CN105014189B - 抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法 - Google Patents

抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，包括如下步骤：1)焊接钢板制备：焊接坡口型式采用双面对称V形坡口，坡口角度为55～60°，焊接坡口钝边为1～2mm，对焊接钢板进行装配，预留2～3mm的装配间隙；2)焊接钢板预处理：去除坡口上的铁锈和油污，焊接钢板焊接前不预热；3)焊条预处理：焊条使用前烘干；4)焊接：将焊件接缝划分成多段，分段焊接，每焊完一段对焊完的接缝区域进行喷水冷却，接缝区域冷却后再进行下一段焊接；焊后不进行热处理。其成本低廉；克服了接头热影响区脆化和软化问题，减少了焊接变形，能获得成形良好、力学性能优良的焊接接头，有效的控制了焊缝磁导率。

Description

抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法
技术领域
本发明涉及无磁钢焊条电弧焊接技术领域，特别是指一种抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法。
背景技术
Fe-Mn-Al-C系列高锰无磁钢属奥氏体材料，与1Cr18Ni9Ti不锈钢相比，不仅成本低，而且强度高、组织稳定、磁导率低、电阻率高，因此，近年来，Fe-Mn-Al-C系列高锰无磁钢在强磁场产品制造领域中得到愈来愈广泛的应用，被业界定义为切换不锈钢的首选用材。
目前，高锰奥氏体无磁钢主要应用于变压器、电炉、扫雷艇等无磁部件制造领域。在变压器行业，主要用于大中型变压器油箱内磁屏蔽、铁芯拉板、线圈夹件、螺栓、法兰等要求无磁的部件。高锰奥氏体无磁钢的应用不仅可以解决部件的过热问题，还可以大幅减少部件的涡流损耗。
由于高锰无磁钢为单相奥氏体，热膨胀系数大，在焊接过程中易产生较大的热应力，焊缝金属容易产生热裂纹，一般控制焊缝组织为奥氏体+5％左右的δ铁素体来预防热裂纹，δ铁素体含量过高则会对磁导率产生影响，此外薄板焊接容易产生变形。
针对上述问题，申请号为201210097357.7的中国发明专利公开了一种47Mn17Al3低磁钢的焊条电弧焊方法，坡口形式为单边V形坡口，坡口角度为60～65°，采用的焊接材料为的A302焊条，采用的焊接电流为65～80A，焊接电压为22～25V，焊接速度为10～15cm/min，焊缝通过三层手工焊接完成，每层焊完在焊缝上喷冷水，后锤击焊缝，解决了47Mn17Al3低磁钢接头组织脆化和焊接裂纹的问题，但该专利中45Mn17Al3钢强度较低，所使用的焊条为奥氏体焊条A302，抗拉强度仅在550MPa左右。国内有许多关于无磁钢焊接的研究，但大部分都是强度较低的无磁钢。
而抗拉强度达到1000MPa以上的高锰无磁钢焊条电弧焊技术研究还未见报道，该钢种焊接目前存在的主要问题如下：(1)若采用低合金钢焊条，接头不能满足磁导率μ≈1的要求，而采用传统的奥氏体焊条虽然能保证焊缝磁导率达到要求，但强度方面往往很难满足要求，采用镍基焊材则成本较高；(2)焊接材料和焊接工艺不合适易造成热裂纹、冷裂纹等缺陷，另外，奥氏体钢接头组织易粗化，进而造成接头组织的脆化和软化。综上所述，该钢种焊接具有较大难度，并且，目前其焊接材料的选用和焊接工艺的制定也没有可以借鉴的资料。
因此，提供一种能获得经济成本低、成形良好、力学性能优良的焊接接头的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法显得十分必要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种能获得经济成本低、成形良好、力学性能优良的焊接接头的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法。
本发明的目的是通过如下措施来达到的：
一种抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，包括如下步骤：
1)焊接钢板制备：焊接坡口型式采用双面对称V形坡口，坡口角度为55～60°，焊接坡口钝边为1～2mm，对焊接钢板进行装配，预留2～3mm的装配间隙；
2)焊接钢板预处理：去除坡口上的铁锈和油污，焊接钢板焊接前不预热；
3)焊条预处理：焊条使用前烘干；
4)焊接：将焊件接缝划分成多段，分段焊接，每焊完一段对焊完的接缝区域进行喷水冷却，焊完的接缝区域冷却后再进行下一段焊接；焊后不进行热处理。
优选地，所采用的焊条直径为4.0mm，焊条熔敷金属化学成分及质量百分比为：C：0.10～0.18％，Mn：16～20％，Cr：3～5％，V：1.0～2.0％，Si：0.4～0.8％，S≤0.013％，P≤0.015％，其它为Fe和不可避免的杂质；焊条熔敷金属力学性能满足：屈服强度Rel：550～700MPa，抗拉强度Rm：950～1200MPa，延伸率A≥30％，磁导率μ：0.98～1.02高/奥。
进一步地，焊条熔敷金属化学成分及质量百分比为：C：0.18％，Mn：18％，Cr：4％，V：1.5％，Si：0.6％，S≤0.013％，P≤0.015％，其它为Fe和不可避免的杂质；焊条熔敷金属力学性能满足：屈服强度Rel：650MPa，抗拉强度Rm：1100MPa，延伸率A：33％，磁导率μ：1.0高/奥。
更进一步地，焊接基材厚度为8～20mm，力学性能满足：屈服强度Rel≥600MPa，抗拉强度Rm≥1000MPa，延伸率A≥28％，磁导率μ≤1.02高/奥。
更进一步地，步骤2)中，用砂轮打磨焊接钢板坡口两侧来去除坡口上的铁锈和油污，坡口两侧的打磨量均为30～40mm。
更进一步地，步骤3)中，焊条使用前经300～350℃烘干1.5～2h。
再进一步地，步骤4)中，焊件接缝每100～150mm分为一段，分段焊接，每焊完一段对焊完的接缝区域进行喷水冷却；喷水的水流量控制为10～13L/min，焊完的接缝区域冷却至40～50℃再进行下一段焊接。
再进一步地，步骤4)中，采用多层多道焊和分段退焊的方法进行焊接，焊接工艺参数设置为：焊接电流为90～120A，优选为100～110A，焊接电压为16～20V，优选为16～18V，焊接速度为12～16cm/min，优选为14～15cm/min，焊接热输入为6.6～9.0kJ/cm，优选为7.1～8.5kJ/cm；焊接过程中焊条不摆动。这样，可以防止接头组织粗化，同时也可以保证焊缝良好地成型和充分熔透。
本发明的优点在于：
其一，本发明中采用的焊接材料为高强度无磁钢焊条，其熔敷金属力学性能接近基材，解决了普通奥氏体焊条强度偏低和镍基焊材成本较高的问题；
其二，焊接后，焊缝金属主要为奥氏体和碳化物，以及少量的铁素体组织，能在保证较低磁导率的同时避免热裂纹的形成；
其三，焊接过程中采用了较小的热输入、采用多层多道焊和分段退焊相配合的方法进行焊接，并在焊接后立即对接头区域采用水冷工艺，克服了接头因组织粗化而产生的热影响区脆化和软化问题，减少了焊接变形。
其四，通过焊条材料和焊接工艺的配合控制，能获得成形良好、力学性能优良的焊接接头，同时焊缝磁导率得到了有效的控制，对于高强度无磁钢在电力变压器、舰船等领域的应用起到了促进作用。
附图说明
图1为实施例4焊接钢板对接坡口结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，包括如下步骤：
1)焊接钢板制备：焊接坡口型式采用双面对称V形坡口，坡口角度为55～60°，焊接坡口钝边为1～2mm，对焊接钢板进行装配，预留2～3mm的装配间隙；
2)焊接钢板预处理：用砂轮打磨焊接钢板坡口两侧来去除坡口上的铁锈和油污，坡口两侧的打磨量均为30～40mm，去除坡口上的铁锈和油污，焊接钢板焊接前不预热；
3)焊条预处理：焊条使用前经300～350℃烘干1.5～2h；
4)焊接：将焊件接缝划分成多段，分段焊接，焊件接缝每100～150mm分为一段，分段焊接，每焊完一段对焊完的接缝区域进行喷水冷却；喷水的水流量控制为10～13L/min，焊完的接缝区域冷却至40～50℃再进行下一段焊接。采用多层多道焊和分段退焊的方法进行焊接，焊接工艺参数设置为：焊接电流为90～120A，焊接电压为16～20V，焊接速度为12～16cm/min，焊接热输入为6.6～9.0kJ/cm；焊接过程中焊条不摆动。焊后不进行热处理。
其中，焊接的基材厚度为8～20mm，力学性能满足：屈服强度Rel≥600MPa，抗拉强度Rm≥1000MPa，延伸率A≥28％，磁导率μ≤1.02高/奥。
另外，所采用的焊条直径为4.0mm，焊条熔敷金属化学成分及质量百分比为：C：0.10～0.18％，Mn：16～20％，Cr：3～5％，V：1.0～2.0％，Si：0.4～0.8％，S≤0.013％，P≤0.015％，其它为Fe和不可避免的杂质；焊条熔敷金属力学性能满足：屈服强度Rel：550～700MPa，抗拉强度Rm：950～1200MPa，延伸率A≥30％，磁导率μ：0.98～1.02高/奥。
表1为实施例1～5中所使用焊条的化学成分及重量百分比，其它为Fe和不可避免的杂质；还包括所使用焊条的性能指标。
表1 本发明各实施例所使用焊条的熔敷金属化学成分及重量百分比(wt％)与性能指标
焊接钢板制备、焊接钢板预处理、焊条预处理和焊接完成抗拉强度1000MPa级高锰奥氏体无磁钢的焊接，具体主要工艺参数如下表：
表2 本发明各实施例的主要工艺参数列表
图1为实施例4焊接钢板对接坡口结构示意图，其中，焊接基材厚度为12mm，焊接坡口型式采用双面对称V形坡口，坡口角度为60°，焊接坡口钝边为2mm，对焊接钢板进行装配，预留3mm的装配间隙。
以上实施例焊接后的焊接接头的力学性能和磁导率如下表所示：
表3 焊接接头力学性能和磁导率试验结果
从表3可以看出，实施例1～5中焊接钢板焊接后的焊接接头的力学性能良好，抗拉强度Rm均在1000MPa以上，焊缝磁导率得到了有效的控制，磁导率μ为0.99～1.03高/奥。
其它未经详细说明的部分均为现有技术。

Claims (8)

1.一种抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)焊接钢板制备：焊接坡口型式采用双面对称V形坡口，坡口角度为55～60°，焊接坡口钝边为1～2mm，对焊接钢板进行装配，预留2～3mm的装配间隙；
2)焊接钢板预处理：去除坡口上的铁锈和油污，焊接钢板焊接前不预热；
3)焊条预处理：焊条使用前烘干；
4)焊接：将焊件接缝划分成多段，分段焊接，每焊完一段对焊完的接缝区域进行喷水冷却，焊完的接缝区域冷却后再进行下一段焊接；焊后不进行热处理；
其中，所采用的焊条直径为4.0mm，焊条熔敷金属化学成分及质量百分比为：C：0.10～0.18％，Mn：16～20％，Cr：3～5％，V：1.0～2.0％，Si：0.4～0.8％，S≤0.013％，P≤0.015％，其它为Fe和不可避免的杂质；焊条熔敷金属力学性能满足：屈服强度Rel：550～700MPa，抗拉强度Rm：950～1200MPa，延伸率A≥30％，磁导率μ：0.98～1.02高/奥。
2.根据权利要求1所述的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，其特征在于：焊条熔敷金属化学成分及质量百分比为：C：0.18％，Mn：18％，Cr：4％，V：1.5％，Si：0.6％，S≤0.013％，P≤0.015％，其它为Fe和不可避免的杂质；焊条熔敷金属力学性能满足：屈服强度Rel：650MPa，抗拉强度Rm：1100MPa，延伸率A：33％，磁导率μ：1.0高/奥。
3.根据权利要求1或2所述的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，其特征在于：焊接的基材厚度为8～20mm，力学性能满足：屈服强度Rel≥600MPa，抗拉强度Rm≥1000MPa，延伸率A≥28％，磁导率μ≤1.02高/奥。
4.根据权利要求3所述的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，其特征在于：所述步骤2)中，用砂轮打磨焊接钢板坡口两侧来去除坡口上的铁锈和油污，坡口两侧的打磨量均为30～40mm。
5.根据权利要求4所述的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，其特征在于：所述步骤3)中，焊条使用前经300～350℃烘干1.5～2h。
6.根据权利要求5所述的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，其特征在于：所述步骤4)中，焊件接缝每100～150mm分为一段，分段焊接，每焊完一段对焊完的接缝区域进行喷水冷却；喷水的水流量控制为10～13L/min，焊完的接缝区域冷却至40～50℃再进行下一段焊接。
7.根据权利要求6所述的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用多层多道焊和分段退焊的方法进行焊接，焊接工艺参数设置为：焊接电流为90～120A，焊接电压为16～20V，焊接速度为12～16cm/min，焊接热输入为6.6～9.0kJ/cm；焊接过程中焊条不摆动。
8.根据权利要求7所述的抗拉强度1000MPa级高锰无磁钢的焊条电弧焊方法，其特征在于：所述步骤4)中，焊接工艺参数设置为：焊接电流为100～110A，焊接电压为16～18V，焊接速度为14～15cm/min，焊接热输入为7.1～8.5kJ/cm。
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