CN101954524A

CN101954524A - 超高强钢与异种高强钢的焊接工艺

Info

Publication number: CN101954524A
Application number: CN 201010514432
Authority: CN
Inventors: 程尚华; 宋顺; 樊铭林; 高卫东; 贾晓燕; 王新昌
Original assignee: PENGLAI JUTAO OFFSHORE ENGINEERING HEAVY INDUSTRIALS Co Ltd
Current assignee: PENGLAI JUTAO OFFSHORE ENGINEERING HEAVY INDUSTRIALS Co Ltd
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: CN101954524B

Abstract

本发明涉及超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，属于焊接加工领域。本发明要解决的问题是提供一种超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，使焊接接头成型良好，无焊接缺陷，且力学性能满足产品要求。本发明采用以下技术方案：包括以下步骤：1)坡口形式：超高强钢端面设置坡口角度37°-45°，异种高强钢锻件端面为直面,采用适当的根部间隙及钝边；2)焊接方法和焊接材料的选择：采用熔化极混合气体保护焊GMAW，配合林肯STT技术打底，焊接要求单面焊双面成型，焊丝选用AWSA5.28ER80S-G，保护气体选择80%Ar和20%CO₂进行混合配比,气体流量15-20L/Min；填充和盖面采用低氢焊条电弧焊SMAW，焊条选用AWSA5.5E11018M。本发明用于超高强钢和异种高强钢的焊接加工。

Description

超高强钢与异种高强钢的焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺，特别涉及超高强钢与异种高强钢的焊接工艺。

背景技术

如今，海洋石油已经加快了开发的步伐，世界石油界对海洋油气的投资越来越大，特别是深海地带及寒冷海域的勘探开发的重要性和战略地位越来越受到人们的关注。因此，对海洋油气平台、海上起重机、浮式生产储油船等钢结构及设备提出了更加严苛的使用性能要求，而这些工程钢结构呈现出结构大型化、材料多元化、强度超高化的趋势，这对海工建造行业的钢结构尤其是高强钢及超高强钢的焊接提出了更高的要求和更加严峻的挑战。而对超高强钢和异种高强钢的焊接施工工艺、焊接接头质量控制与评价的理论研究与工程实践经验却相对缺乏。为此，对于超高强钢和异种高强钢的焊接必须选择更优化的工艺技术。

高强钢在焊接过程中常出现接头的组织性能劣化，由此产生高数值焊接残余应力甚至缺陷，其接头内部极易产生更多的应力集中、氢致裂纹、淬硬组织、夹杂、气孔等焊接缺陷，使焊接区域成为整个钢结构中最薄弱的部位。例如，海洋平台若处在低温、海浪等恶劣的环境条件下，接头部位易产生裂纹,而裂纹扩展可导致结构失稳断裂。目前，超高强钢与异种高强钢材料的焊接在海工建造行业中的应用日趋增多，由于异种金属的化学成分、金相组织、物理性能及力学性能都有所差别，特别是在异种金属接头的焊缝和熔合区存在一个过渡区，此处不但化学成分和金相组织不均匀，而且物理性能也不同，力学性能也有很大的差异，焊接过程中容易出现焊接缺陷，以致严重降低接头性能。同时超高强钢的焊接性较差，淬硬倾向大，有较大的冷裂纹倾向，成为整个钢结构的安全隐患。对于超高强钢的单面焊双面成型，常用的打底焊接方法一般采用钨极氩弧焊（GTAW），对焊接技术的要求较高，需双手操作，给现场高空作业带来安全隐患，故现场焊接难度大、焊接效率低，成本高。

发明内容

因此为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，使焊接接头成型良好，无焊接缺陷，有良好的力学性能，并能满在产品的冲击要求。

本发明采用以下技术方案：

超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，包括以下步骤：

1）坡口形式：超高强钢端面设置坡口角度35°-45°，异种高强钢锻件端面为直面, 采用合适的根部间隙及钝边。

2）焊接方法和焊接材料的选择：采用熔化极混合气体保护焊GMAW，配合林肯STT技术打底，焊接要求单面焊双面成型，焊丝选用AWS A5.28 ER80S-G，保护气体选择80%Ar和20%CO₂进行混合配比, 气体流量15-20 L/Min；填充和盖面采用低氢焊条电弧焊SMAW，焊条选用AWS A5.5 E11018M。

本发明实施例中，在步骤1）以前还包括将焊条在360℃-410℃温度下进行烘干2小时，以保证焊接电弧能够稳定燃烧并防止焊缝产生气孔。

本发明实施例中，对超高强钢与异种高强钢锻件采用预热处理，预热温度大于等于150℃，层间温度控制在150℃-180℃，测温时距离坡口距离为75mm。

本发明实施例中，GMAW焊接电流90-120 A；GMAW焊接电压15-17 V；GMAW焊接速度130-150 mm/min；GMAW焊接热输入0.6-0.9 KJ/mm；SMAW焊接电流95-130 A；SMAW焊接电压22-24 V；SMAW焊接速度70-140 mm/min；SMAW焊接热输入0.8-2.3 KJ/mm。

本发明实施例中，焊接过程中焊枪左右摆动的宽度小于等于2.5倍的焊芯直径，且每层焊缝厚度小于等于焊芯直径。

本发明实施例中，焊接过程中立焊方式为自上向下。

本发明实施例中，焊接完毕，用岩棉覆盖焊接接头使缓慢冷却至室温。

本发明的有益效果：

1、异种高强钢焊接，采用熔化极混合气体保护焊（GMAW）—采用林肯STT技术打底焊接，单面焊双面成型。焊机自动化程度高，操作简单，焊缝的根部熔合良好，明显的提高了生产效率。

2、、实心焊丝和低氢焊条有较好的全位置焊接性，良好的脱渣性和电弧稳定性，其合理的匹配使用，实现了异种高强钢的高质量的焊接。

3、焊接过程中选用小线能量的焊接，保证焊缝的小熔合比，严格控制层间温度，制定出适合异种高强钢焊接的优化焊接工艺，得到高质量的焊缝，焊缝的韧性良好，满足了-40℃的低温冲击要求。

4、采用80%Ar和20%CO₂混合气体对熔池进行保护，即，活化了电弧中各粒子的机能，提高了电弧的稳定性、加热效率及保护效果。

说明书附图

图1为焊接试验时结构示意图。

图2为图中A的放大示意图。

图3为焊接顺序示意图。

图4焊接机头宏观金相示意图。

图中1、超高强钢工件，2、异种高强钢工件，3、焊缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，以便于本领域人员更好理解本发明。

实施例1

超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，包括以下步骤：

1、选材：

1）超高强钢工件1选用材质为Tenaris S690的钢管，壁厚15.9 mm，管径Ф457.2mm，该材料具有强度高、韧性好等优点，但焊缝易出现热影响区的软化、脆化，焊接冷裂纹等问题，这类钢在海洋工程、造船等行业的重要结构中具有广泛的应用。

2)异种高强钢工件2选用材质为15CrNiMoV，其是一种锻造钢，板厚140 mm。

2、焊接过程如下：焊接前，将焊材在360℃-410℃烘干2小时，如图1、2所示，首先将超高强钢工件1端面设置V形坡口，坡口角度37.5°，异种高强钢锻件端面为直面, 坡口根部间隙2-4mm, 钝边1-2mm；然后采用熔化极混合气体保护焊，配合林肯STT技术打底，焊接要求单面焊双面成型，打底选用AWS A5.28 ER80S-G（Φ1.0mm）实心焊丝打底，并采用80%Ar和20%CO₂混合气体保护，送气量为15-20L/min；接着利用低氢焊条电弧焊进行填充和盖面，焊材选用低氢焊条AWS A5.5 E11018M（Φ2.6mm和Φ3.2mm）；采用预热处理，预热温度大于150℃-200℃，层间温度控制在150℃-180℃，测温时距离坡口距离为75mm；焊接顺序如图3所示即立焊方式为自上向下；焊接完毕，焊接完毕，用岩棉覆盖焊接接头使缓慢冷却至室温。

焊接过程中注意焊枪左右摆动的宽度小于等于2.5倍的焊芯直径，且每层焊缝厚度小于等于焊芯直径。焊接过程中工艺参数如表1

表1焊接工艺参数

3. 试验结果分析

根据AWS D1.1及美国材料与试验协会标准（ASTM A370）选取力学性能检测试样，获得接头的力学性能为：抗拉强度710MPa，在-20℃的温度下，焊缝冲击功大于77J,在-40℃的条件下，冲击吸收功大于52J；分别对焊缝、母材及热影响区进行了维氏硬度测试，各区域测3个硬度值，其平均值HV10≤350,均符合焊接规范的要求。宏观腐蚀试验中填充金属与母材熔合良好，宏观断面没有发现未熔合及裂纹等焊接缺陷。

实施例2

一种超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，包括以下步骤：

1、选材：

1）超高强钢工件1选用材质为30CrMnSiNi2A，壁厚16.5mm，管径Ф460.5mm。

2)异种高强钢工件2选用材质为35CrMoV，其是一种锻造钢，板厚100mm，所取试验材料长和宽均为600mm。

2、焊接过程如下：焊接前，将焊材在360℃-410℃烘干2小时，如图1所示为焊接位置，首先将超高强钢端面设置角度为40°的V形坡口；然后采用熔化极混合气体保护焊，配合林肯STT技术打底，焊接要求单面焊双面成型，打底采用AWS A5.28 ER80S-G（Φ1.0mm）实心焊丝打底，并采用80%Ar和20%CO₂混合气体保护，送气量为15-20L/min；接着利用低氢焊条电弧焊进行填充和盖面，焊材选用低氢焊条AWS A5.5 E11018M （Φ2.6mm）；采用预热处理，预热温度150℃-200℃，层间温度控制在150℃-180℃，测温时距离坡口距离为75mm；立焊方向采用自上而下；焊接完毕，用岩棉覆盖焊接接头使缓慢冷却至室温。

焊接过程中注意焊枪左右摆动的宽度小于等于2.5倍的焊芯直径，且每层焊缝厚度小于等于焊芯直径。焊接过程中工艺参数如表2。

3. 试验结果分析

根据AWS D1.1及美国材料与试验协会标准（ASTM A370）选取力学性能检测试样，获得接头的力学性能为：抗拉强度760MPa，在-20℃的温度下，焊缝冲击功大于80J,在-40℃的条件下，冲击吸收功大于70J,完全符合焊接规范的要求。在宏观腐蚀试验中，宏观断面没有发现未熔合及裂纹等焊接缺陷，证明填充金属与母材熔合良好。

实施例3

一种超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，包括以下步骤：

1、选材：

1）超高强钢工件1选用材质为S460NH的钢管，壁厚25.4 mm，管径Ф457.2mm，该材料具有强度高、韧性好等优点，但焊缝易出现热影响区的软化、脆化，焊接冷裂纹等问题，这类钢在海洋工程、造船等行业的重要结构中具有广泛的应用。

2、焊接过程如下：焊接前，将焊材在360℃-410℃烘干2小时，如图1所示为焊接位置，首先将超高强钢端面设置V形坡口；然后采用熔化极混合气体保护焊，配合林肯STT技术打底，焊接要求单面焊双面成型，打底AWS A5.28 ER80S-G(Φ1.0mm)实心焊丝打底，并采用80%Ar和20%CO₂混合气体保护，送气量为15-20L/min；接着利用低氢焊条电弧焊进行填充和盖面，焊材选用低氢焊条AWS A5.5 E11018M (Φ3.2mm)；采用预热处理，层间温度控制在150℃-180℃，测温时距离坡口距离为75mm；立焊方向为自上而下；焊接完毕，用岩棉覆盖焊接接头使缓慢冷却至室温。

焊接过程中注意焊枪左右摆动的宽度小于等于2.5倍的焊芯直径，且每层焊缝宽度小于等于焊芯直径。焊接过程中工艺参数如表3

表3 焊接工艺参数

3. 试验结果分析

根据AWS D1.1及美国材料与试验协会标准（ASTM A370）选取力学性能检测试样，测得抗拉强度620MPa，-20℃温度焊缝的冲击吸收功大于70J,- 40℃温下的焊缝冲击吸收功大于60J；分别对焊缝、母材及热影响区进行了维氏硬度测试，其平均硬度HV10≤350，均符合焊接规范的要求。宏观腐蚀试验中，宏观断面没有发现未熔合及裂纹等焊接缺陷，试验证明填充金属与母材熔合良好。

Claims

1.超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1）坡口形式：超高强钢端面设置坡口角度35°-45°，异种高强钢锻件端面为直面, 采用适当的根部间隙及钝边。

2.2）焊接方法和焊接材料的选择：采用熔化极混合气体保护焊GMAW，配合林肯STT技术打底，焊接要求单面焊双面成型，焊丝选用AWS A5.28 ER80S-G，保护气体为体积比为80%Ar和20%CO₂, 气体流量15-20 L/Min；填充和盖面采用低氢焊条电弧焊SMAW，焊条选用AWS A5.5 E11018M。

3.根据权利要求1所述超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，其特征在于：在步骤1）以前还包括将焊条在360℃-410℃温度下进行烘干2小时。

4.根据权利要求1所述超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，其特征在于：对超高强钢与异种高强钢锻件采用预热处理，预热温度150℃-200℃之间，层间温度控制在150℃-180℃，测温时距离坡口距离为75mm。

5.根据权利要求1所述超高强钢与异种高强钢锻件的焊接工艺，其特征在于： GMAW焊接电流90-120 A；GMAW焊接电压15-17 V；GMAW焊接速度130-150 mm/min；GMAW焊接热输入0.6-0.9 KJ/mm；SMAW焊接电流95-130 A；SMAW焊接电压22-24 V；SMAW焊接速度70-140 mm/min；SMAW焊接热输入0.8-2.3 KJ/mm。

6.根据权利要求1所述超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，其特征在于：SMAW焊接过程中,焊枪左右摆动的宽度小于等于2.5倍的焊芯直径，且每层焊缝宽度小于等于焊芯直径。

7.根据权利要求1所述超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，其特征在于：GMAW焊接过程中立焊方式为自上向下。

8.根据权利要求1至6任意一项所述超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，其特征在于：焊接完毕，用岩棉覆盖焊接接头使缓慢冷却至室温。

9.根据权利要求1至6任意一项所述超高强钢与异种高强钢的焊接工艺，其特征在于：所述坡口根部间隙为2-4mm，钝边1-2mm。