CN102500892B - 微合金化tmcp q460钢fcaw焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种微合金化TMCP Q460钢FCAW焊接方法。该方法包括：1、选用药芯焊丝作为焊接材料；2、清理组对，坡口表面和附近母材应打磨清理；3、确定t_8/5时间＜20s，按照t_8/5时间确定临界厚度(16mm)上下的热输入范围：工件厚度≤临界厚度时≤17.6kJ/cm，工件厚度＞临界厚度时≤30kJ/cm；4、以临界厚度(16mm)为例的一组Q460E焊接钢管的焊接工艺及参数：采用单面焊双面成型工艺，多层多道焊接，层间温度控制在150℃以下。打底层焊接电流135-145A，焊接电压19.5-20V，焊接速度80-120mm/min；填充层焊接电流135-160A，焊接电压20-23V，焊接速度90-170mm/min，盖面层焊接电流160-180A，焊接电压21-23V；焊前不进行预热，无焊后热处理；5、本发明方法能够满足TMCP Q460钢的焊接要求，得到性能良好的焊接接头。

Description

微合金化TMCP Q460钢FCAW焊接方法

技术领域

本发明属于微合金化TMCP Q460钢的电弧焊工艺及操作方法技术领域，具体的说，涉及一种低低合金高强钢Q460E的FCAW焊接工艺方法。

背景技术

我国输电线路铁塔目前用材主要以热轧角钢型材为主，辅以少量钢管，钢材的品种以Q235和Q345两种为主，铁塔采用热镀锌防腐，使用年限约为50a。铁塔用材与发达国家相比，品种少、强度值偏低、可选择余地小。

随着我国电力业的快速发展，大容量、长距离、高电压的输电线路越来越多，杆塔的荷载越来越大。多回路同塔并架和大坡度的铁塔将越来越多地被采用。杆塔结构的大型化发展，组成铁塔的型材规格也越来越多，使得目前常用的低强度热轧型钢已难以满足使用要求，因此在我国探求一种适合输电铁塔的新型钢已显得十分必要。

随着Q460高强钢SZ1直线真型塔试验在国网北京电力建设研究院杆塔试验站圆满完成。国内输电铁塔即将大规模应用Q460高强钢，现阶段Q460高强钢一般可分为两种，一种为合金化Q460钢，另一种为TMCP(控轧控冷)Q460钢。后者的焊接工艺研究目前国内较少，现阶段焊接方法大多采用手工电弧焊或实芯焊丝气体保护焊，如2009101726382号《输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法》的发明专利申请，该专利使用的两种焊接方法：其中手工焊条电弧焊的缺点是：工序较为复杂、焊接过程可见度较差、生产效率低，劳动强度大，对焊工的操作技能要求较高。

实芯焊丝CO₂气体保护焊：焊接区的保护气体易受外界气流干扰、易产生飞溅、对钢材的适应性不强等方面的缺点。

该专利对焊接接头进行了-30℃的低温性能试验，按照标准要求判断其使用的材料应为Q460D级钢，其低温使用要求是-20℃。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种微合金化TMCP Q460钢(Q460E)FCAW焊接方法，经常规及低温(-40℃)性能试验，结果表明此方法能够得到性能良好的焊接接头。

1、一种微合金化TMCP Q460钢FCAW焊接方法，该方法包括：

第一、选用药芯焊丝作为焊接材料；

第二、清理组对

根据管材厚度选择坡口形式及尺寸为32.5°±2.5°，钝边量1-2mm，组对间隙为3-4mm，坡口表面和附近母材内、外侧各20mm应打磨，将铁锈、油污、氧化皮杂物清理干净，直至露出金属光泽；

第三、焊接工艺参数：

通过试验及计算得到TMCP Q460钢薄板与厚板的临界厚度为16mm；

TMCP Q460钢合金元素含量低，HAZ淬硬和冷裂倾向很小，所以不必考虑t_8/5下限问题，只需要进行上线的确定，经热模拟试验得到t_8/5时间上限为＜20s；

厚度超过临界厚度时按照如下t_8/5理论计算公式进行热输入计算；

$t_{8/5}=(0.67-5\×{10}^{-4}{T}_o)\mathrm{\ηE}(\frac{1}{500-T_o}-\frac{1}{800-T_o})F_3$

式中：η——不同焊接方法的相对效率，取0.85；

E——热输入，J/cm；

T₀——初始温度，℃；

F₃——接头系数，取1.0

得到工件厚度大于临界厚度时热输入E的上限为≤30kJ/cm；通过工艺及热模拟试验验证，按照此热输入条件进行焊接能够得到性能良好的焊接接头；

工件厚度小于等于临界厚度时按照以下经验公式进行计算；

$t_{8/5}=(0.043-4.3\×{10}^{-5}{T}_0)\frac{{\mathrm{\η}}^2{E}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}[{\left(\frac{1}{500-T_0}\right)}^2-{\left(\frac{1}{800-T_0}\right)}^2]F_2$

式中：η——不同焊接方法的相对效率，取0.85；

E——热输入，J/cm；

T₀——初始温度，℃；

F₂——接头系数；

δ——板厚，cm；

t_8/5必须＜20s，相对效率，取0.85，板厚16mm，层间温度为150℃，接头系数取1，得到E上限为17.6kJ/cm。

所述的选用药芯E551T1-Ni2规格为Φ1.2的高镍焊丝，能够显著改善接头性能。

对给定工件厚度等于16mm时，按照E≤17.6kJ/cm热输入范围给定焊接工艺，具体步骤是：

采用单面焊双面成型工艺，多层多道焊接，层间温度控制在150℃以下，打底层焊接电流(I)为135-145A，焊接电压(U)为19.5-20V，焊接速度(V)为100-140mm/min；填充层焊接电流为140-160A，焊接电压为20-23V，焊接速度为120-180mm/min，盖面层焊接电流为160-180A，焊接电压为21-24V；140-200mm，焊前不进行预热，无焊后热处理；

不同厚度的工件可以按照给定的热输入范围进行工艺参数的设置，匹配各数据使其达到最佳的焊接效果。

本发明的优点和积极效果：

本发明方法采用的FCAW焊接方法综合了焊条电弧焊和实芯焊丝CO₂气体保护焊的优点。与焊条电弧焊相比，它具有效率高，熔深大的优点，节省了填充金属的使用量；与实芯焊丝相比，其焊接熔池不仅受到CO₂气体保护，还受到熔渣保护，具有焊缝成形好，抗气孔能力强的优点。生产效率是手工焊的1～4倍，焊缝成形好，接头性能可靠、产品质量稳定焊后变形量小，焊接成本低只有手工电弧焊的40％～50％。此工艺选择的方法和材料能够满足极端恶劣条件下(低温-40℃)时的接头性能，因此，在低温高寒地区输电工程中推广此种焊接工艺和方法焊接TMCP Q460钢将大大提高施工效率和产品质量。能够保证TMCP Q460钢在电网铁塔建设中的应用获得成功。

附图说明

图1是组对示意图；

图2是焊层焊道图；

图3是焊接接头的微观金相及硬度试样图；

图4是冲击试样图(试验后)，其中，A为冲击试样2#C2(Q460002-HR-01\0203)，B为冲击试样2#C1(Q460-002-HF-01\02\03)；

图5是工艺评定拉伸试样图(试验后)；

图6是熔敷金属化学分析试样图(试验后)；

图7是工艺试验弯曲试样图(试验后)；

图8是E551T1-Ni2熔敷金属显微组织；

图9是E551T1-Ni2熔敷金属冲击断口形貌(-40℃)，其中a为宏观试样，b为微观试样；

图10是应力与断裂时间关系曲线；

图11是t_8/5对Q460E级钢热影响区韧性平均值的影响；

图12是不同t_8/5时间下冲击试验断口微观形貌，a)t_8/5为20s时的冲击断口形貌(-40℃)，b)t_8/5为30s时的冲击断口形貌(-40℃)；

图13是Q460E焊态和热处理状态下残余应力曲线，a为管坐标轴，b为延焊缝中心应力分布情况曲线。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的微合金化Q460钢FCAW焊接方法的具体内容及操作步骤如下：

1、材料的选用：选用TMCP Q460钢Φ400×200×16mm焊接钢管，牌号为Q460E；

Q460E化学成分如下：C：0.05％；Mn：1.36％；Si：0.2％；S：0.003％；P：0.008％；Nb：0.04％；余为Fe；

Q460E焊接接头基本要求；抗拉强度Rm≥550-720MPa；屈服强度Re≥460MPa；断后伸长率≥17％；冷弯180°条件下裂纹长度≯3mm；吸收功-40℃；Akv≥34J；

对母材及焊材分别进行了材料的性能试验，通过临界断裂应力试验及热模拟试验研究Q460E级钢的焊接性及其焊接预热温度和最佳热输入范围；

通过焊接材料试验主要研究焊材能否满足Q460E钢焊接的“等强度”和“韧性匹配”要求，并最终优选了E551T1-Ni2药芯焊丝，作为焊接材料，熔敷金属焊接工艺及各项性能、微观组织如下表：

熔敷金属焊接工艺参数

熔敷金属力学性能

熔敷金属组织分析：

焊缝金属在光学显微镜下的显微组织为贝氏体+针状铁素体，具有较高的低温冲击韧性，如图8所示。-40℃冲击试件的断口形貌如图9所示，为准解理穿晶断裂和少量韧窝的混合断口。

2、清理组对：根据管材厚度选择合适的坡口形式及尺寸，坡口尺寸为32.5±2.5°，钝边量1-2mm，组对间隙为3-4mm；坡口表面和附近母材(内、外侧)各20mm应打磨，将铁锈、油污、氧化皮等杂物清理干净，直至露出金属光泽，组对示意见图1；

3、焊接工艺参数：

采用插销试验法进行了FCAW焊接条件下Q460E材料的冷裂纹敏感性试验，其临界断裂应力为980MPa，远高于于材料的屈服极限460MPa，因此焊接时可以不预热，其应力与断裂时间关系曲线如图10所示。通过对比分析可以得到如下结论采用超低碳、高韧性的CHT81Ni2药芯焊丝，可以提高FCAW焊接Q460E钢时的抗冷裂纹性能。

采用热模拟试验方法进行试验确定在不同t_8/5条件下Q460E级钢焊接接头热影响区冲击韧性变化情况，从而确定其t_8/5时间；

1)试验表明t_8/5对Q460E级钢热影响区韧性平均值的影响如下，t_8/5对常温冲击韧性的影响较小，对低温冲击韧性影响很大，当t_8/5达到20s时，低温韧性显著降低，其变化情况如图11所示。

通过断口及金相分析的显微分析认为粗晶区中的上贝氏体以及M-A组元等中间组织致使其低温韧性显著降低。断口微观金相照片如图12所示

2)焊接热输入范围确定

热模拟研究结果表明，Q460E级钢的t_8/5上限应限制在20s以内，否则热影响区将出现比较严重的脆化问题。通过计算得到其最佳热输入范围为厚板情况下≤30kJ/cm，薄板情况下≤17.6kJ/cm(薄板与厚板的临界厚度为16mm)。

给定工件厚度等于16mm时，其焊接工艺为：采用单面焊双面成型工艺，多层多道焊接，层间温度控制在150℃以下，焊层焊道示意见图2。打底层焊接电流135-145(A)，焊接电压19.5-20(V)，焊接速度80-120(mm/min)；填充层焊接电流135-160(A)，焊接电压20-23(V)，焊接速度90-170(mm/min)，盖面层焊接电流160-180(A)，焊接电压21-23(V)，热输入小于17.6kJ/cm，层间温度≤150℃，在环境温度不低于0℃时，焊前不进行预热，无焊后热处理。

4、使用盲孔法对Q460E焊态和热处理状态下残余应力值进行测试对比，其值差距很小，不会对接头性能造成影响。故针对Q460E级钢焊接可取消其焊后热处理。

残余应力曲线如图13所示。

焊后按照DL/T821进行无损检验，试件评定为一级。

性能试验按GB2651《焊接接头拉伸试验方法》进行，见表1

表1、拉伸试验数据

试样编号	屈服强度	抗拉强度	断后延伸率
				Q460-002-HL-01	---	614	---
Q460-002-HL-02	---	612	---

经过拉伸试验测试，按照本发明工艺参数完成的焊接接头，抗拉强度高于材料要求值，拉伸试样形貌见图5。

弯曲实验依据GB2653《焊接接头弯曲及压扁试验方法》进行，见表2。

表2、弯曲试验数据

试样编号	弯曲角度	结果
			Q460-002-MW-01	180°	完好(合格)
Q460-002-BW-02	180°	完好(合格)

弯曲到规定角度试件完好，表明焊接接头的塑韧性良好，弯曲试验试件形貌见图7。冲击实验按照GB2650-89《焊接接头冲击试验方法》进行，见表3。

表3、工艺评定冲击试验结果

冲击试验温度：-40℃，冲击试样开V型缺口，低温冲击韧性良好，未发生热影响区脆化问题，焊缝及热影响区冲击试样见图4，其中，A为冲击试样2#C2(Q460-002-HR-01\02\03)，B为冲击试样2#C1(Q460-002-HF-01\02\03)。

通过化学分析试验验证，焊缝熔敷金属化学成分符合标准要求值，化学分析试样见图6。

通过微观金相及硬度分析，焊缝组织及硬度值符合要求，微观金相及硬度试样见图3。

综上所述，本发明提供的FCAW焊接工艺和方法，能够满足TMCP Q460钢焊的焊接要求，得到性能良好的焊接接头，特别是在极端恶劣环境(高寒低温-40℃)地区输电工程中推广此种焊接工艺和方法焊接TMCP Q460钢将大大提高施工效率和产品质量，能够保证TMCP Q460钢在电网铁塔建设中的应用获得成功。

Claims (3)

1.一种微合金化TMCP Q460钢FCAW焊接方法，其特征在于该方法包括：

第一、选用药芯焊丝作为焊接材料；

第二、清理组对

根据管材厚度选择坡口形式及尺寸为32.5°±2.5°，钝边量1-2mm，组对间隙为3-4mm，坡口表面和附近母材内、外侧各20mm应打磨，将铁锈、油污、氧化皮杂物清理干净，直至露出金属光泽；

第三、焊接工艺参数：

通过试验及计算得到TMCP Q460钢薄板与厚板的临界厚度为16mm；

TMCP Q460钢合金元素含量低，HAZ淬硬和冷裂倾向很小，所以不必考虑t_8/5下限问题，只需要进行上限的确定，经热模拟试验得到t_8/5时间为＜20s；

厚度超过临界厚度时按照如下t_8/5理论计算公式进行热输入计算；

$t_{8/5}=(0.67-5\×{10}^{-4}{T}_o)\mathrm{\ηE}(\frac{1}{500-T_o}-\frac{1}{800-T_o})F_3$

式中：η——不同焊接方法的相对效率，取0.85；

E——热输入，J/cm；

T₀——初始温度，℃；

F₃——接头系数，取1.0

得到工件厚度大于临界厚度时热输入E为≤30kJ/cm；通过工艺及热模拟试验验证，按照此热输入条件进行焊接能够得到性能良好的焊接接头；

工件厚度小于等于临界厚度时按照以下经验公式进行计算；

$t_{8/5}=(0.043-4.3\×{10}^{-5}{T}_0)\frac{{\mathrm{\η}}^2{E}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}[{\left(\frac{1}{500-T_0}\right)}^2-{\left(\frac{1}{800-T_0}\right)}^2]F_2$

式中：η——不同焊接方法的相对效率，取0.85；

E——热输入，J/cm；

T₀——初始温度，℃；

F₂——接头系数；

δ——板厚，cm；

t_8/5必须＜20s，相对效率，取0.85，板厚16mm,层间温度为150℃，接头系数取1，得到E上限为17.6kJ/cm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述选用药芯E551T1-Ni2规格为Φ1.2的高镍焊丝，能够显著改善接头性能。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对给定工件厚度等于16mm时，按照E≤17.6kJ/cm热输入范围给定焊接工艺，具体步骤是：

采用单面焊双面成型工艺，多层多道焊接，层间温度控制在150℃以下，打底层焊接电流（I）为135-145A，焊接电压（U）为19.5-20V，焊接速度（V）为100-140mm/min；填充层焊接电流为140-160A，焊接电压为20-23V，焊接速度为120-180mm/min，盖面层焊接电流为160-180A，焊接电压为21-24V；焊接速度为140-200mm/min，焊前不进行预热，无焊后热处理；

不同厚度的工件可以按照给定的热输入范围进行工艺参数的设置，匹配各数据使其达到最佳的焊接效果。

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