CN101376192B - 22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，涉及一种高强度钢大型工件的焊接方法。本发明的焊接方法与母材为16Mn钢的铲斗焊接包含工艺步骤：厚板接头开V型坡口，V型坡口角在50°-55°，留2mm的钝边；控制装配间隙在1mm-3mm之间；采用CO ₂气体保护焊，CO ₂气体流量16-20L/min，层间温度100-150℃；按低匹配原则选择采用熔敷金属强度为500MPa的直径1.2毫米实心焊丝或直径2.0毫米药芯焊丝中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝线能量控制在8-12kJ/cm，后续各层焊接线能量控制在12-20kJ/cm；检查焊接接头质量，在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。解决焊接前后必须预热及保温的问题。

Description

22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种高强度钢大型工件的焊接方法。

背景技术

22SiMn2TiB钢是一种装甲用钢，价格较各种同等强度的高强度耐磨钢低20％以上。该钢经调质处理后，σb≥1400Mpa，HRC≥40，为可焊接的高强度钢中强度最高的品种之一，达到了美国CAT公司用于装载机铲斗刃钢的IE0921标准要求。倘若在保证22SiMn2TiB钢焊接接头区域的使用性能前提下，可用22SiMn2TiB钢生产高强度耐磨铲斗刃，从而降低生产成本。众所周知，随着钢的强度的提高，焊接过程中愈来愈易发生淬硬开裂的现象。特别是高强度钢的焊接过程中，淬硬开裂的问题成为决定可焊性的关键。为避免焊接过程中高强度钢淬硬开裂，国外大多采用焊前预热工艺。如美国CAT公司用1E0921钢制造装载机铲刀刃，就是采取焊前进炉预热100℃。瑞典斯威堡(Swebor)的SB50钢的焊接工艺推荐预热125~175℃，焊接后用石棉制品覆盖保温。日本住友SUMIHARD-K400钢焊前要求预热100℃左右，德国蒂森克虏伯公司的XAR400钢，焊前预热200℃。焊前预热须要有专门预热设备和严密监控温度设备。工人在预热过的工件上进行焊接，热气腾腾、大汗淋漓、劳动强度大。尤其是对铲斗刃这类尺寸达到3米的大型焊接结构，在实际生产中很难实施预热和保温。因此业界迫切需要一种22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，能不预热、焊后又免保温，使22SiMn2TiB钢能真正地用于制造铲斗刃。

发明内容

本发明旨在提供一种22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，可不预热、焊后又免保温处理，实现对22SiMn2TiB钢的焊接。

本发明的技术方案是：22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，与母材为16Mn钢的铲斗焊接包含的工艺步骤有：

(1)，厚板接头开V型坡口，V型坡口角在50°-55°，留2mm的钝边；

(2)，控制装配间隙在1mm-3mm之间；

(3)，采用CO2气体保护焊，CO2气体流量16-20L/min，层间温度100-150℃；按低匹配原则选择采用直径1.2毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为H08Mn2SiA的实心焊丝或采用直径2.0毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为EF0035041的药芯焊丝中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝线能量控制在8-12kJ/cm，后续各层焊接线能量控制在12-20kJ/cm；

(4)，检查焊接接头质量，对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。

本发明的第二个技术方案是：22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，与母材为16Mn钢的铲斗焊接包含的工艺步骤有：

(1)，厚板接头开V型坡口，V型坡口角在50°-55°，留2mm的钝边；

(2)，控制装配间隙在1mm-3mm之间；

(3)，采用Ar+CO2混合气体保护焊，Ar气占混合气体总重量的80％-90％其余为CO2气；Ar+CO2气体流量16-20L/min，层间温度100-150℃；按低匹配原则选择采用直径1.2毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为H08Mn2SiA的实心焊丝中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝线能量控制在9-12kJ/cm，后续各层焊接线能量控制在12-20kJ/cm；

(4)，检查焊接接头质量，对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。

本发明的第三个技术方案是：22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，与母材为16Mn钢的铲斗焊接包含的工艺步骤有：

(1)，厚板接头开V型坡口，V型坡口角在55°-60°，留2mm的钝边；

(2)，控制装配间隙在1mm-3mm之间；

(3)，采用手工焊，按低匹配原则选择采用直径3.2毫米和4毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为E5016的低氢型电焊条中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝采用前述直径3.2毫米的电焊条焊接线能量控制在9.6-20.3kJ/cm，后续各层采用前述直径4毫米的电焊条焊接线能量控制在8.9-18.7kJ/cm；前述电焊条焊前必须在350℃炉中烘2小时以上，随取随用或用保温筒带到现场使用；

(4)，检查焊接接头质量，对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。

本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，针对22SiMn2TiB钢和16Mn钢对应力集中敏感的性质，在焊前准备阶段将厚板接头开V型坡口，V型坡口角在55°-60°，留2mm的钝边；并将装配间隙控制在1-3mm之间；保证能焊透和便于施焊。通过选择小直径且熔敷金属强度为500Mpa的焊材，严格控制焊接热量输入在8-20kJ/cm，控制扩散氢在低于5mL/100g的超低水平，采用CO2气体保护焊或Ar+CO2混合气体保护焊或手工焊，进行多层小焊道、少摆动、连续施焊；焊后磨去接头应力集中部位的焊缝余高、使该部位与母材平齐；从而提高了接头耐冲击性和耐疲劳性。实现免预热，焊后免保温处理条件下对22SiMn2TiB钢的焊接，简化了焊接工艺及对预热、保温设备的要求，减轻了工人劳动强度，操作简便，便于推广应用，节省了能源，提高了效率，并可降低生产成本。

附图说明

图1为本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法采用CO2气体保护焊将厚度为30毫米的22SiMn2TiB钢铲斗刃与母材厚度为12毫米的16Mn钢铲斗对接焊的V型坡口和装配间隙示意图。

图2为本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法采用Ar+CO2混合气体保护焊将厚度为30毫米的22SiMn2TiB钢铲斗刃与母材厚度为12毫米的16Mn钢铲斗对接焊的V型坡口和装配间隙示意图。

图3为本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法采用手工电弧焊将厚度为30毫米的22SiMn2TiB钢铲斗刃与母材厚度为12毫米的16Mn钢铲斗对接焊的V型坡口和装配间隙示意图。

图4为本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法的焊接HAZ硬度示意图。

具体实施方式

本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法是调质状态下不预热焊接，而且焊后不再进行调质处理和消应力处理。可根据生产条件选择焊接方法：实心焊丝CO2焊，药芯焊丝CO2焊，Ar+CO2混合气体保护焊和手工电弧焊。从综合质量看以Ar+CO2混合气体保护焊最好，但成本较高；从经济角度考虑用实心焊丝CO2焊有利；缺乏设备条件的可用手工电弧焊。

一、实施例一

本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法的第一个实施例，是采用CO2气体保护焊将厚度为30毫米的22SiMn2TiB钢铲斗刃与母材厚度为12毫米的16Mn钢铲斗对接焊。

请参看图1；焊接前，在较厚的22SiMn2TiB钢板(铲斗刃)接头开V型坡口，V型坡口角在50°-55°，留2mm的钝边。22SiMn2TiB钢铲斗刃与16Mn钢铲斗的装配间隙控制在1mm-3mm之间。坡口角度不宜过大；焊缝宜窄不宜宽。焊前坡口面及其附近一定要清除油、锈、水等。

按低匹配原则选择采用直径1.2毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为H08Mn2SiA的实心焊丝。H08Mn2SiA的实心焊丝的技术参数请参见GB8110-87。焊丝应清洁无污染和油锈。进行CO2气体保护焊接时，CO2气体流量16-20L/min，层间温度100-150℃，中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝线能量控制在8-12kJ/cm，后续各层焊接线能量控制在12-20kJ/cm。对于环境温度的变化，原则上冬天时线能量大些，夏天小些。

线能量控制在8kJ/cm-20kJ/cm对应着：焊接电流I为240 A-340A，电流电压U为25 V-36V，焊接速度V为0.61cm/s-0.75cm/s。

两面施焊的接头，背面焊前一定要彻底清焊根，不允许有焊瘤、夹渣。建议采用机械方法清焊根，清后立即施焊。每条焊缝均应两面一次连续完成，不要中途停歇。因焊后不再做调质处理，尽量采用小线能量、多层多道、对称焊等有效措施，以减少焊接应力和变形。

焊接后，严格检查焊接接头质量。对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。降低焊趾应力集中，使接头耐冲击和耐疲劳。

二、实施例二

本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法的第二个实施例，是采用CO2气体保护焊将厚度为30毫米的22SiMn2TiB钢铲斗刃与母材厚度为12毫米的16Mn钢铲斗对接焊。

焊接前，请参看图1；在较厚的22SiMn2TiB钢铲斗刃接头开V型坡口，V型坡口角在50°-55°，留2mm的钝边。22SiMn2TiB钢铲斗刃与16Mn钢铲斗的装配间隙控制在1mm-3mm之间。坡口角度不宜过大；焊缝宜窄不宜宽。焊前坡口面及其附近一定要清除油、锈、水等。

按低匹配原则选择采用直径2.0毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为EF0035041的药芯焊丝。EF0035041的药芯焊丝的技术参数请参见GB10045-85。焊丝应清洁无污染和油锈。进行CO2气体保护焊接时，CO2气体流量16-20L/min，层间温度100-150℃，中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝线能量控制在10-12kJ/cm，后续各层焊接线能量控制在12-19kJ/cm。对于环境温度的变化，原则上冬天时线能量大些，夏天小些。

线能量控制在10.2kJ/cm-19.1kJ/cm对应着：焊接电流I为240A-260A，电流电压U为31V-33V，焊接速度V为0.45cm/s-0.73cm/s。

两面施焊的接头，背面焊前一定要彻底清焊根，不允许有焊瘤、夹渣。建议采用机械方法清焊根，清后立即施焊。每条焊缝均应两面一次连续完成，不要中途停歇。因焊后不再做调质处理，尽量采用小线能量、多层多道、对称焊等有效措施，以减少焊接应力和变形。

焊接后，严格检查焊接接头质量。对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。降低焊趾应力集中，使接头耐冲击和耐疲劳。

三、实施例三

本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法的第三个实施例，是采用Ar+CO2混合气体保护焊将厚度为30毫米的22SiMn2TiB钢铲斗刃与母材厚度为12毫米的16Mn钢铲斗对接焊。

请参看图2；焊接前，在较厚的22SiMn2TiB钢板(铲斗刃)接头开V型坡口，V型坡口角在50°-55°，留2mm的钝边。22SiMn2TiB钢铲斗刃与16Mn钢铲斗的装配间隙控制在1mm-3mm之间。坡口角度不宜过大；焊缝宜窄不宜宽。焊前坡口面及其附近一定要清除油、锈、水等。

按低匹配原则选择采用直径1.2毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为H08Mn2SiA的实心焊丝。H08Mn2SiA的实心焊丝的技术参数请参见GB8110-87。焊丝应清洁无污染和油锈。

进行Ar+CO2混合气体保护焊接时，Ar+CO2混合气体中Ar气占混合气体总重量的80％-90％其余为CO2气。优选Ar气占80％，CO2气占20％。Ar+CO2气体流量16-20L/min，层间温度100-150℃，中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝线能量控制在9-12kJ/cm，后续各层焊接线能量控制在12-20kJ/cm。对于环境温度的变化，原则上冬天时线能量大些，夏天小些。

线能量控制在9.6kJ/cm-20.4kJ/cm对应着：焊接电流I为220A-240A，电流电压U为32V-34V，焊接速度V为0.4cm/s-0.73cm/s。

两面施焊的接头，背面焊前一定要彻底清焊根，不允许有焊瘤、夹渣。建议采用机械方法清焊根，清后立即施焊。每条焊缝均应两面一次连续完成，不要中途停歇。因焊后不再做调质处理，尽量采用小线能量、多层多道、对称焊等有效措施，以减少焊接应力和变形。

焊接后，严格检查焊接接头质量。对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。降低焊趾应力集中，使接头耐冲击和耐疲劳。

四、实施例四

本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法的第四个实施例，是采用手工电弧焊将厚度为30毫米的22SiMn2TiB钢铲斗刃与母材厚度为12毫米的16Mn钢铲斗对接焊。

请参看图3；焊接前，在较厚的22SiMn2TiB钢铲斗刃接头开V型坡口，V型坡口角在55°-60°，留2mm的钝边。22SiMn2TiB钢铲斗刃与16Mn钢铲斗的装配间隙控制在1mm-3mm之间。坡口角度不宜过大；焊缝宜窄不宜宽。焊前坡口面及其附近一定要清除油、锈、水等。

按低匹配原则选择采用直径3.2毫米和4毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为E5016的低氢型电焊条。E5016电焊条的技术参数请参见GB51118-85。E5016电焊条应清洁无污染和油锈，焊前必须在350℃炉中烘2小时以上，随取随用或用保温筒带到现场使用。

进行手工电弧焊接时，中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝采用直径3.2毫米的E5016电焊条线能量控制在9.6-20.3kJ/cm，对应着：焊接电流I为100A-130A，电流电压U为24V-25V，焊接速度V为0.16cm/s-0.25cm/s。后续各层焊接采用直径4毫米的E5016电焊条，线能量控制在8.9-18.7kJ/cm。对应着：焊接电流I为160A-180A，电流电压U为24V-26V，焊接速度V为0.25cm/s-0.43cm/s。对于环境温度的变化，原则上冬天时线能量大些，夏天小些。

两面施焊的接头，背面焊前一定要彻底清焊根，不允许有焊瘤、夹渣。建议采用机械方法清焊根，清后立即施焊。每条焊缝均应两面一次连续完成，不要中途停歇。因焊后不再做调质处理，尽量采用小线能量、多层多道、对称焊等有效措施，以减少焊接应力和变形。

焊接后，严格检查焊接接头质量。对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。降低焊趾应力集中，使接头耐冲击和耐疲劳。

请参看图4，采用本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法的焊接HAZ硬度示意图，焊后接头强度已接近母材(16Mn钢)，可以在5℃以上的生产环境不预热条件下施焊，焊后不加特别保温而不产生裂纹。本发明22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法获得的焊缝金属显微组织，在熔合线及完全淬火区主要的是具有较高强度和良好韧性的粗板条马氏体和细板条低碳马氏体，在不完全淬火区是马氏体和铁素体(或有少量贝氏体)，在回火区则主要为铁素体和珠光体。其力学性能试验平均值：抗拉强度σb＝530.5Mpa；接头冲击吸收功Akv(常温)J/cm²中焊缝金属135.3 Akv(常温)J/cm²，HAZ75.2Akv(常温)J/cm²，熔合线143.4Akv(常温)J/cm²。以上强度和韧性，已有足够的裕度满足工程的要求。

以上所述，仅为本发明较佳实施例，不以此限定本发明实施的范围，依本发明的技术方案及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应属于本发明涵盖的范围。

Claims (3)

1.22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，与母材为16Mn钢的铲斗焊接包含的工艺步骤有：

(1)，厚板接头开V型坡口，V型坡口角在50°-55°，留2mm的钝边；

(2)，控制装配间隙在1mm-3mm之间；

(3)，采用CO2气体保护焊，CO2气体流量16-20L/min，层间温度100-150℃；按低匹配原则选择采用直径1.2毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为H08Mn2SiA的实心焊丝或采用直径2.0毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为EF0035041的药芯焊丝中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝线能量控制在8-12kJ/cm，后续各层焊接线能量控制在12-20kJ/cm；

(4)，检查焊接接头质量，对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。

2.22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，与母材为16Mn钢的铲斗焊接包含的工艺步骤有：

(1)，厚板接头开V型坡口，V型坡口角在50°-55°，留2mm的钝边；

(2)，控制装配间隙在1mm-3mm之间；

(3)，采用Ar+CO2混合气体保护焊，Ar气占混合气体总重量的80％-90％其余为CO2气；Ar+CO2气体流量16-20L/min，层间温度100-150℃；按低匹配原则选择采用直径1.2毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为H08Mn2SiA的实心焊丝中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝线能量控制在9-12kJ/cm，后续各层焊接线能量控制在12-20kJ/cm；

(4)，检查焊接接头质量，对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。

3.22SiMn2TiB钢铲斗刃的焊接方法，与母材为16Mn钢的铲斗焊接包含的工艺步骤有：

(1)，厚板接头开V型坡口，V型坡口角在55°-60°，留2mm的钝边；

(2)，控制装配间隙在1mm-3mm之间；

(3)，采用手工焊，按低匹配原则选择采用直径3.2毫米和4毫米且熔敷金属强度为500Mpa的型号为E5016的低氢型电焊条中途不停歇地进行多层小焊道、少摆动、连续地施焊；打底焊和角接焊缝采用前述直径3.2毫米的电焊条焊接线能量控制在9.6-20.3kJ/cm，后续各层采用前述直径4毫米的电焊条焊接线能量控制在8.9-18.7kJ/cm；前述电焊条焊前必须在350℃炉中烘2小时以上，随取随用或用保温筒带到现场使用；

(4)，检查焊接接头质量，对有裂纹或未焊透或未熔合或夹渣缺陷者，清除重焊；在应力集中部位磨去焊缝余高、使该部位与母材平齐。

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