CN101722352B - 一种低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焊接工艺及其焊丝，具体的说是一种低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接工艺及其焊丝，包括以下工艺步骤：对钢板进行焊接热模拟试验，确定焊接时可以采用的焊接线能量范围；埋弧焊坡口采用X型对称坡口，坡口角度60°，钝边6mm；采用抗拉强度540～620MPa，冲击功Akv为120～170J的焊丝；焊接电流500～580A，焊接电压31～35V，焊接速度为30～45cm/min，焊剂烘烤制度为350℃×1h；埋弧焊采用多层多道连续施焊，层间温度控制在100～150℃，焊后立即在580°进行消除应力处理。本发明方法具有优异的焊接工艺性能，可以保证低温高韧性铌微合金钢焊接接头的力学性能满足设计要求，尤其是接头各部位保持较高的低温冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接工艺及其焊丝，具体的说是一种低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接工艺及其焊丝。
背景技术
随着我国石油化学工业的迅速发展，大型乙烯、合成氨和城市煤加压汽化等工程发展很快，气体的液化、分离和液化气体的生产、贮运及应用已相当普遍，低温技术和设备的发展促进了低温压力容器用钢的发展，对-60℃或-70℃低温用钢的需要日趋迫切。
为了适应各类低温压力容器储罐的需求，南钢已开发了一种高韧性的低温容器钢，其综合力学性能优于国外同种钢种水平，尤其是在-70℃仍能保持优异的低温韧性。基材性能的提高对焊接材料和焊接工艺提出了迫切的要求。
然而，高韧性低温钢焊接对焊接材料，焊接工艺，尤其是线能量的要求很高，焊接质量不易控制。焊接接头低温韧性显著下降，熔敷金属和热影响区的冲击功与基材相比，其韧性指标相差太远。在多层大线能量的埋弧焊时，这种接头的性能降低更为显著，不能满足当前自动化制造业的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接工艺及其焊丝，适用于-70℃低温条件下有韧性要求的钢材之间连接，保证接头的低温韧性，尤其是满足接头三区-70℃冲击功的要求。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接工艺，包括以下步骤：
(1)焊前对焊接钢板进行焊接热模拟试验，获得不同线能量时热模拟试件的冲击韧性，从而确定焊接时可以采用的线能量范围；
(2)埋弧焊坡口采用X型对称坡口，坡口角度为55°～65°，钝边为5mm～7mm；
(3)对待焊接区进行预热，预热温度为100～150℃，预热宽度以坡口边缘算起每侧大于等于母材厚度的3倍，且不小于100mm；
(4)焊接过程中层间温度控制在100～150℃范围内；
(5)焊后立即进行消除应力处理，炉温不低于300℃时进炉，以15℃/s的速度达到580±10℃，保温后缓冷，300℃出炉。
焊接工艺参数：焊接电流500～580A，焊接电压31～35V，焊接速度为30～45cm/min，并保证焊接线能量符合热模拟试验所确定的范围，焊剂的烘烤制度为350℃×1h。钢板反面第一层焊道时必须清跟，显露出正面的焊缝金属。
用于本发明的低温高韧性铌微合金钢埋弧焊接工艺的焊丝，按重量百分比包括以下组分：C：0.05～0.12％，Si：0.40～0.80％，Mn≤1.25％，Ni：3.0～3.75％，S≤0.02％，P≤0.02％，Cu≤0.35％，Cr≤0.15％，其余为铁及不可避免的杂质。
对于厚度为24～60mm的低温高韧性铌微合金钢，焊丝的抗拉强度540～620MPa，-70℃冲击功Akv为120～170J，焊丝直径φ4.0mm。
本发明的优点是：①本发明在低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接前进行焊接热模拟试验，获得不同线能量时热模拟试件的冲击韧性，从而确定焊接时可以采用的线能量范围，既能从热输入方面保证接头的韧性，又能发挥自动焊的特点，提高焊接效率；②本发明满足了低 温高韧性铌微合金钢的关键埋弧焊接制造工艺，埋弧焊接接头抗拉强度、接头冲击功达到较高的水平，接头具有较高的冲击韧性储备及安全富裕度；③采用本发明焊接材料及工艺技术，埋弧焊接头焊缝金属主要细小的针状铁素体组织，HAZ粗晶区主要为铁素体和贝氏体组织，并有少量的针状铁素体，从而使焊接接头具有优良的低温冲击及抗裂性能；④采用本发明焊接工艺技术在多层多道连续施焊时焊接接头仍具有较高的冲击功，且工序简单，焊接速度快，效率高，适合用于大型容器设备制造的推广应用。总之，本发明通过焊接前进行热模拟试验确定焊接线能量输入范围，选择焊接材料，焊接工艺控制和后处理措施等保证接头的低温韧性，尤其是满足接头三区-70℃冲击功的要求。
附图说明
图1a是实施例一焊接接头焊缝金属的金相组织图。
图1b是实施例一焊接接头焊缝熔合线的金相组织图。
图1c是实施例一焊接接头HAZ粗晶区金相组织图。
图1d是实施例一焊接接头HAZ细晶区金相组织图。
图2a是实施例二焊接接头焊缝金属的金相组织图。
图2b是实施例二焊接接头焊缝熔合线的金相组织图。
图2c是实施例二焊接接头HAZ粗晶区金相组织图。
图2d是实施例二焊接接头HAZ细晶区金相组织图。
具体实施方式
本发明的低温高韧性铌微合金钢埋弧焊接工艺方法的步骤是：
(1)对于厚度为24～60mm的低温高韧性铌微合金钢，匹配的焊接材料：焊丝的抗拉强度540～620MPa，冲击功Akv(-70℃)为120～170J，焊丝直径φ4.0mm，焊剂为SJ208；焊丝的化学成分按重量百 分比为：C：0.05～0.12，Si：0.40～0.80，Mn≤1.25，Ni：3.0～3.75，S≤0.02，P≤0.02，Cu≤0.35，Cr≤0.15，其余为铁及不可避免的杂质；
(2)焊前对焊接钢板进行焊接热模拟试验，获得不同线能量时热模拟试件的冲击韧性，从而确定焊接时可以采用的线能量范围；
(3)埋弧焊坡口采用X型对称坡口，坡口角度为60°，钝边为6mm；
(4)对待焊接区进行预热，预热温度为100～150℃，预热宽度以坡口边缘算起每侧大于等于母材厚度的3倍，且不小于100mm；
(5)焊接工艺参数：焊接电流500～580A，焊接电压31～35V，焊接速度为30～45cm/min，并保证焊接线能量符合热模拟试验所确定的范围，焊剂的烘烤制度为350℃×1h；
(6)焊接过程中层间温度控制在100～150℃范围内；
(7)反面第一层焊道时必须清跟，显露出正面的焊缝金属；
(8)焊后立即进行消除应力处理，炉温不低于300℃时进炉，以15℃/s的速度达到580±10℃，保温后缓冷，300℃出炉。
实施例一
基材：热机械控制轧制工艺(TMCP)+正火生产的低温高韧性铌微合金钢板，厚度组合为30mm+30mm；钢板的力学性能为：屈服强度Rp0.2：380MPa，抗拉强度Rm：490MPa，延伸率A：33％，-70℃AKV冲击功：181J。试板尺寸为600mm×400mm×12mm；埋弧焊坡口采用X型对称坡口，坡口角度为60°，钝边6mm。
焊接热模拟的结果如下表所示：
表1
| 线能量/(kJ/cm) | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
| AKV(-70℃)/(J) | 345 370 | 410 427 | 423 301 | 102 98 | 27 18 |
由以上热模拟结果可知，焊接线能量不大于30kJ/cm，试样具有高的冲击韧性。选择如下焊接工艺参数：焊接电流500～520A，焊接电压31～33V，焊接速度为40～45cm/min，对应的焊接线能量21～26kJ/cm，焊剂烘烤制度为350℃×1h；采用多层多道连续施焊，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，层间温度控制在110～150℃，焊前预热100℃，焊后在580℃保温热处理。
焊后焊缝经100％超声波探伤均为I级。
采用上述焊接工艺焊接09MnNiDR低温钢对接接头性能，接头抗拉强度Rm＝484MPa，断裂位置：母材，焊缝冲击功AKV(-70℃)＝121J，熔合线冲击功AKV(-70℃)＝113J，热影响区(0.5mm)AKV(-70℃)＝97J，焊缝180°侧弯合格，无裂纹。
焊接接头各部位的金相组织如图1a、b、c和d所示。焊缝金属及靠近熔合线附近的粗晶区为晶界先共析铁素体、贝氏体、晶内针状铁素体组织，有些区域存在沿着晶界向晶内生长的侧板条铁素体；HAZ粗晶区主要为铁素体和贝氏体组织，并有少量的针状铁素体，其中铁素体和贝氏体束的尺寸较小，而HAZ细晶区为多边形铁素体和少量贝氏体组织。
实施例二
基材：热机械控制轧制工艺(TMCP)+正火生产的低温高韧性铌微合金钢板，厚度组合为52mm+52mm；钢板的力学性能为：屈服强度Rp0.2：370MPa，抗拉强度Rm：480Pa，延伸率A：32％，-70℃AKV冲击功：192J。试板尺寸为600mm×400mm×30mm；埋弧焊坡口采用X型对称 坡口，坡口角度为60°，钝边6mm。
焊接热模拟的结果如下表所示：
表2
| 线能量/(kJ/cm) | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
| AKV(-70℃)/(J) | 327 351 | 370 384 | 208 231 | 87 78 | 30 28 |
由以上热模拟结果可知，焊接线能量不大于30kJ/cm，试样具有高的冲击韧性。选择如下焊接工艺参数：焊接电流530～550A，焊接电压33～35V，焊接速度为40～45cm/min，焊接线能量23～29kJ/cm，焊剂烘烤制度为350℃×1h；采用多层多道连续施焊，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，层间温度控制在120～150℃，焊前预热150℃，焊后在580℃保温热处理。
焊后焊缝经100％超声波探伤均为I级。
采用上述焊接工艺焊接09MnNiDR低温钢对接接头性能，接头抗拉强度Rm＝475MPa，断裂位置：母材，焊缝冲击功AKV(-70℃)＝126J，熔合线冲击功AKV(-70℃)＝107J，热影响区(0.5mm)AKV(-70℃)＝104J，焊缝180°侧弯合格，无裂纹。
焊接接头各部位的金相组织如图2a、b、c和d所示所示。由图可见焊缝金属为晶界先共析铁素体、晶内针状铁素体和贝氏体组织，沿着晶界向晶内生长的侧板条铁素体由于受后续焊的再加热正火而分解再结晶细化；熔合线附近的粗晶区为少量的晶界先共析铁素体、贝氏体晶内和针状铁素体组织；HAZ粗晶区主要为贝氏体组织、晶内针状铁素体、多边形铁素体，而HAZ细晶区为多边形铁素体和少量贝氏体。
本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (3)
1.一种低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接工艺，包括以下步骤：
(1)焊前对焊接钢板进行焊接热模拟试验，获得不同线能量时热模拟试件的冲击韧性，从而确定焊接时可以采用的线能量范围；
(2)埋弧焊坡口采用X型对称坡口，坡口角度为55°～65°，钝边为5mm～7mm；
(3)对待焊接区进行预热，预热温度为100～150℃，预热宽度以坡口边缘算起每侧大于等于母材厚度的3倍，且不小于100mm；
(4)焊接过程中层间温度控制在100～150℃范围内；
其特征在于：还包括以下步骤：
(5)焊后立即进行消除应力处理，炉温不低于300℃时进炉，以15℃/s的速度达到580±10℃，保温后缓冷，300℃出炉。
2.如权利要求1所述的低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接工艺，其特征在于：焊接工艺参数：焊接电流500～580A，焊接电压31～35V，焊接速度为30～45cm/min，并保证焊接线能量符合热模拟试验所确定的范围，焊剂的烘烤制度为350℃×1h。
3.如权利要求1或2所述的低温高韧性铌微合金钢的埋弧焊接工艺，其特征在于：钢板反面第一层焊道时必须清根，显露出正面的焊缝金属。
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