CN100413629C - 800MPa高强度钢的不预热焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗拉强度800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，步骤是：(1)接头处开V型坡口；(2)施焊前清理坡口表面；(3)采用脉冲焊接电源的Ar+CO2混合气体保护焊或CO2气体保护焊；焊接工艺参数为：焊接电压30V～34V，焊接电流200A～240A，焊接速度0.4cm/s～0.6cm/s，焊接热量输入控制在10kJ/cm～20kJ/cm，保护气体流量15L/min～25L/min；(4)采用600MPa或700MPa药芯焊丝或实芯焊丝打底焊接，其余焊道采用800MPa药芯焊丝进行多层多道焊，连续施焊，中途不停歇；(5)焊后以硅酸铝板覆盖焊接接头区的措施缓冷。本发明的焊接工艺方法不预热、不进行焊后热处理，具有操作简便、生产成本低、焊缝韧性好、抗裂性强的特点、便于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接工艺，尤其涉及一种用于800MPa级低合金高强度钢的不预热、不焊后热处理的焊接工艺方法，属于高强度钢焊接技术领域。
背景技术
随着焊接结构日趋向高参数、轻量化及大型化发展，工程机械、矿山机械等广泛采用高效能液压传动和支撑，这就要求在自重增加不多的条件下大幅度提高焊接结构的承载能力。因此，为适应工程应用中的这种工作环境，必须采用高强度钢焊接结构。
近年来冶金生产技术的进步，如炉外精炼、真空脱气、压力淬火等技术的发展，尤其是计算机自动控制技术在冶炼、轧制及热处理中的应用，为焊接结构用高强度钢的开发提供了重要的技术保证。尤其是抗拉强度800MPa级低合金高强度钢，由于生产技术的逐渐完善和大批量生产规模的形成，目前已经广泛应用在装载机、挖掘机、煤矿液压支架等重要的焊接结构中。同时，高强度钢的开发应用对焊接材料、焊接方法及工艺提出了更高的要求。为了保证800MPa级高强度钢焊缝金属的性能，在焊材选择上，一般是采用强度性能不低于母材的焊材(即等强匹配)进行焊接，但是焊后易出现焊接裂纹，主要是产生在环形对接焊缝和纵向焊缝的焊道根部、T形接头以及框架筋板的联接部位。因此，这类钢焊接所面临要解决的问题一是防止裂纹；二是在满足高强度要求的同时，保证焊接接头区域的使用性能(特别是抗断裂冲击韧性)。
目前，为了消除焊接裂纹和提高800MPa级高强度钢的焊接生产效率，国内外同类钢焊接大多采用CO2气体保护焊或混合气体保护焊(MAG)等机械化或半机械化焊接方法，焊前要求预热，焊后要求进行热处理，以便控制焊后冷却速度，消除裂纹。但是，预热条件下焊接800MPa级高强度钢会增大热影响区软化和脆化倾向，而且焊接工艺复杂，生产成本高。特别是对于大型焊接结构，采用预热焊和焊后热处理，在实际生产中很难实施，也是实际生产中不希望的。
因此，若能在不预热、不焊后热处理条件下，实现对800MPa级高强度钢的焊接，对简化焊接工艺、提高焊接区性能和降低生产成本具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中800MPa级高强度钢目前采用等强匹配焊丝、焊前预热和焊后热处理焊接工艺的不足，本发明要解决的问题是提出一种采用低匹配焊接材料不预热、不进行焊后热处理的焊接工艺方法。
本发明所述焊接工艺方法的技术方案是：打底层焊缝采用600～700MPa级高韧性焊丝，盖面层采用800MPa级焊丝，通过严格控制焊接热量输入(10～20kJ/cm)、采用80％Ar+20％CO2混合气体保护焊(匹配实芯焊丝或药芯焊丝)或CO2气体保护焊(匹配药芯焊丝)，控制焊缝扩散氢在超低氢水平(不超过5mL/100g)，实现不预热和不进行焊后热处理条件下800MPa低合金高强度钢的焊接。
本发明所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，由下述工艺步骤组成：
(1)接头处开V型坡口，坡口角度为45°～60°；
(2)施焊前采用机械处理和化学处理清理坡口表面，去除油污和铁锈；
(3)采用Ar+CO2混合气体保护焊或CO2气体保护焊；焊接工艺参数为：焊接电压30V～34V，焊接电流200A～240A，焊接速度0.4cm/s～0.6cm/s，焊接热量输入控制在10kJ/cm～20kJ/cm，保护气体流量15L/min～25L/min；
(4)采用名义强度600MPa或700MPa药芯焊丝或实芯焊丝打底焊接，其余焊道采用名义强度800MPa药芯焊丝进行多层多道焊，连续施焊，中途不停歇；
(5)焊后以硅酸铝板覆盖焊接接头区的措施缓冷。
上述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法中：步骤(2)所述的机械处理是用钢丝刷将坡口表面的铁锈清除干净，使其露出金属光泽；所述的化学处理是将高强度钢的待焊表面置于酸洗液中浸泡15min～20min，然后以清水将待焊表面洗净。
其中：所述酸洗液是指常规稀硫酸或稀盐酸或其以1∶2比例相混合的混合溶液。
上述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法中：步骤(3)所述Ar+CO2混合气体保护焊或CO2气体保护焊工艺优选脉冲焊接电源。利用脉冲焊接电源可实现对电弧稳定性或熔透能力的调整。
上述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法中：步骤(3)所述Ar+CO2混合气体保护焊采用的Ar与CO2的体积百分比优选为80％∶20％。
上述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法中：步骤(4)所述600MPa、700MPa或800MPa药芯焊丝的直径优选为φ1.6mm。
上述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法中：步骤(4)所述的600MPa药芯焊丝的熔敷金属化学成分为：C 0.07％，Si 0.60％，Mn 1.45％，Mo 0.38％；力学性能为：抗拉强度σb＞670MPa，屈服强度σs＞550MPa，伸长率δ＞25％，-40℃冲击吸收功AKV＞85J。
上述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法中：步骤(4)所述的700MPa药芯焊丝的熔敷金属化学成分为：C 0.07％，Si 0.45％，Mn 1.24％，Mo 0.42％，Ni 1.51％；力学性能为：抗拉强度σb＞750MPa，屈服强度σs＞700MPa，伸长率δ＞21％，-40℃冲击吸收功AKV＞75J。
上述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法中：步骤(4)所述的多层多道焊层间温度优选控制在100～150℃。
上述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法中：步骤(4)所述的多层多道焊工艺对于两面施焊的对接焊缝，正面焊后立即用碳弧气刨清理接头背面的焊缝根部，然后才能继续施焊。
常规的焊接工艺采用800MPa等强匹配焊丝的气体保护焊会造成焊缝根部超强、局部淬硬而韧性不足，导致焊缝根部极易产生微裂纹，因此必须采取焊前预热和焊后热处理来避免焊接裂纹。采用本发明所述的焊接工艺方法，由于焊缝金属具有较高的塑韧性储备，焊缝根部韧性好(冲击吸收功比采用800MPa焊丝时提高30％)，可有效缓解熔合区附近的应力集中，可防止熔合区和焊缝根部微裂纹的产生和扩展，具有很好抗裂性；即使在不预热、不焊后热处理的条件下，也能有效地避免焊接裂纹。
利用本发明所述800MPa高强度钢的不预热焊接方法获得的焊缝金属其显微组织主要以强韧性较高的细小的针状铁素体为主，具有很强的阻止裂纹产生和扩展的能力；焊接热影响区组织主要是细小均匀的板条马氏体和下贝氏体。获得的焊接接头抗拉强度达760MPa～800MPa、焊缝金属的室温冲击吸收功大于85J，能够满足800MPa级高强度钢焊接结构须有较高承载能力的使用要求。
与常规的焊接工艺方法相比，利用本发明所述的不预热焊接工艺方法焊接高强钢，除了能提高焊接接头的抗裂性以外，还可使焊接成本降低30％。因此，本发明所述的焊接工艺方法具有操作简便、生产成本低、适用性强的特点、便于推广应用。
具体实施方式
实施例1：
母材：厚度为30mm的HG785低合金调质高强度钢，对接接头(开双面V形坡口，坡口角度45°)，试板尺寸为600mm×220mm×30mm。
焊接材料：600MPa和800MPa气体保护焊药芯焊丝，直径均为φ1.6mm。
焊接方法：Ar+CO2混合气体保护焊(采用脉冲焊接电源)，其中Ar和CO2的体积百分比为80％∶20％。
焊接工艺参数：焊接电压30V～32V，焊接电流210V～230A，焊接速度0.4cm/s～0.5cm/s，焊接线能量15.8kJ/cm～18.4kJ/cm，保护气体流量：18～21L/min；焊接层数：4层，焊道数：8道，采用多层多道焊。
焊接技术要点：在室温为24℃的不预热条件下施焊，施焊前采用机械处理和化学处理清理坡口表面，去除油污和铁锈；先用Ar+CO2混合气体保护焊配用600MPa药芯焊丝装配并施焊全部打底层焊道，然后用800MPa药芯焊丝焊接其余焊道。第二层焊道施焊时应保持100～150℃的层间温度，使第一道焊道起预热作用(也有利于氢的扩散逸出)。两面施焊的对接焊缝，正面焊后立即用碳弧气刨清理接头背面的焊缝根部，然后继续施焊。尽量连续施焊，中途不得停歇。焊后采取硅酸铝板覆盖焊接接头区的缓冷措施。
焊后接头完好，无焊缝表面裂纹和根部裂纹。获得的焊接接头的力学性能为：抗拉强度760MPa，屈服强度680MPa，伸长率21％，焊缝金属的冲击吸收功大于89J，能满足使用性能要求。
实施例2：
母材：厚度25mm的HQ80低合金高强度钢，箱形结构的T形接头加强筋板。T形接头的立板开45°单面V形坡口，试板尺寸为400mm×220mm×20mm。
焊接材料：700MPa和800MPa气体保护焊药芯焊丝，直径均为φ1.6mm。
焊接方法：CO2气体保护焊(采用脉冲焊接电源)。
焊接工艺参数：焊接电压30V～32V，焊接电流220A～240A，焊接速度0.4cm/s，焊接线能量16.5kJ/cm～19.2kJ/cm，保护气体流量：16～18L/min，采用多层多道焊。
焊接技术要点：在室温为25℃的不预热条件下施焊，施焊前采用机械处理和化学处理清理坡口表面，去除油污和铁锈；先用CO2气体保护焊配用700MPa药芯焊丝装配并施焊角焊缝的全部打底层焊道，然后用800MPa药芯焊丝焊接其余焊道。除了打底层焊道外，其余各层焊道施焊时应保持100～150℃的层间温度，使前一道焊道起预热作用(也有利于氢的扩散逸出)。尽量连续施焊，中途不得停歇。焊后采取硅酸铝板覆盖焊接接头区的缓冷措施。
焊后接头完好，无焊缝表面裂纹。获得的焊接接头的力学性能为：抗拉强度780MPa，伸长率19％，焊缝金属的冲击吸收功大于86J，能满足使用性能要求。
在上述的实施例中：所述的机械处理是用钢丝刷将坡口表面的铁锈清除干净，使其露出金属光泽；所述的化学处理是将高强度钢的待焊接头表面置于酸洗液中浸泡15min，然后以清水将待焊接头表面洗净。
其中：所述酸洗液是指15％硫酸或15％盐酸或15％硫酸与15％盐酸配比为1∶2的混合溶液。
所述的600MPa药芯焊丝的熔敷金属化学成分为：C 0.07％，Si 0.60％，Mn 1.45％，Mo0.38％；力学性能为：抗拉强度σb＞670MPa，屈服强度σs＞550MPa，伸长率δ＞25％，-40℃冲击吸收功AKV＞85J。
所述的700MPa药芯焊丝的熔敷金属化学成分为：C 0.07％，Si 0.45％，Mn 1.24％，Mo0.42％，Ni 1.51％；力学性能为：抗拉强度σb＞750MPa，屈服强度σs＞700MPa，伸长率δ＞21％，-40℃冲击吸收功AKV＞75J。
Claims (9)
1. 一种抗拉强度800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，由下述工艺步骤组成：
(1)接头处开V型坡口，坡口角度为45°～60°；
(2)施焊前采用机械处理和化学处理清理坡口表面，去除油污和铁锈；
(3)采用Ar+CO2混合气体保护焊或CO2气体保护焊；焊接工艺参数为：焊接电压30V～34V，焊接电流200A～240A，焊接速度0.4cm/s～0.6cm/s，焊接热量输入控制在10kJ/cm～20kJ/cm，保护气体流量15L/min～25L/min；
(4)采用名义强度600MPa或700MPa药芯焊丝或实芯焊丝打底焊接，其余焊道采用名义强度800MPa药芯焊丝进行多层多道焊，连续施焊，中途不停歇；
(5)焊后以硅酸铝板覆盖焊接接头区的措施缓冷。
2. 如权利要求1所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，其特征是：步骤(2)所述的机械处理是用钢丝刷将坡口表面的铁锈清除干净，使其露出金属光泽；所述的化学处理是将高强度钢的待焊表面置于酸洗液中浸泡15min～20min，然后以清水将待焊表面洗净。
3. 如权利要求2所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，其特征是：所述酸洗液是指常规稀硫酸或稀盐酸或其以1∶2比例相混合的混合溶液。
4. 如权利要求1所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，其特征是：步骤(3)所述Ar+CO2混合气体保护焊或CO2气体保护焊工艺采用脉冲焊接电源。
5. 如权利要求1所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，其特征是：步骤(3)所述Ar+CO2混合气体保护焊采用的Ar与CO2的体积百分比为80％∶20％。
6. 如权利要求1所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，其特征是：步骤(4)所述600MPa、700MPa或800MPa药芯焊丝的直径为φ1.6mm。
7. 如权利要求1所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，其特征是：步骤(4)所述的600MPa药芯焊丝的熔敷金属化学成分为：C 0.07％，Si 0.60％，Mn 1.45％，Mo0.38％；力学性能为：抗拉强度σb＞670MPa，屈服强度σs＞550MPa，伸长率δ＞25％，-40℃冲击吸收功AKV＞85J。
8. 如权利要求1所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，其特征是：步骤(4)所述的700MPa药芯焊丝的熔敷金属化学成分为：C 0.07％，Si 0.45％，Mn 1.24％，Mo 0.42％，Ni 1.51％；力学性能为：抗拉强度σb＞750MPa，屈服强度σs＞700MPa，伸长率δ＞21％，-40℃冲击吸收功AKV＞75J。
9. 如权利要求1所述800MPa高强度钢的不预热焊接工艺方法，其特征是：步骤(4)所述的多层多道焊层间温度控制在100～150℃。
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