CN101879645B - 一种低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于焊接领域，具体说涉及一种适用于低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法，包括焊接方法及焊接材料的选择，焊接次序、焊接过程对各焊接工艺参数的选择与控制，本发明是采用二氧化碳气体保护焊进行打底，埋弧自动焊方法进行填充和盖面，焊接过程中当焊至大坡口厚度的三分之二后停下，进行背部清根并开始并完成另一面焊接，最后完成第一面焊缝，焊接过程中严格控制焊接的各相关工艺参数，解决了焊缝冷却速度过快和温度过高造成的焊缝及热影响区抗裂韧性变差的问题，不需进行焊后热处理也能保证焊缝接头良好的抗裂韧性，可以满足工作环境温度-30℃以上35-77mm厚E36板材的焊接，简化生产流程，缩短生产周期，降低成本。

Description

一种低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法
技术领域：
本发明属于焊接领域，具体说涉及一种低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法。
背景技术：
目前，随着海洋石油开发不断向寒冷海域和深海发展，国内E36厚钢板的应用在海工造船行业的应用越来越广泛，对焊接产品的适用温度也越来越低，传统的厚板焊接过程中，焊接接头易产生较多残余应力，影响焊缝的性能，为消除焊后残余应力，常用工艺方法是对焊缝进行焊后热处理，但焊后热处理消耗大量人力、物力、而且工期长，成本高；按照标准若焊缝通过CTOD试验，可免除焊后热处理工艺，但目前对于35-77mm厚E36钢板焊缝通过CTOD试验的工艺只能覆盖-22℃以上的工作环境，对于工作环境温度-22℃以下的焊缝，免除热处理工艺还没有具体得到生产应用，需对焊缝进行热处理，极大的增加了焊接生产成本；可见，对厚钢板焊接接头来说，更为可取的方法是通过选择恰当的焊接材料、焊接方法，调整优化焊接工艺，来保证焊接接头的韧度，以免除焊后热处理工序，而现有的焊接工艺无法兼顾焊接接头良好的性能和经济性，特进行一种低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法的创新，所以，上述大厚钢板焊缝进行焊后热处理不能满足要求，很有必要对此进一步加强改进。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有大厚钢板焊缝需进行焊后热处理造成生产成本提高的不足，提供一种适用于低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法是：选择合适的焊接方法，焊接材料，采用合理的焊接规范，严格控制焊接过程，无需进行焊后热处理，得到性能优良的焊接接头，通过-30℃温度下的CTOD试验，得到良好的试验效果，在-30℃工作温度以上的35-77mm的E36级厚板可以完全采用此工艺，免除对焊缝进行焊后热处理，提高生产效率，节约生产成本。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
一种低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法，其特征是：包括以下步骤：
a)、焊接方法和焊接材料的选择；b)、焊接次序；c)、焊接工艺参数的选择；具体工艺方法步骤如下：
a)、焊接方法和焊接材料的选择：打底焊接方法选用药芯焊丝二氧化碳气体保护焊“FCAW-G”，焊接材料选用LW-81Ni1；填充及盖面焊接方法选用埋弧自动焊“SAW”，焊丝选用L-S3，焊剂选用8500匹配焊接；
b)、焊接次序：工艺方法步骤如下：采用FCAW-G进行打底，SAW进行填充和盖面；母材35-77mm厚的E36板材第一面“大坡口面”焊至坡口厚度的三分之二后停下，进行背部清根把坡口扩成U型或者半U型，清根方式为碳弧气刨后使用砂轮机打磨；使用埋弧自动焊开始并完成第二面焊接，后再翻转过来使用埋弧自动焊完成第一面焊接；焊接完成后，经过48小时进行无损探伤“由于板厚较厚，进行磁粉探伤和超声波探伤”，对试件进行加工，进行力学性能试验和CTOD试验进行验证，既得本发明低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法。
c)、焊接工艺参数的选择；FCAW-G焊丝直径Φ＝1.2mm；埋弧焊焊丝直径Φ＝4mm；预热及层间温度110℃-220℃；FCAW-G焊接电流170-250A；FCAW-G焊接电压24-28V；FCAW-G焊接速度154-337mm/min；FCAW-G焊接热输入0.9-2.4KJ/mm；SAW焊接电流460-650A；SAW焊接电压24-33V；SAW焊接速度360-729mm/min；SAW焊接热输入1.2-3.2KJ/mm；所述的母材35-77mm厚的E36板材焊接接头通过-22℃--30℃温度下的CTOD实验所得CTOD特征值不小0.35mm；所述的预热及层间温度为：110℃-220℃；所述的SAW焊接热输入为：1.2-3.2KJ/mm。
本发明的优点是：
1、焊接方法采用二氧化碳气体保护焊进行打底，适用现场坡口形式多变的情况；埋弧自动焊进行填充并盖面，提高了生产效率，降低了劳动强度。
2、接头第一面焊接至三分之二后，完成另一面的焊接，之后再完成第一面的焊接，可降低变形程度和焊缝中的应力集中。
3、进行了0℃，-22℃，-30℃三个温度的CTOD试验，填补了海工造船行业E36级厚钢板CTOD试验-22℃以下的空白，环境温度-30℃以上的E36级厚板可以完全采用此工艺焊接，而不需要对焊缝进行焊后热处理，节省了人力物力，提高了生产效率，降低了成本，节能环保，获得了巨大的经济效益和社会效益。
附图说明：
图1是本发明“X”型坡口示意图；
图2是本发明“K”型坡口示意图。
图3是本发明焊缝的断口宏观形貌部分试样示意图；
图4是本发明热影响断口宏观形貌部分试样示意图；
图5是本发明预制有效裂纹部分试样示意图；
下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：
具体实施方式：
1)、焊接方法及焊接材料的选择；打底焊接方法选用药芯焊丝二氧化碳气体保护焊(FCAW-G)，焊接材料选用LW-81Ni1；填充及盖面焊接方法选用埋弧自动焊(SAW)，焊丝选用L-S3，焊剂选用8500匹配焊接；
2)采用FCAW-G进行打底，SAW进行填充和盖面；母材第一面(大坡口面)焊至坡口厚度的三分之二后停下，进行背部清根把坡口扩成U型或者半U型，清根方式为碳弧气刨后使用砂轮机打磨；使用埋弧自动焊开始并完成第二面焊接，后再翻转过来使用埋弧自动焊完成第一面焊接。
3)焊接整个过程中，严格按照预设工艺参数进行，焊接工艺参数详情参见表1
4)焊接完成后，经过48小时进行无损探伤(由于板厚较厚，进行磁粉探伤和超声波探伤)，对试件进行加工，进行力学性能试验和CTOD试验进行验证，既得本发明低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法。
实施例：参照附图1-图5，本工艺选用母材为70mm厚的E36钢板，选取X型和K型坡口进行施焊，采用二氧化碳气体保护焊进行打底，埋弧自动焊方法进行填充和盖面，焊接过程中当焊至大坡口厚度的三分之二后停下，进行背部清根并开始另一面焊接，完成小坡口焊缝，之后再完成大坡口面焊接；焊接过程中严格控制焊接的层间温度，严格控制焊接电压、电流、焊接速度等参数，得到合适热输入量。
焊接材料选取美国林肯公司生产的LW-81Ni和Lincoln L-S3(8500)，焊机采用美国林肯公司的单丝埋弧焊机。焊材采用直径Φ1.2的药芯焊丝LW-81Ni1打底，采用直径Φ4.0的埋弧焊丝L-S3，配用焊剂为8500进行填充和盖面，具体焊接工艺如下：
1.下料
2.对焊工进行培训。培训过程中的参数要仔细调整并记录
3.组对
加工试板回来后检验尺寸合格后进行试件装配(加上足够厚的马板及较长的引弧板)装配好后再次检查试板装配尺寸是否合格。引弧板长140mm，厚度与母材等厚
4.试板组对好后，通知第三方并进行第一面焊接.焊接过程严格注意并控制；
5.一面焊至坡口厚度的三分之二后停下，直至其冷却至30℃左右后，卸掉马板，气刨到一定的深度，再进行打磨，并把坡口扩成U型或者半U型，在气刨和打磨K型坡口时，一定要注意尽量保持直边的完整性；
6.进行第二面的焊接。焊接第二面，注意的事项与第一面焊类似；
7.第二面焊接完成后，再翻转过来焊第一面直至完成；
8.焊后经过48小时以后进行无损探伤，由于板厚较厚，进行磁粉探伤和超声波探伤；
9.机械性能试验试件加工，进行力学性能试验和CTOD试验。
工艺技术参数及实验结果
1.焊接工艺参数
表1焊接工艺参数
  项目名称   单位   参数大小
  FCAW-G焊丝直径   mm   1.2
  埋弧焊焊丝直径   mm   4.0
  预热及层间温度   ℃   110-220
  FCAW-G焊接电流   A   170-250
  FCAW-G焊接电压   V   24-28
  FCAW-G焊接速度   mm/min   154-337
  FCAW-G焊接热输入   KJ/mm   0.9-2.4
  SAW焊接电流   A   460-650
  SAW焊接电压   V   24-33
  SAW焊接速度   mm/min   360-729
  SAW焊接热输入   KJ/mm   1.2-3.2
2.力学性能试验结果数据见表2，表3，表4
表2横向拉伸试验
试样编号   宽度(mm)   厚度(mm)   截面积(mm2)   施加载荷(KN)   抗拉强度(N/mm2)
  QFS-E2C21-3-T01   24.9   33.6   836.64   480   575
  QFS-E2C21-3-T02   24.9   36.3   903.87   506   560
  QFS-E2C21-3-T03   24.6   35.3   868.38   488   560
  QFS-E2C21-3-T04   24.9   33.4   831.66   473   570
表3全焊缝拉伸试验
试样编号   直径(mm)   面积(mm2)   屈服强度(N/mm2)   施加载荷(KN)   拉伸强度(N/mm2)   延伸率％
  QFS-E2C21-3-T05   Φ12.5   122.7   520   69   560   28.5
表4-40℃下10mm*10mm夏比V型缺口冲击试验
Figure BSA00000169624400041
Figure BSA00000169624400051
3.CTOD试验结果见表5，表6，表7：
表5CTOD实验结果(0℃)
  试样编号   CTOD值   试样编号   CTOD值   试样编号   CTOD值
  W-02   1.9806   H-03   1.8854   H-14   2.0287
  W-03   1.774   H-04   2.0179
  W-12   1.9974   H-06   2.1148
  H-02   1.9797   H-08   2.0965
表6CTOD实验结果(-22℃)
  试样编号   CTOD值   试样编号   CTOD值   试样编号   CTOD值
  W-01   1.9784   W-08   1.9387   H-10   1.9929
  W-04   1.9824   W-09   2.1033   H-11   1.5957
  W-06   1.8157   H-01   1.2935
  W-07   2.1509   H-09   2.148
表7CTOD实验结果(-30℃)
  试样编号   CTOD值   试样编号   CTOD值   试样编号   CTOD值
  W-05   1.7662   H-13   1.5756
  W-10   1.8736   H-15   2.0756
  W-11   1.4773
  H-12   1.9929
本工艺方法采用二氧化碳气体保护焊FCAW-G打底，埋弧焊填充盖面，对X型坡口和K型坡口各焊接了两个试样，FCAW-G两层焊道，防止了埋弧焊时因电流过大烧穿的问题，填充盖面采用埋弧焊，改善了焊工的工作环境，而且焊接效率高，质量高，操作方便，成本低的特点。
在具体工艺控制上，主要对一下几点进行控制：
(1)对温度的控制。工艺过程中，预热和层间温度控制在110℃-220℃，从根本上控制了焊缝冷却速度过快，和温度过高造成的焊缝韧性变差的问题。
(2)对电流、电压和焊接速度的控制，使线能量总体分布在1.2KJ/mm-3.2KJ/mm之间，保证焊接接头的强韧性达到最佳状态。
(3)接头第一面焊接至三分之二后，完成另一面的焊接，之后再完成第一面的焊接，可降低变形程度和焊缝中的应力集中。
(4)在开发研制过程中，始终以工业生产为目标，力求工艺先进合理、易于操作、生产实用、焊接材料及设备容易获得。
a)工艺用母材用量大：本工艺所用母材为舞阳钢铁厂生产的E36，属于高强度钢，在海洋工程、造船等行业有着极广的应用，本工艺的开发对与E36厚板的焊接，特别是适用于低温工作环境的焊接接头有着重要的意义。
b)焊接材料和设备：焊接材料用LW-81Ni1和L-S3(8500)，FCAW-G设备用唐山开元焊机，SAW用林肯公司生产的埋弧焊机，焊机性能稳定，性价比高。

Claims (2)

1.一种低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法，其特征是：包括以下步骤：a)、焊接方法和焊接材料的选择；b)、焊接次序；c)、焊接工艺参数的选择；具体工艺方法步骤如下：
a)、焊接方法和焊接材料的选择：打底焊接方法选用药芯焊丝二氧化碳气体保护焊FCAW-G焊接材料选用LW-81Ni1；填充及盖面焊接方法选用埋弧自动焊SAW，焊丝选用L-S3，焊剂选用8500匹配焊接；
b)、焊接次序：工艺方法步骤如下：采用FCAW-G进行打底，SAW进行填充和盖面；母材35-77mm厚的E36板材第一面大坡口面焊至坡口厚度的三分之二后停下，进行背部清根把坡口扩成U型或者半U型，清根方式为碳弧气刨后使用砂轮机打磨；使用埋弧自动焊开始并完成第二面焊接，后再翻转过来使用埋弧自动焊完成第一面焊接；焊接完成后，经过48小时，进行无损探伤，由于板厚较厚进行磁粉探伤和超声波探伤，对试件进行加工，进行力学性能试验和CTOD试验进行验证，完成低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法；
c)、焊接工艺参数的选择；FCAW-G焊丝直径Φ＝1.2mm；埋弧焊焊丝直径Φ＝4mm；预热及层间温度110℃-220℃；FCAW-G焊接电流170-250A；FCAW-G焊接电压24-28V；FCAW-G焊接速度154-337mm/min；FCAW-G焊接热输入0.9-2.4KJ/mm；SAW焊接电流460-650A；SAW焊接电压24-33V；SAW焊接速度360-729mm/min；SAW焊接热输入1.2-3.2KJ/mm。
2.根据权利要求1所述的一种低温环境海洋工程大厚钢板埋弧焊的工艺方法，其特征是：所述的母材35-77mm厚的E36板材焊接接头通过-22℃--30℃温度下的CTOD实验所得CTOD特征值不小0.35mm。 
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