CN101733562B

CN101733562B - 900MPa高强钢不预热组合焊接方法

Info

Publication number: CN101733562B
Application number: CN 200910019599
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟; 蒋庆磊
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2029-12-08
Also published as: CN101733562A

Abstract

本发明公开了一种900MPa高强钢不预热组合焊接方法，是采用700～800MPa低氢型高韧性焊条电弧焊打底焊接，再用900MPa高韧性实芯焊丝配Ar+CO₂混合气体保护焊实施填充焊，采用800MPa药芯焊丝配CO₂气体保护焊盖面焊。采用本发明不预热、不进行焊后热处理的组合焊工艺焊接900MPa高强钢，可获得无裂纹的焊接接头，接头区平整光洁，焊缝金属的室温抗拉强度大于860MPa、试验温度0℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功大于90J，可满足高强钢焊接结构具有较高承载能力的使用要求，同时本发明方法焊接成本降低约25％，且操作简便，易于推广。

Description

900MPa高强钢不预热组合焊接方法

技术领域

本发明涉及一种高强度钢的不预热焊接方法，尤其涉及一种用于900MPa低合金高强度钢的不预热、不进行焊后热处理的组合焊接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

低合金调质高强钢以其高强度和良好的塑韧性广泛应用于工程机械、电力、压力容器、矿山机械等制造领域，而焊接是影响低合金调质高强钢应用至关重要的因素。尤其是抗拉强度900MPa低合金高强钢的工程应用对焊接方法、焊接材料和工艺提出了更高的要求。

抗拉强度900MPa高强钢的合金系复杂，淬硬性大，有明显的冷裂纹倾向，在焊接中会出现冷裂纹和热影响区的脆化和软化。因此，这类钢焊接所要解决的问题一是防止焊接裂纹；二是在保证满足高强度要求的同时，保证焊接接头区域的冲击韧性。实际生产中，这类钢焊接一般采用焊前预热、焊后热处理的工艺措施。

为了消除焊接裂纹和最大限度地提高900MPa高强钢的焊接生产效率，国内外对这类钢焊接大多采用熔化极氩弧焊(MIG)或混合气体保护焊(MAG)等机械化或半机械化方法配合等强焊丝进行焊接，焊前要求预热，焊后要求进行焊后热处理，以便控制焊接接头区的冷却速度，消除裂纹。但采用这种焊接工艺的焊接结构在使用中往往会出现焊缝根部超强、局部淬硬而韧性不足，易导致焊缝根部产生裂纹。特别是预热条件下焊接900MPa高强钢会增大热影响区软化倾向，而且焊接工艺复杂，生产成本高。特别是对于大型焊接结构，采用预热焊时，将整体结构预热到某一温度在实际生产中很难实施。目前，在不预热条件下焊接900MPa高强度钢是非常困难的。

中国发明专利(ZL200610070181.0)提出一种800MPa高强度钢的不预热焊接工艺，可以实现部分高强度钢的不预热焊接。但采用这项技术难以实现抗拉强度900MPa高强度钢的焊接。因此，若能在不预热、不焊后热处理条件下，实现对900MPa级高强度钢的焊接，对简化焊接工艺、提高高强钢焊接区性能、降低生产成本和焊工劳动强度将具有重要的意义。

发明内容

针对抗拉强度900MPa高强钢目前采用“等强匹配”焊丝、焊前预热或焊后热处理的工艺不足，本发明的目的在于提出一种用于900MPa低合金高强度钢的不预热、不进行焊后热处理的组合焊接方法。

本发明所述900MPa级高强钢不预热组合焊接工艺的技术方案是：打底层焊道采用“低匹配”700～800MPa高韧性焊条电弧焊；填充焊道采用900MPa高强度高韧性实芯焊丝的Ar+CO₂混合气体保护焊，焊接过程严格控制焊接热量输入(不大于22kJ/cm)，焊接方法采用(90～95)％Ar+(5～10)％CO₂混合气体保护焊，控制焊缝扩散氢在超低氢水平(不超过5mL/100g)；盖面焊采用800MPa药芯焊丝气体保护焊，以实现900MPa低合金高强钢的焊接。

采用本发明提出的这种900MPa高强钢不预热、不进行焊后热处理的组合焊接工艺，获得的焊缝表面光洁美观，焊缝金属的显微组织主要以细小的针状铁素体为主，这种组织具有很强的阻止裂纹产生和扩展的能力；焊接热影响区的组织主要是强韧性较好的低碳板条马氏体和下贝氏体。控制工艺参数使热影响区形成得以“自回火”的低碳马氏体组织，可以避免热影响区冷裂纹。获得的焊接接头抗拉强度850～950MPa、焊缝金属0℃条件下的冲击吸收功大于90J，可满足其使用要求。

本发明提出的不预热、不进行焊后热处理的900MPa高强钢组合焊接方法，由下述工艺步骤完成：

(1)在待焊件接头处开V形坡口，坡口角度为30°～45°，钝边2～3mm；

(2)用钢丝刷清理坡口及坡口两侧20mm～30mm的表面，去除其油污和铁锈，直至露出金属光泽；

(3)采用“低强匹配”700～800MPa低氢型高韧性焊条电弧焊打底焊接(目的在于：一是减小焊缝稀释率，提高根部焊道的抗裂性；二是提高打底焊道的成形质量，解决气体保护焊焊丝伸出过长影响焊接质量的矛盾)，焊接参数为：焊接电压24～26V，焊接电流110～130A；打底层厚度不小于3mm；

(4)再用“等强匹配”900MPa高韧性实芯焊丝配Ar+CO₂混合气体保护焊(MAG)实施填充焊(利用MAG的高效和熔深大的特点，提高焊接质量和生产效率)，采用多层多道焊，层间温度控制在150～200℃，焊接参数为：焊接电压29～31V，焊接电流240～320A，焊接热输入控制在16～22kJ/cm；

(5)采用“低强匹配”800MPa药芯焊丝配CO₂气体保护焊(FCAW-G)盖面焊(提高焊缝的表面成形质量，获得良好的外观效果)，焊接参数为：焊接电压30～33V，焊接电流260～340A，焊接热输入控制在10～22kJ/cm，保护气体流量15-25L/min；焊接之后用硅酸铝板覆盖焊接接头区，施以缓冷。

上述的900MPa高强钢不预热组合焊接方法中：所述组合焊接中连续施焊，中途不得停歇；焊前不预热，也不进行焊后热处理。

其中：步骤(3)所述的“低强匹配”700～800MPa低氢型高韧性焊条优选直径为3.2mm的E7015-Ni、E7515-Ni或E8015-Ni；施焊前在300～400℃下对焊条进行1.5～3h烘干。

其中：步骤(4)所述“等强匹配”900MPa高韧性实芯焊丝的直径为1.2mm，其熔敷金属化学成分以质量百分比计为：C 0.08％，Si 0.42％，Mn 1.31％，Mo 0.52％，Ni 2.42％，Cr 0.60％，Cu 0.32％；熔敷金属力学性能为：抗拉强度σ_b＞920MPa，屈服强度σ_s＞795MPa，伸长率δ＞16％，-40℃冲击吸收功A_KV＞67J。

其中：步骤(4)所述Ar+CO₂混合气体保护焊采用的Ar与CO₂的体积比优选为90％～95％∶5％～10％。

其中：步骤(4)所述Ar+CO₂混合气体保护焊所用喷嘴直径优选为10mm，气体流量优选为15～25L/min。

其中：步骤(5)所述“低强匹配”800MPa药芯焊丝的直径为2.0mm，其熔敷金属化学成分以质量百分比计为：C≤0.15％，Si 0.30％～0.60％，Mn 1.20％～1.70％，Ni1.0％～1.2％，Mo 0.1％～0.5％；熔敷金属力学性能为：抗拉强度σ_b＞780MPa，屈服强度σ_s＞690MPa，伸长率δ＞16％，-40℃冲击吸收功A_KV＞27J。

采用上述不预热、不进行焊后热处理的组合焊工艺焊接900MPa低合金高强钢，可获得的无裂纹焊接接头，接头区平整光洁，焊缝金属的室温抗拉强度大于860MPa、试验温度0℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功为大于90J，满足了高强钢焊接结构具有较高承载能力的使用要求。

本发明的技术要点体现在：打底层焊道采用“低强匹配”高韧性焊条电弧焊，填充层采用实芯焊丝高效Ar+CO₂气体保护焊，盖面层采用药芯焊丝CO₂焊，这种组合焊的优点是可在不预热条件下焊接900MPa高强度钢，能保证整个焊接接头具有较高的塑韧性储备，防止焊缝根部裂纹的产生，而且具有很高的焊接生产效率。

与常规的900MPa高强度钢焊接工艺相比，采用本发明提出的900MPa级高强钢不预热、不焊后热处理的组合焊工艺不仅保证了焊接接头的抗裂性和综合力学性能，而且可使焊接成本降低约25％。因此，本发明的这种焊接工艺具有生产成本低、操作简便、适用性强的特点，易于推广应用。

具体实施方式

实施例1：

厚度为20mm的900MPa低碳调质高强钢对接焊。采用焊条电弧焊和Ar+CO₂混合气体保护焊(MAG)进行焊接，Ar和CO₂气体的体积比为90％∶10％。

(1)焊接设备及焊接材料

焊接设备选用动特性良好的逆变式焊机；焊条电弧焊采用直径3.2mm的碱性低氢型高韧性焊条E7015-Ni，气体保护焊采用直径1.2mm的900MPa实芯焊丝填充焊和直径2.0mm的800MPa药芯焊丝盖面焊，焊前去除焊丝表面的油、锈等脏物。

(2)焊前准备

对厚度20mm的低碳调质钢接头处采用砂轮打磨的方式开V形坡口，坡口角度35°，钝边2mm。将坡口及坡口两侧接头处20～30mm范围内的锈蚀、油垢等清理干净，直至露出金属光泽。

低氢型焊条施焊前在300～400℃下对E7015-Ni焊条进行1.5～2h烘干。

装配和用焊条电弧焊点固对接焊试板。

(3)焊接工艺及参数

1)采用焊条电弧焊打底焊(焊条E7515-Ni)，在室温不低于20℃的不预热条件下施焊，焊接参数为：焊接电压24V，焊接电流110～120A；打底层厚度不小于3mm。

2)采用90％Ar+10％CO₂混合气体保护焊填充焊，配用900MPa实芯焊丝(GHS-90)，多层多道连续焊，中途不得停歇。焊接参数为：焊接电压29V，焊接电流260～290A，焊接热输入12～18kJ/cm，保护气体流量18L/min。层间温度不低于100℃。后续焊道施焊时应保持尽可能高的层温，使前一焊道对后续焊道起预热作用(也有利于氢的扩散逸出)。

3)采用CO₂气体保护焊盖面焊，配用800MPa药芯焊丝(E-80T5-Ni)，焊接参数为：焊接电压31V，焊接电流280～300A，焊接热输入16～20kJ/cm。

4)盖面焊后立即用硅酸铝保温材料覆盖工件的焊接接头区。

焊后接头外观平整光洁，无表面和根部裂纹。获得的焊接接头力学性能为：抗拉强度890MPa，伸长率19％，试验温度0℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功大于100J，能满足使用性能要求。

实施例2：

厚度25mm的HQ100低合金高强度钢，箱形结构的T形接头，底板尺寸为300mm×300mm×25mm。采用焊条电弧焊和Ar+CO₂混合气体保护焊方法，其中Ar和CO₂气体的体积比为95％∶5％。

(1)焊接设备及焊接材料

焊接设备选用动特性良好的逆变式焊机；焊条电弧焊采用直径3.2mm的碱性低氢型高韧性焊条E7515-Ni，气体保护焊采用直径1.2mm的900MPa实芯焊丝填充焊和直径2.0mm的800MPa药芯焊丝盖面焊，焊前去除焊丝表面的油、锈等脏物。

(2)焊前准备

对厚度25mm的低碳调质钢采用机械加工的方法开V形坡口，只对角接头的立板开单面V形坡口，坡口角度30°，钝边3mm。将坡口及坡口两侧接头处20～30mm范围内的锈蚀、油垢等清理干净，直至露出金属光泽。

对E7515-Ni低氢型焊条进行350℃×2h烘干。

装配和用焊条电弧焊点固焊接试板，焊前在焊接试板底下铺垫厚度大于10mm的硅酸铝保温材料。

(3)焊接工艺及参数

1)采用焊条电弧焊打底焊(焊条E7515-Ni)，在室温不低于20℃的不预热条件下施焊，连续施焊，焊接参数为：焊接电压24V，焊接电流110～130A；打底层厚度大于3mm。

2)采用95％Ar+5％CO₂混合气体保护焊填充焊，配用直径1.2mm的900MPa实芯焊丝(GHS-90)，多层多道连续焊，中途不得停歇。焊接参数为：焊接电压30V，焊接电流280～310A，焊接热输入12～20kJ/cm，保护气体流量20L/min。后续焊道施焊时应保持尽可能高的层温，不低于150℃，使前一焊道对后续焊道起预热作用(也有利于氢的扩散逸出)。

3)采用CO₂气体保护焊盖面焊，配用直径2.0mm的800MPa药芯焊丝(E-80T5-Ni)，焊接参数为：焊接电压31V，焊接电流280～320A，焊接热输入16～22kJ/cm，保护气体流量22L/min。

4)盖面焊后立即用硅酸铝保温材料覆盖工件的焊接接头区。

焊后接头外观平整光洁，无表面和根部裂纹。获得的焊接接头力学性能为：抗拉强度900MPa，伸长率18％，试验温度0℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功大于90J，能满足使用性能要求。

Claims

1.一种900MPa高强钢不预热组合焊接方法，由下述步骤完成：

(3)采用E7015-Ni、E7515-Ni或E8015-Ni低氢型高韧性焊条电弧焊打底焊接，焊接参数为：焊接电压24～26V，焊接电流110～130A；打底层厚度不小于3mm；

(4)再用900MPa高韧性实芯焊丝配Ar+CO₂混合气体保护焊实施填充焊，采用多层多道焊，层间温度控制在150～200℃，焊接参数为：焊接电压29～31V，焊接电流240～320A，焊接热输入控制在16～22kJ/cm；其中，所述的900MPa高韧性实芯焊丝的熔敷金属化学成分以质量百分比计为：C 0.08％，Si 0.42％，Mn 1.31％，Mo 0.52％，Ni2.42％，Cr 0.60％，Cu 0.32％；熔敷金属力学性能为：抗拉强度σ_b＞920MPa，屈服强度σ_s＞795MPa，伸长率δ＞16％，-40℃冲击吸收功A_KV＞67J；

(5)采用800MPa药芯焊丝配CO₂气体保护焊盖面焊，焊接参数为：焊接电压30～33V，焊接电流260～340A，焊接热输入控制在10～22kJ/cm，保护气体流量15-25L/min；焊接之后用硅酸铝板覆盖焊接接头区，施以缓冷；其中，所述的800MPa药芯焊丝的熔敷金属化学成分以质量百分比计为：C≤0.15％，Si 0.30％～0.60％，Mn 1.20％～1.70％，Ni1.0％～1.2％，Mo 0.1％～0.5％；熔敷金属力学性能为：抗拉强度σ_b＞780MPa，屈服强度σ_s＞690MPa，伸长率δ＞16％，-40℃冲击吸收功A_KV＞27J。

2.如权利要求1所述的900MPa高强钢不预热组合焊接方法，其特征在于：所述组合焊接中连续施焊，中途不得停歇；焊前不预热，也不进行焊后热处理。

3.如权利要求1所述的900MPa高强钢不预热组合焊接方法，其特征在于：步骤(3)所述的E7015-Ni、E7515-Ni或E8015-Ni低氢型高韧性焊条直径为3.2mm；施焊前在300～400℃下对焊条进行1.5～3h烘干。

4.如权利要求1所述的900MPa高强钢不预热组合焊接方法，其特征在于：步骤(4)所述900MPa高韧性实芯焊丝的直径为1.2mm。

5.如权利要求1所述的900MPa高强钢不预热组合焊接方法，其特征在于：步骤(4)所述Ar+CO₂混合气体保护焊采用的Ar与CO₂的体积比为90％～95％∶5％～10％。

6.如权利要求1或5所述的900MPa高强钢不预热组合焊接方法，其特征在于：步骤(4)所述Ar+CO₂混合气体保护焊所用喷嘴直径为10mm，气体流量为15～25L/min。

7.如权利要求1所述的900MPa高强钢不预热组合焊接方法，其特征在于：步骤(5)所述800MPa药芯焊丝的直径为2.0mm。