CN102179602B

CN102179602B - 一种屈服强度800MPa低合金高强钢不预热组织梯度匹配焊接工艺

Info

Publication number: CN102179602B
Application number: CN2011100873432A
Authority: CN
Inventors: 杜兵; 吕晓春; 彭勇; 孙良; 孙静涛
Original assignee: HARBIN INST OF WELDING ACADEMY OF MECHANICAL SCIENCES
Current assignee: Harbin Research Institutue of Welding
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CN102179602A

Abstract

本发明提出的一种屈服强度800MPa低合金高强钢不预热组织梯度匹配焊接工艺属于低合金高强钢不预热焊接技术领域。该焊接工艺通过焊缝微观组织梯度匹配达到不预热高质量的焊接工艺，焊接工艺主要包括：采用不锈钢HCr20Ni10Mn7Mo焊丝打底焊、抗拉强度500MPa焊丝过渡层焊接和抗拉强度800MPa焊丝填充及盖面焊；过渡层焊和填充及盖面焊应严格控制焊接热输入为9kJ/cm～11kJ/cm。本发明为了解决背景技术中同类焊接工艺复杂和在大拘束度条件下工件易产生裂纹的技术问题。本发明的焊接工艺方法用于屈服强度800MPa低合金高强钢不预热焊接工艺。

Description

一种屈服强度800MPa低合金高强钢不预热组织梯度匹配焊接工艺

技术领域

本发明提出的一种屈服强度800Mpa低合金高强钢不预热组织梯度匹配焊接工艺属于不预热低合金高强钢焊接技术领域。特别涉及到一种NiCr不锈钢焊丝打底焊、抗拉强度500MPa焊丝过渡层焊和抗拉强度800MPa焊丝填充及盖面焊的不预热焊接工艺。

背景技术

随着机械工业的迅速发展，焊接结构也日益大型化、轻量化。由于低合金高强钢具有良好的焊接性、优良的可成形性及较低的制造成本，因此被广泛用于压力容器、车辆、桥梁、建筑、工程机械、矿山机械、农业机械、纺织机械、海洋结构、船舶、电力、石油化工、军工产品及航空航天等领域，已成为大型焊接结构中最主要的结构材料之一。

低合金高强钢含有一定的合金元素及微合金化元素，淬硬倾向大，具有很强的焊接冷裂纹敏感性，对于屈服强度800MPa级低合金高强钢更为显著，焊接冷裂纹、焊接热影响区脆化和软化已成为低合金高强钢焊接所面临的主要问题。

在生产中，通常采用焊前预热、焊后热处理来避免焊接裂纹的产生。焊前预热、焊后热处理无疑在使生产工艺复杂、增加生产成本、降低生产效率和恶化工作环境的同时，也会增大焊接热影响区软化倾向，尤其在焊接屈服强度800MPa级低合金高强钢时更为明显。在一些特殊的焊接结构中，很难实现预热甚至不允许采用预热，这大大限制了低合金高强钢的应用。若能实现屈服强度800MPa级低合金高强度钢不预热焊接，对简化焊接工艺、提高焊接接头性能、降低生产成本和改善工作环境将具有重要的意义。

改善钢材的焊接性、开发抗裂性好的焊接材料、采用先进的焊接方法以及低强匹配焊接工艺是实现低合金高强钢不预热焊接的四种主要途径。传统的低强匹配焊接工艺可以降低低合金高强钢焊接预热温度，但需要通过增加焊缝余高来保证整体结构的强度要求，这种方法不仅容易引起焊趾部位的应力集中，使制造难度增加，同时改变了焊接结构的几何尺寸，如何控制焊缝余高的几何尺寸成为生产中的瓶颈问题。

中国发明专利(ZL200910019599.2)提出一种900MPa高强钢不预热组合焊接方法，可以实现高强度钢的不预热焊接。该技术采用700MPa～800MPa低氢型高韧性焊条电弧焊打底焊接，再用900MPa高韧性实心焊丝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。

该专利公开的不预热低合金高强钢工艺方法有如下不足，例如同时采用碱性低碳焊条、药芯焊丝CO₂气体保护焊，焊后还要用硅酸钙覆盖焊接区域以便缓冷等，焊接工艺相当复杂。还有在其焊接工艺的过渡焊和盖面焊中采用了最大值为18或20kJ/cm的高焊接热输入，在实际生产高强度低合金钢工件在大拘束度条件下很可能产生裂纹。

发明内容

为了克服背景技术中不预热低合金高强度焊接工艺存在的不足，本申请提出一种屈服强度800MPa低合金高强钢不预热焊缝组织梯度匹配焊接工艺，以便方便高质量的完成焊接。

本发明的技术方案如下：

1.一种屈服强度800MPa低合金高强钢不预热焊接工艺，其特征在于，

通过焊缝微观组织梯度匹配达到该低合金高强钢不预热并获得高质量焊接接头的焊接工艺；

1)采用HCr20Ni10Mn7Mo焊丝打底焊，抗拉强度500MPa焊丝过渡层焊和抗拉强度800MPa焊丝填充和盖面焊；

2)打底焊和过渡层焊的焊接热输入应当严格控制为9kJ/cm～11kJ/cm，填充及盖面焊接热输入为9kJ/cm～20kJ/cm；

3)打底焊不锈钢HCr20Ni10Mn7Mo焊丝的化学成分(质量百分比)：

C 0.065％，Si 0.60％，Mn 6.27％，S 0.003，P 0.013，Cr 20.26％，Ni 10.23％，Mo 1.03；其余为Fe；

该焊丝熔敷金属扩散氢含量为0.2mL/100g(水银法)；

过渡层焊抗拉强度50MPa焊丝的化学成分(质量百分比)为：

C 0.08％，Si 0.91％，Mn 1.52％，S 0.011％，P 0.010％其余为Fe；

该焊丝熔敷金属扩散氢含量为0.6mL/100g(水银法)。

填充及盖面层焊抗拉强度800MPa焊丝的化学成分(质量百分比)为：

C 0.08％，Si 0.63％，Mn 1.77％，S 0.002％，P 0.011％，Ni 1.16％，Mo 0.28其余为Fe。

该焊丝熔敷金属扩散氢含量为1.4mL/100g(水银法)。

4)打底焊采用Ar+8％CO₂气体保护焊，过渡层焊和填充及盖面焊均采用Ar+20％CO₂气体保护焊，上述三者气体流量均为20L/min；

5)打底焊对于X型坡口焊缝，正面根部焊道焊后立即用角磨机、碳弧气刨或等离子气刨中的一种清理焊缝根部反面，然后再继续施焊；

6)填充及盖面焊接连续施焊，道间温度应为100℃～150℃。

本说明的技术要点在于，采用不锈钢焊丝打底焊形成奥氏体焊缝，该奥氏体组织塑性好具有较大的塑性变形能力，能防止裂纹产生，同时不锈钢焊丝的熔敷金属扩散氢含量相当低，也有助于降低裂纹敏感性。过渡层焊由抗拉强度500MPa焊丝形成的铁素体组织和填充及盖面焊由抗拉强度800MPa焊丝形成的贝氏体组织也能阻止裂纹的扩展。

斜Y坡口裂纹敏感性试验结果表明，严格控制打底焊和过渡层焊的焊接热输入也是本发明的关键，进行打底焊时由于热输入较大，焊缝熔合比增大，低合金钢母材和高合金HCr20Ni10Mn7Mo焊缝之间会在熔合区形成Cr、Ni浓度梯度，当焊缝金属中的Ni含量降低到一定值时，会使焊缝熔合区内的奥氏体形成元素不足，在熔合区形成大量的马氏体组织，在焊接应力作用下产生焊接裂纹。随着焊接热输入的降低，熔合比减小，母材对焊缝成分的稀释作用减弱，马氏体带宽度的减小，避免了显微裂纹的产生。

在过渡层焊接时热输入较大时，由于HCr20Ni10Mn7Mo与抗拉强度500MPa焊丝合金成分的差异，在两种焊缝界面处易形成脆硬马氏体，增大了焊接裂纹敏感性。热输入适当时，在两种焊缝界面处形成贝氏体组织，从而避免了焊接裂纹产生。

本说明提出的屈服强度为800MPa低合金高强钢不预热焊接工艺与背景技术中类似低合金高强钢不预热焊接工艺相比，更加方便、可靠、能够保证焊缝不产生裂纹，获得高质量的焊接接头。

本发明提出的屈服强度800MPa级低合金高强钢不预热焊接工艺，由下述步骤组成：

(1)焊接接头坡口为V型或X型，坡口角度为60°，钝边0～1mm，根部间隙1～2mm；

(2)施焊前采用适当的方法(钢丝刷或酸洗液)去除焊接区域的油污和铁锈；

(3)采用HCr20Ni10Mn7Mo焊丝打底焊、抗拉强度500MPa焊丝过渡层焊和抗拉强度800MPa焊丝填充及盖面焊；三者的焊丝直径均为1.2mm，三者都利用混合气体保护焊，打底焊采用的是Ar+8％CO₂，而过渡层焊和填充及盖面焊采用的均为Ar+20％CO₂，三者的保护气体流量为18L/min～22L/min；

(4)打底焊和过渡层焊的焊接热输入应严格控制为9kJ/cm～11kJ/cm，而填充和盖面焊焊接热输入为9kJ/cm～20kJ/cm；

(5)打底焊对于X型坡口焊缝，正面根部焊道焊完后立即用角磨机、碳弧气刨或等离子气刨中的一种清理焊缝根部反面，然后再继续施焊；

(6)填充及盖面焊连续施焊，道间温度应为100℃～150℃.

(7)所述的HCr20Ni10Mn7Mo焊丝的化学成分(质量百分比)为：C 0.065％，Si 0.60％，Mn 6.27％，S 0.003，P 0.013，Cr 20.26％，Ni 10.23％，Mo 1.03；其余为Fe

该焊丝熔敷金属扩散氢含量为0.2mL/100g(水银法)；

熔敷金属的力学性能：抗拉强度R_m675MPa，屈服强度R_eL375MPa，断后伸长率A36.5％；

抗拉强度500MPa焊丝的化学成分(质量百分比)为C 0.08％，Si 0.91％，Mn1.52％，S 0.011％，P 0.010％其余为Fe，该焊丝熔敷金属扩散氢含量为0.6mL/100g(水银法)。熔敷金属的力学性能为抗拉强度R_m545MPa，屈服强度R_eL435MPa，断后伸长率A26.0％；

抗拉强度800MPa焊丝的化学成分(质量百分比)为C 0.08％，Si 0.63％，Mn1.77％，S 0.002％，P 0.011％，Ni 1.16％，Mo 0.28，其余为Fe。

该焊丝熔敷金属扩散氢含量为1.4mL/100g(水银法)。熔敷金属的力学性能为：抗拉强度R_m855MPa，屈服强度R_eL795MPa，断后伸长率A20.0％。

附图说明：

图1利用斜Y坡口裂纹敏感性试验方法确定不锈钢HCr20Ni10Mn7Mo焊丝打底焊时焊接热输入对焊缝产生裂纹的影响。

图1(a)焊接热输入9kJ/cm，

图1(b)焊接热输入11kJ/cm，

图1(C)焊接热输入13kJ/cm，

图2利用斜Y坡口裂纹敏感性试验结果表明在不锈钢焊丝打底焊基础上利用抗拉强度500MPa焊丝过渡层焊时焊接热输入对焊缝产生裂纹的影响

图2(a)焊接热输入11kJ/cm，

图2(b)焊接热输入13kJ/cm，

图2(c)焊接热输入16kJ/cm

图1(a)和图1(b)表示，利用斜Y坡口裂纹敏感性试验表明采用不锈钢HCr20Ni10Mn7Mo焊丝打底焊时当焊接热输入9kJ/cm和11kJ/cm时焊缝良好无裂纹，当焊接热输入增加到13kJ/cm，如图1(c)所示，焊缝产生明显的裂纹。

图2(a)表示，利用利用斜Y坡口裂纹敏感性试验方法确定完成不锈钢打底焊后，当使用11kJ/cm焊接热输入采用抗拉强度500MPa焊丝焊接过渡层时焊缝良好无裂纹，在同样条件下当焊接热输入增加至13kJ/cm和15kJ/cm，如图2(b)和2(c)表示的，过渡层焊缝都产生裂纹。尽管打底焊形成的奥氏体焊缝组织塑性好，具有相当的抗裂能力，但是正如图1(a)、图1(b)～(c)、表示的焊接热输入大小对其冷裂纹的敏感性有很大的影响，只有当选择一定的9kJ/cm～11kJ/cm的焊接热输入，才能避免裂纹的产生。图2a、图2b、图2c同样说明焊接热输入对过渡层焊缝冷裂纹敏感性影响也很大，只有选择一定的焊接热输入，例如11kJ/cm过渡层焊缝金属不会产生裂纹。

在过渡层避免裂纹产生原因分析如下：在焊缝金属中，不锈钢HCr20Ni10Mn7Mo焊丝与抗拉强度500MPa焊丝由于合金成分差异，焊接热输入较大时在两焊缝界面处易形成脆硬马氏体，极易产生裂纹，而焊接热输入适当减少时，两种焊接界面形成贝氏体组织，从而避免裂纹产生。

具体实施方式：

厚度28mm的HQ785T1低合金高强钢对接接头，采用混合气体保护焊进行焊接。

(1)坡口形式

采用X型坡口，坡口角度60°，无钝边，根部间隙1mm。

(2)焊接材料

打底焊道采用HCr20Ni10Mn7Mo焊丝，焊丝直径φ1.2mm；过渡层焊道采用抗拉强度500MPa焊丝，焊丝直径φ1.2mm；填充及盖面层焊道采用抗拉强度800MPa焊丝，焊丝直径φ1.2m。

(3)焊前准备

采用钢丝刷将坡口面及坡口两侧20mm范围内的锈蚀、油污等清理干净，直至露出金属光泽。

(4)焊接工艺及参数采用混合气体保护焊进行焊接。打底焊道焊接工艺参数为：焊接电压22V，焊接电流200A，焊接速度300mm/min，保护气体Ar+8％CO₂，气体流量20L/min；过渡层焊道焊接工艺参数为：焊接电压24V，焊接电流240A，焊接速度300mm/min，保护气体Ar+20％CO₂，气体流量20L/min；填充及盖面层焊道焊接工艺参数为：焊接电压28V，焊接电流260A，焊接速度300mm/min，保护气体Ar+20％CO₂，气体流量20L/min，层道间温度150℃，连续施焊至完成焊接。

打底焊和过渡层焊焊接热输入应当严格控制为9kJ/cm～11kJ/cm，填充及盖面焊焊接热输入为9kJ/cm～20kJ/cm。X型坡口打底焊正面根部焊道焊完后立即用角磨机清理焊缝根部，然后继续施焊，填充及盖面焊继续施焊，多道焊道间温度为100℃～150℃。

Claims

1.一种屈服强度800MPa低合金高强钢不预热焊接工艺，

其特征在于，

通过焊缝微观组织梯度匹配达到该低合金高强钢不预热并获得高质量焊接接头的焊接工艺；这种焊缝微观组织梯度匹配是：采用不锈钢焊丝打底焊形成奥氏体焊缝微观组织，中间过渡层焊由抗拉强度500MPa焊丝形成铁素体焊缝微观组织，最后填充及盖面焊由抗拉强度800MPa焊丝形成贝氏体焊缝微观组织；

该焊接工艺包括：

（1）采用HCr20Ni10Mn7Mo焊丝打底焊、抗拉强度500MPa焊丝过渡层焊和抗拉强度800MPa焊丝填充和盖面焊;

（2）打底焊和过渡层焊的焊接热输入应当严格控制为9kJ/cm～11kJ/cm，填充及盖面焊焊接热输入为9kJ/cm～20kJ/cm;

(3)打底焊不锈钢HCr20Ni10Mn7Mo焊丝的化学成分（质量百分比）为：C 0.065%,Si 0.60%,Mn 6.27%,S 0.003％，P 0.013％，Cr 20.26%,Ni 10.23%,Mo 1.03％其余为Fe,

该焊丝熔敷金属通过水银法测量扩散氢含量为0.2mL/100g;

过渡层焊抗拉强度500MPa焊丝的化学成分（质量百分比）为：

C 0.08%,Si 0.91%,Mn 1.52%，S 0.011%,P 0.010%其余为Fe；

熔敷金属通过水银法测量扩散氢含量为0.6mL/100g；

填充及盖面焊抗拉强度800MPa焊丝的化学成分（质量百分比）为：

C 0.08%,Si 0.63%,Mn 1.77%,S 0.002%，P 0.011%，Ni 1.16%,Mo 0.28％其余为Fe；

该焊丝熔敷金属通过水银法测量扩散氢含量为1.4mL/100g；

(4)打底焊采用Ar+8%CO₂气体保护焊，过渡层焊和填充及盖面焊均采用Ar+20%CO₂，上述三者气体流量均为20L/min；

（5）打底焊对于X型坡口焊缝，正面根部焊道焊完后立即用角磨机、碳弧气刨或等离子气刨中的一种清理焊缝根部反面，然后再继续施焊；

（6）填充及盖面焊连续施焊，直到完成焊接，道间温度应为100℃～150℃。