CN102152012B - 一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺。其技术方案是：钢材的焊接过程中，在距离焊接电弧20～1200mm的焊接接头处，直接喷吹压缩气体，喷吹时间为2～120s；所喷吹的焊接接头处与焊接电弧的距离保持不变，随着焊接电弧同步前移。其中：压缩气体为空气，压缩气体的压力为0.5～3.0MPa，压缩气体的流量为5～30L/min；钢材为低碳钢、中碳钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢中的一种；焊接接头为手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、钨极氩弧焊的焊接方法所形成的焊接接头中的一种。本发明具有工艺简单、操作方便、不需增设专用设备和成本低的特点，用该工艺能使焊接热影响区冲击韧性提高60％～525％。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域。具体涉及一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺。
背景技术
随着全球经济的快速发展，大型装备的建设需求日益增长，高强度级别钢、甚至超高强度级别钢源源不断地被发明、研制和生产出来，如石油储罐用、海洋平台用、石油天然气输送管道用的高强度钢，以及细晶粒高强钢和超高强度钢等。这些高强度级别钢和超高强度钢将在大型装备的建设以及降低建设成本等方面起到极大的作用。然而，通过先进的冶炼工艺、完善的轧制工艺及热处理工艺生产出来的高强度级别钢和超高强度钢等经焊接工艺后，焊接热影响区出现脆化，室温或低温冲击韧性严重下降，尤其是中厚规格的钢板(钢管)，远远不能与母材性能匹配，严重制约着新钢种的推广使用，限制了先进钢铁材料在国民经济发展中的作用。
焊接热影响区是指在焊接热循环作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化的区域。
新型高强度钢焊接热影响区韧性降低，从焊接冶金理论分析，主要源于两个方面：(1)粗晶脆化，由于受到近熔点温度的热循环，奥氏体晶粒长大严重，粗大的晶粒使得韧性急剧下降；(2)组织脆化，对于低合金高强钢，在一定冷却速度范围内，生成M-A组元，恶化了热影响区韧性。
提高焊接热影响区韧性的方法有：一是研制新型钢种，如“焊接热影响区的低温韧性优良的焊接结构用钢及其制造方法”(CN200580024252.7)“一种制备不锈钢点焊热影响区金相样品的方法”(CN200710121466.7)、“焊接热影响区的韧性优异的厚钢板”(CN200710162696.8)和“焊接热影响区的韧性优良的钢”(CN200680006614.4)专利技术所述，通过调整合金成分，减少在焊接过程中热影响区生成恶化韧性的组织；通过新的控轧控冷工艺，如“具有高焊接热影响区韧性的高强钢及其制造方法”(CN200610048072.9)专利技术所述，在焊接过程中，形成粒子阻碍奥氏体长大、不产生渗碳体，以提高粗晶区韧性；通过采用氧化物冶金原理，在钢中添加Ca元素，如“一种提高钢板在大线能量焊接条件下热影响区韧性的方法”(CN200810224734.2)，或钢中添加Ti元素，如“大热量输入焊接接头韧性优异的厚钢板”(CN200510114178.X)，利用冶金反应生成形成细小弥散的纳米级复合粒子，有效钉扎奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒粗化；二是通过特殊的焊后处理方法，在多层焊接接头的最终道次形成的热影响区表面上，进行超声波振动端子的打击处理，或者超声波振动钢球的喷丸硬化处理，细化热影响区的晶粒，如“提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法”(CN200380102192.7)专利技术；三是在焊接过程中进行强制冷却，“垂直气电焊用水冷滑块”(CN200520092572.3)专利技术所述，采用水冷滑块来进行垂直气电焊，以提高焊接冷却速度，减小奥氏体的粗化。
采用研制新钢种的方法，需要有深厚的理论基础，并在此基础上进行大量的试验来实现，成本高，研发周期长；采用特殊的处理方法，需要专用的处理设备，且要进行二次劳动，增加了劳动强度，增加了工序时间，同时提高了生产成本；采用水冷强制冷却，所用气电立焊设备昂贵，其价格是普通焊机的6-10倍，且只能用于一种特定的焊接方法和一种垂直焊接位置，因而限制性较强，不能大范围推广使用。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，目的是提供一种工艺简单、成本低、操作方便和不需增设专用设备的提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺；用该工艺可使焊接热影响区冲击韧性显著提高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：钢材的焊接过程中，在距离焊接电弧20～1200mm的焊接接头处，直接喷吹压缩气体，喷吹时间为2～120s；所喷吹的焊接接头处与焊接电弧的距离保持不变，随着焊接电弧同步前移。
压缩气体为空气，压缩气体的压力为0.5～3.0MPa，压缩气体的流量为5～30L/min。
上述技术方案中：钢材为低碳钢、中碳钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢中的一种；焊接接头为手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、钨极氩弧焊的焊接方法所形成的焊接接头中的一种。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下积极效果：
(1)通过改变热影响区所经历的焊接热循环，或者缩短高温停留时间，减小奥氏体晶粒粗化程度；或者减小t8/5时间，避开恶化韧性组织(主要是M-A组元)产生的冷却速度范围，减少或避免该种组织在热影响区的形成；或者既缩短奥氏体粗化的时间，同时也减小t8/5时间，具有以上两种作用；显著提高焊接热影响区室温或低温冲击韧性；
(2)降低了对母材焊接性的要求，使易于发生奥氏体粗化的钢，及对生成M-A组元较为敏感的钢，焊接后，热影响区可获得较好的室温或低温冲击韧性；
(3)放宽了焊接工艺条件，可在较大范围的焊接线能量下实施焊接，热影响区仍可获得较好的冲击韧性；
(4)操作简单，易于实施，不受场地的限制，可用于任何的制造现场及安装现场；
(5)不需增设专用设备，不增加生产成本。
因此，本发明具有工艺简单、不需增设专用设备、成本低和易于操作的特点。采用本发明的在线工艺，焊接热影响区室温或低温冲击韧性提高60％～525％，几乎适用于所有的金属材料，特别适用于低碳钢、中碳钢、低合金钢、中合金钢和高合金钢的焊接。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对保护范围的限制：
实施例1
一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺。钢材的焊接过程中，在距离焊接电弧900～1200mm的焊接接头处，直接喷吹压缩气体，喷吹时间为80～120s；所喷吹的焊接接头处与焊接电弧的距离保持不变，随着焊接电弧同步前移。
压缩气体为空气，压缩气体的压力为2.5～3.0MPa，压缩气体的流量为25～30L/min。
其中：钢材为Q550低碳钢，钢板厚度为40～60mm；焊接接头为手工电弧焊所形成的焊接接头，焊接热输入为40～50kJ/cm。
表1为本实施例的热影响区室温冲击韧性试验结果。其中，试样1-2采用本实施例所述工艺；试样1-1未采用本实施例所述工艺。本实施例的焊接热影响区室温冲击韧性提高228％～280％。
表1--低碳钢焊接热影响区室温冲击韧性试验结果
实施例2
一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺。钢材的焊接过程中，在距离焊接电弧240～600mm的焊接接头处，直接喷吹压缩气体，喷吹时间为80～100s；所喷吹的焊接接头处与焊接电弧的距离保持不变，随着焊接电弧同步前移。
压缩气体为空气，压缩气体的压力为2.0～2.5MPa，压缩气体的流量为20～25L/min。
其中：钢材为Q235中碳钢，厚度为20～40mm；焊接接头为气体保护焊所形成的焊接接头，焊接热输入为35～40kJ/cm。
表2为本实施例的热影响区冲击韧性试验结果。其中，试样2-2采用本实施例所述工艺；试样2-1未采用本实施例所述工艺。本实施例的焊接热影响区室温冲击韧性提高60％～112％。
表2--中碳钢焊接热影响区室温冲击韧性试验结果
实施例3
一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺。钢材的焊接过程中，在距离焊接电弧600～900mm的焊接接头处，直接喷吹压缩气体，喷吹时间为40～80s；所喷吹的焊接接头处与焊接电弧的距离保持不变，随着焊接电弧同步前移。
压缩气体为空气，压缩气体的压力为1.0～2.0MPa，压缩气体的流量为15～20L/min。
本实施例中的钢材为X70低合金钢，厚度为15～20mm；焊接接头为埋弧焊所形成的焊接接头，焊接热输入为18～21kJ/cm。
表3为本实施例的热影响区冲击韧性试验结果。其中，试样3-2采用本实施例所述工艺；试样3-1未采用本实施例所述工艺。本实施例的焊接热影响区低温冲击韧性提高497％～525％。
表3--X70低合金钢焊接热影响区低温冲击韧性试验结果
实施例4
一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺。钢材的焊接过程中，在距离焊接电弧600～900mm的焊接接头处，直接喷吹压缩气体，喷吹时间为30～80s；所喷吹的焊接接头处与焊接电弧的距离保持不变，随着焊接电弧同步前移。
压缩气体为空气，压缩气体的压力为1.0～2.0MPa，压缩气体的流量为15～20L/min。
本实施例中的钢材为X120中合金管钢，厚度为10～15mm；焊接接头为埋弧焊所形成的焊接接头，焊接热输入为18～20kJ/cm。
表4为本实施例的热影响区冲击韧性试验结果。其中，试样4-2采用本实施例所述工艺；试样4-1未采用本实施例所述工艺。本实施例的焊接热影响区低温冲击韧性提高207％～256％。
表4--X120中合金管钢焊接热影响区低温冲击韧性试验结果
实施例5
一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺。钢材的焊接过程中，在距离焊接电弧20～240mm的焊接接头处，直接喷吹压缩气体，喷吹时间为2～30s；所喷吹的焊接接头处与焊接电弧的距离保持不变，随着焊接电弧同步前移。
压缩气体为空气，压缩气体的压力为0.5～1.0MPa，压缩气体的流量为5～15L/min。
本实施例中的钢材为000Cr26Mo1高合金钢，厚度为5～10mm；焊接接头为钨极氩弧焊所形成的焊接接头，焊接热输入为8～10kJ/cm。
表5为本实施例的热影响区冲击韧性试验结果。其中，试样5-2采用本实施例所述工艺；试样5-1未采用本实施例所述工艺。本实施例的焊接热影响区室温冲击韧性提高150％～194％。
表5--000Cr26Mo1高合金钢焊接热影响区室温冲击韧性试验结果
本具体实施方式与未采用本实施方式相比，具有如下积极效果：
(1)通过改变热影响区所经历的焊接热循环，或者缩短高温停留时间，减小奥氏体晶粒粗化程度；或者减小t8/5时间，避开恶化韧性组织(主要是M-A组元)产生的冷却速度范围，减少或避免该种组织在热影响区的形成；或者既缩短奥氏体粗化的时间，同时也减小t8/5时间，具有以上两种作用；从而显著提高冲击韧性；
(2)降低了对母材焊接性的要求，使易于发生奥氏体粗化的钢，及对生成M-A组元较为敏感的钢，焊接后，热影响区可获得较好的室温或低温冲击韧性；
(3)放宽了焊接工艺条件，可在较大范围的焊接线能量下实施焊接，热影响区仍可获得较好的冲击韧性；
(4)操作简单，易于实施，不受场地的限制，可用于任何的制造现场及安装现场，而且不需增设专用设备，不增加生产成本。
因此，本具体实施方式具有工艺简单、不需增设专用设备、成本低和易于操作的特点。采用本具体实施方式的在线工艺，焊接热影响区室温或低温冲击韧性提高60％～525％，几乎适用于所有的金属材料，特别适用于低碳钢、中碳钢、低合金钢、中合金钢和高合金钢的焊接。
Claims (3)
1.一种提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺，其特征是：钢材的焊接过程中，在距离焊接电弧20～1200mm的焊接接头处，直接喷吹压缩气体，喷吹时间为2～120s；所喷吹的焊接接头处与焊接电弧的距离保持不变，随着焊接电弧同步前移；
压缩气体为空气，压缩气体的压力为0.5～3.0MPa，压缩气体的流量为5～30L/min。
2.根据权利要求1所述的提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺，其特征在于所述的钢材为低碳钢、中碳钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢中的一种。
3.根据权利要求1所述的提高焊接热影响区冲击韧性的在线工艺，其特征在于所述的焊接接头为手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、钨极氩弧焊的焊接方法所形成的焊接接头中的一种。
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