所述純氬氣為純度99.9%Ar的氬氣。
[0016]其中:步驟(3)中所述填絲氬弧焊所用噴嘴直徑優選為12mm，噴嘴到工件距離12mm。
[0017]其中:步驟(4)中所述900MPa高強高韌性實芯焊絲優選直徑為1.2mm，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C ( 0.12%, Si0.4%~0.8%, Mnl.2%~1.9%, (Mn+Ni)≥1.5%,Cu ( 0.5%，Nb0.02%~0.1%，餘量為Fe ;熔敷金屬力學性能為:抗拉強度σ b≥930MPa,屈服強度σ s≥835Pa，伸長率δ≥17%，_20°C衝擊吸收功Akv≥68J。
[0018]其中:步驟(4)所述Ar+C02混合氣體保護焊採用的Ar與CO2的體積比優選為80%~90%:20%~10%，且兩者體積之和為100%。
[0019]其中:步驟(5)中所述蓋面焊760MPa高強度鈣型鹼性藥芯焊絲優選直徑為2.0mm,其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為=C ( 0.15%，Si0.6%~0.8%，Mnl.2%~2.2%，Nil.25% ~2.60%, Cr0.2% ~0.6%, Mo0.3% ~0.6%, V0.02% ~0.03%,餘量為 Fe ;熔敷金屬力學性能為:抗拉強度σ b≥760MPa，屈服強度σ s≥680Pa，伸長率δ≥15%, _20°C衝擊吸收功Akv≥47J。
[0020]焊接接頭正面施焊完畢後，翻轉試板焊接背面封底焊縫時仍須保持試板溫度不低於10(TC。焊接背面封底焊縫時須先用電弧氣刨挑焊根，手動砂輪打磨清根後，再用80%Ar+20%C02混合氣體保護焊進行封底焊，配用直徑2.0mm的760MPa高強度鹼性藥芯焊絲，焊接參數與正面蓋面焊相同。[0021]本發明所述IOOOMPa高強度鋼不預熱組合焊接方法的技術方案是:打底層採用「低強匹配」690MPa高韌性焊絲，用填絲鎢極氬弧焊進行焊接；填充層採用900MPa高強高韌性實芯焊絲，用Ar+C02混合氣體保護焊多層多道焊，控制層間溫度100?150°C ;蓋面層採用760MPa高強度鹼性藥芯焊絲Ar+C02混合氣體保護焊，焊接完成後用矽酸鋁保溫材料覆蓋使之保溫緩冷，以防止冷卻快、淬硬性大而出現冷裂紋。焊接過程嚴格控制焊接熱量輸入不大於20kJ/cm。混合氣體保護焊的Ar與CO2的混合比例分比為(80?90)%Ar: (20?10)%C02。焊前不預熱，焊後不進行熱處理。
[0022]本發明提出的IOOOMPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，克服了現有工藝複雜(需預熱、後熱等)、生產效率低等不足，可獲得表面光潔平整的焊縫，無內部裂紋、夾雜等缺陷。焊縫金屬的抗拉強度大於930MPa，試驗溫度_20°C的焊縫金屬V形缺口衝擊吸收功為大於47J，具有較高的承載能力，能滿足其使用性能要求。熱影響區中形成強韌性較好的低碳馬氏體和下貝氏體組織，避免了熱影響區軟化問題。
[0023]本發明的技術要點體現在:打底層焊道採用「低強匹配」 690MPa高韌性焊絲，提高焊縫根部韌性，增強抗裂性(高強度鋼焊接裂紋多產生於焊縫根部，特別是900MPa以上的高強鋼)。填充層採用等強匹配900MPa高強高韌性焊絲，保證焊縫的強度和韌性。蓋面層採用760MPa鹼性藥芯焊絲，保證焊縫表面光潔平滑，外觀成形美觀。焊接過程控制層間溫度100?150°C，焊接完成後用矽酸鋁保溫材料覆蓋使焊接區保溫緩冷。
[0024]本發明提出的在不預熱條件下實現IOOOMPa高強度鋼的組合焊接方法，可得到強度和韌性匹配良好的焊接接頭，對實現承載結構的輕量化有重要的意義。這種IOOOMPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，具有生產效率高、結構輕量化、生成成本低、實用性強、適用範圍廣泛等特點。採用這項技術可以降低生產成本約25%，具有很好的工程應用前景。
【具體實施方式】
[0025]下面結合實施例對本發明進一步說明。
[0026]實施例1:
[0027]厚度為20mm的IOOOMPa高強度鋼(Q980)平板對接焊，試板尺寸為300mmX 148mmX 20mm。焊接試板對接接頭處用機械加工方法開雙面V形坡口，坡口角度55°，鈍邊3_。用手動砂輪打磨坡口及接頭處兩側20_範圍內的表面，打磨出金屬光澤。焊接設備選用動特性良好的逆變式焊機。採用不預熱組合焊接工藝施焊。焊接試板對接裝配，用混合氣體保護焊690MPa實芯焊絲點固焊。施焊前在焊接試板底下鋪墊厚度大於IOmm的矽酸鋁保溫材料。
[0028](I)打底焊採用填絲鎢極氬弧焊，填充低匹配690MPa高韌性焊絲，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C0.12%, Si0.4%, Mnl.8%, Ni0.5%, Cu0.35%, Mo0.20%, Nb0.1%，Ti0.20%，餘量為Fe，99.9%Ar純氬氣保護，焊接參數為:鎢極直徑2.4mm，直流正極性；填充焊絲直徑2.0mm，焊接電壓12V，焊接電流180A，保護氣體流量18L/min。噴嘴直徑為12mm，噴嘴到工件距離12mm。
[0029](2)填充焊用Ar+C02混合氣體保護焊，採用直徑1.2mm的900MPa高強高韌性實芯焊絲，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為=C0.12%，Si0.4%%，Mnl.9%，Ni0.5%，Cu0.5%，Nb0.02%,餘量為Fe，Ar和CO2氣體的體積比為85%:15%。在室溫25°C的不預熱條件下施焊，多層多道連續焊。焊接參數為:焊接電壓32V，焊接電流360A，焊接熱輸入18kJ/cm，保護氣體流量20L/min。層間溫度150°C。後續焊道施焊時應保持稍高的層溫(150°C )，使前一焊道對後續焊道起預熱作用(也有利於氫的擴散逸出)。收弧處填滿弧坑。
[0030](3)採用Ar+C02混合氣體保護焊蓋面焊，配用直徑2.0mm的760MPa高強度鹼性藥芯焊絲，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C0.15%，Si0.6%，Mn2.2%，Nil.25%，Cr0.6%, Mo0.3%, V0.03%，餘量為Fe，在試板溫度不低於100°C條件下施焊。焊接參數為:焊接電壓26V，焊接電流320A，焊接熱輸入18kJ/cm，焊絲伸出長度22mm ;保護氣體流量20L/
mirio
[0031](4)焊接接頭正面施焊完畢後，翻轉試板焊接背面封底焊縫，保持試板溫度150°C。先用電弧氣刨挑焊根，手動砂輪打磨清根後，再用80%Ar+20%C02混合氣體保護焊進行封底焊，配用直徑2.0mm的760MPa高強度鹼性藥芯焊絲，其熔敷金屬化學成分與(3)中相同，焊接參數與正面蓋面焊相同。
[0032](5)焊接完成後立即用矽酸鋁保溫材料覆蓋工件的焊接接頭區，使之保溫緩冷。
[0033]針對上述厚度20mm的IOOOMPa高強度鋼(Q980)，採用上述不預熱組合焊接工藝的焊接接頭外觀平整光潔，無表面和根部裂紋等缺陷。獲得的焊接接頭力學性能為:抗拉強度950MPa，伸長率10%，試驗溫度0°C的焊縫金屬V形缺口衝擊吸收功大於69J，能滿足使用性能要求。
[0034]實施例2:
[0035]厚度為14mm的Q890高強鋼與Q980高強鋼對接焊，試板尺寸為280mmX 160mmX 14mm。焊接試板對接接頭處用機械加工方法開單面V形坡口，坡口角度60°，鈍邊2_。用手動砂輪打磨坡口及接頭處兩側20_範圍內的表面，打磨出金屬光澤。用無水乙醇將打磨後的坡口及表面清洗乾淨。
[0036](I)焊接設備選用動特性良好的直流逆變式焊機。施焊前在焊接試板底下鋪墊厚度大於IOmm的矽酸鋁保溫材料。打底焊採用填絲鎢極氬弧焊，填充直徑2.0mm 「低匹配」690MPa高韌性焊絲，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C0.09%, Si0.8%，Mnl.8%，Ni0.5%, Cu0.30%, Mo0.55%, Nb0.02%, Ti0.10%，餘量為 Fe, 99.9%Ar 純氬氣保護，焊接參數為:鎢極直徑2.4mm，直流正極性；焊接電壓12V，焊接電流12A，保護氣體流量18L/min。噴嘴直徑為12mm，噴嘴到工件距離12mm。
[0037](2)填充焊採用900MPa高強高韌性實芯焊絲，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C0.08%, Si0.8%, Mnl.2%, Ni0.4%, Cu0.3%, Nb0.1%，餘量為 Fe, 85%Ar+15%C02 混合氣體保護多道多層焊，控制層間溫度100°C，焊接參數為:焊絲直徑1.2mm,焊接電壓3V，焊接電流280?320A，保護氣體流量14L/min ;焊接過程中控制焊接熱輸入在12kJ/cm，控制焊接速度，收弧處填滿弧坑。
[0038](3)蓋面焊採用80%Ar+20%C02混合氣體保護焊，配用直徑2.0mm的760MPa高強度鹼性藥芯焊絲，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C0.05%, Si0.8%, Mnl.2%, Ni2.60%，Cr0.2%, Mo0.6%, V0.02%，餘量為Fe，在試板溫度100°C條件下施焊。焊接參數為:焊接電壓24V，焊接電流250A，焊接熱輸入控制在16kJ/cm，焊絲伸出長度20mm ;保護氣體流量20L/min0
[0039](4)焊接接頭正面施焊完畢後，翻轉試板焊接背面封底焊縫。先用電弧氣刨挑焊根，手動砂輪打磨清根後，用80%Ar+20%C02混合氣體保護焊進行封底焊，配用直徑2.0mm的760MPa高強度鹼性藥芯焊絲，其熔敷金屬化學成分與(3)中相同，焊接參數與正面蓋面焊相同。
[0040](5)焊接完成後立即用矽酸鋁保溫材料覆蓋工件的焊接接頭區，使之保溫緩冷，防止接頭冷裂紋的萌生。
[0041]上述的Q890高強鋼與Q980高強異種鋼不預熱組合焊接中，對接的焊接試板應保持連續施焊，中途不得中斷焊接。焊前不預熱，焊後不進行熱處理。為了防止焊接接頭區產生裂紋，在整個焊接過程中保持層間溫度100°c，焊接完成後用矽酸鋁保溫材料覆蓋焊接區保溫緩冷。焊後接頭外觀平整光潔，無表面和根部裂紋。試驗溫度-20°C的焊縫金屬V形缺口衝擊吸收功大於74J，能滿足使用性能要求。
【權利要求】
1.1OOOMPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，工藝步驟如下: (I)在待焊工件接頭處開雙面V形坡口，坡口角度為50°~60°，鈍邊2~3mm; (2 )打磨坡口及坡口兩側20~30mm的表面，去除鐵鏽和油汙，露出金屬光澤，將打磨後的坡口及表面清洗乾淨； (3)採用填絲鎢極氬弧焊打底焊，填充低強匹配的690MPa高韌性焊絲，用氬氣保護，焊接參數為:鎢極直徑2.4mm，直流正極性；填充焊絲直徑2.0mm，焊接電壓12~14V，焊接電流90-180A，保護氣體流量12~20L/min ； (4)填充焊採用900MPa高強高韌性實芯焊絲Ar+C02混合氣體保護多道多層焊，控制層間溫度100~150°C，焊接參數為:焊絲直徑1.2mm，焊接電壓30~33V，焊接電流280~380A，焊接熱輸入控制在12~20kJ/cm，保護氣體流量14~22L/min ； (5)蓋面焊採用760MPa高強度鈣型鹼性藥芯焊絲Ar+C02混合氣體保護，焊接參數為:焊絲直徑2.0mm,焊接電壓24~28V，焊接電流220~360A，焊接熱輸入控制在12~20kJ/cm，保護氣體流量16~22L/min，焊絲伸出長度18~25mm ;焊後用矽酸鋁保溫材料覆蓋焊接接頭區域，使之保溫緩慢冷卻。
2.如權利要求1所述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，焊前不預熱，焊後不進行熱處理，焊接過程中保持連續施焊；整個焊接過程中保持層間溫度100~，150°C，收弧部位不出現弧坑。
3.如權利要求1所述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，步驟(3)中所述「低強匹配」690MPa高韌性焊絲，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C ( 0.12%，Si0.4% ~0.8%, Mnl.2% ~L 8%, Ni0.5% ~L 0%, Cu ( 0.35%, Mo0.20% ~0.55%, Nb0.02% ~，0.1%，Ti ( 0.20%，餘量為Fe ;熔敷金屬力學性能為:抗拉強度ob≤690MPa，伸長率δ≤18%，_20°C衝擊吸收功Akv≤68J。
4.如權利要求1所述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，步驟(3)中所述填絲氬弧焊所用噴嘴直徑為12mm，噴嘴到工件距離12mm。
5.如權利要求1所述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，步驟(4)中所述900MPa高強高韌性實芯焊絲直徑為1.2mm，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C ≤ 0.12%, Si0.4% ~0.8%, Mnl.2% ~1.9%, (Mn+Ni )≤ 1.5%, Cu ( 0.5%, Nb0.02% ~0.1%，餘量為Fe ;熔敷金屬力學性能為:抗拉強度σ b≤930MPa,屈服強度σ s≤835Pa，伸長率δ≤17%，-20°C衝擊吸收功Akv≤68J。
6.如權利要求1所述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，步驟(4)所述Ar+C02混合氣體保護焊採用的Ar與CO2的體積比為80%~90%:20%~10%，且兩者體積之和為100%。
7.如權利要求1所述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，步驟(5)中所述蓋面焊760MPa高強度鈣型鹼性藥芯焊絲直徑為2.0mm，其熔敷金屬化學成分以質量百分比計為:C ( 0.15%, Si0.6% ~0.8%,Mnl.2% ~2.2%, Nil.25% ~2.60%, Cr0.2% ~0.6%,Mo0.3%~0.6%, V0.02%~0.03%，餘量為Fe ;熔敷金屬力學性能為:抗拉強度σ b≤760MPa,屈服強度σ s≤680Pa，伸長率δ≤15%, _20°C衝擊吸收功Akv≤47J。
8.如權利要求1所述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，焊接接頭正面施焊完畢後，翻轉試板焊接背面封底焊縫時仍保持試板溫度不低於100°C。
9.如權利要求1所述的1000MPa高強度鋼不預熱組合焊接方法，其特徵是，焊接背面封底焊縫時須先用電弧氣刨挑焊根，手動砂輪打磨清根後，再用80%Ar+20%C02混合氣體保護焊進行封底焊，配用直徑 2.0mm的760MPa高強度鹼性藥芯焊絲，焊接參數與正面蓋面焊相同。
【文檔編號】B23K28/02GK103862184SQ201410125452
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月31日 優先權日:2014年3月31日
【發明者】李亞江, 劉坤 申請人:山東大學