微合金化TMCP Q460钢FCAW焊接方法
技术领域
本发明属于微合金化TMCP Q460钢的电弧焊工艺及操作方法技术领域,具体的说,涉及一种低低合金高强钢Q460E的FCAW焊接工艺方法。
背景技术
我国输电线路铁塔目前用材主要以热轧角钢型材为主,辅以少量钢管,钢材的品种以Q235和Q345两种为主,铁塔采用热镀锌防腐,使用年限约为50a。铁塔用材与发达国家相比,品种少、强度值偏低、可选择余地小。
随着我国电力业的快速发展,大容量、长距离、高电压的输电线路越来越多,杆塔的荷载越来越大。多回路同塔并架和大坡度的铁塔将越来越多地被采用。杆塔结构的大型化发展,组成铁塔的型材规格也越来越多,使得目前常用的低强度热轧型钢已难以满足使用要求,因此在我国探求一种适合输电铁塔的新型钢已显得十分必要。
随着Q460高强钢SZ1直线真型塔试验在国网北京电力建设研究院杆塔试验站圆满完成。国内输电铁塔即将大规模应用Q460高强钢,现阶段Q460高强钢一般可分为两种,一种为合金化Q460钢,另一种为TMCP(控轧控冷)Q460钢。后者的焊接工艺研究目前国内较少,现阶段焊接方法大多采用手工电弧焊或实芯焊丝气体保护焊,如2009101726382号《输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法》的发明专利申请,该专利使用的两种焊接方法:其中手工焊条电弧焊的缺点是:工序较为复杂、焊接过程可见度较差、生产效率低,劳动强度大,对焊工的操作技能要求较高。
实芯焊丝CO2气体保护焊:焊接区的保护气体易受外界气流干扰、易产生飞溅、对钢材的适应性不强等方面的缺点。
该专利对焊接接头进行了-30℃的低温性能试验,按照标准要求判断其使用的材料应为Q460D级钢,其低温使用要求是-20℃。
发明内容
本发明目的是克服现有技术存在的上述不足,提供一种微合金化TMCP Q460钢(Q460E)FCAW焊接方法,经常规及低温(-40℃)性能试验,结果表明此方法能够得到性能良好的焊接接头。
1、一种微合金化TMCP Q460钢FCAW焊接方法,该方法包括:
第一、选用药芯焊丝作为焊接材料;
第二、清理组对
根据管材厚度选择坡口形式及尺寸为32.5°±2.5°,钝边量1-2mm,组对间隙为3-4mm,坡口表面和附近母材内、外侧各20mm应打磨,将铁锈、油污、氧化皮杂物清理干净,直至露出金属光泽;
第三、焊接工艺参数:
通过试验及计算得到TMCP Q460钢薄板与厚板的临界厚度为16mm;
TMCP Q460钢合金元素含量低,HAZ淬硬和冷裂倾向很小,所以不必考虑t8/5下限问题,只需要进行上线的确定,经热模拟试验得到t8/5时间上限为<20s;
厚度超过临界厚度时按照如下t8/5理论计算公式进行热输入计算;
式中:η——不同焊接方法的相对效率,取0.85;
E——热输入,J/cm;
T0——初始温度,℃;
F3——接头系数,取1.0
得到工件厚度大于临界厚度时热输入E的上限为≤30kJ/cm;通过工艺及热模拟试验验证,按照此热输入条件进行焊接能够得到性能良好的焊接接头;
工件厚度小于等于临界厚度时按照以下经验公式进行计算;
式中:η——不同焊接方法的相对效率,取0.85;
E——热输入,J/cm;
T0——初始温度,℃;
F2——接头系数;
δ——板厚,cm;
t8/5必须<20s,相对效率,取0.85,板厚16mm,层间温度为150℃,接头系数取1,得到E上限为17.6kJ/cm。
所述的选用药芯E551T1-Ni2规格为Φ1.2的高镍焊丝,能够显著改善接头性能。
对给定工件厚度等于16mm时,按照E≤17.6kJ/cm热输入范围给定焊接工艺,具体步骤是:
采用单面焊双面成型工艺,多层多道焊接,层间温度控制在150℃以下,打底层焊接电流(I)为135-145A,焊接电压(U)为19.5-20V,焊接速度(V)为100-140mm/min;填充层焊接电流为140-160A,焊接电压为20-23V,焊接速度为120-180mm/min,盖面层焊接电流为160-180A,焊接电压为21-24V;140-200mm,焊前不进行预热,无焊后热处理;
不同厚度的工件可以按照给定的热输入范围进行工艺参数的设置,匹配各数据使其达到最佳的焊接效果。
本发明的优点和积极效果:
本发明方法采用的FCAW焊接方法综合了焊条电弧焊和实芯焊丝CO2气体保护焊的优点。与焊条电弧焊相比,它具有效率高,熔深大的优点,节省了填充金属的使用量;与实芯焊丝相比,其焊接熔池不仅受到CO2气体保护,还受到熔渣保护,具有焊缝成形好,抗气孔能力强的优点。生产效率是手工焊的1~4倍,焊缝成形好,接头性能可靠、产品质量稳定焊后变形量小,焊接成本低只有手工电弧焊的40%~50%。此工艺选择的方法和材料能够满足极端恶劣条件下(低温-40℃)时的接头性能,因此,在低温高寒地区输电工程中推广此种焊接工艺和方法焊接TMCP Q460钢将大大提高施工效率和产品质量。能够保证TMCP Q460钢在电网铁塔建设中的应用获得成功。
附图说明
图1是组对示意图;
图2是焊层焊道图;
图3是焊接接头的微观金相及硬度试样图;
图4是冲击试样图(试验后),其中,A为冲击试样2#C2(Q460002-HR-01\0203),B为冲击试样2#C1(Q460-002-HF-01\02\03);
图5是工艺评定拉伸试样图(试验后);
图6是熔敷金属化学分析试样图(试验后);
图7是工艺试验弯曲试样图(试验后);
图8是E551T1-Ni2熔敷金属显微组织;
图9是E551T1-Ni2熔敷金属冲击断口形貌(-40℃),其中a为宏观试样,b为微观试样;
图10是应力与断裂时间关系曲线;
图11是t8/5对Q460E级钢热影响区韧性平均值的影响;
图12是不同t8/5时间下冲击试验断口微观形貌,a)t8/5为20s时的冲击断口形貌(-40℃),b)t8/5为30s时的冲击断口形貌(-40℃);
图13是Q460E焊态和热处理状态下残余应力曲线,a为管坐标轴,b为延焊缝中心应力分布情况曲线。
具体实施方式
实施例1
本发明提供的微合金化Q460钢FCAW焊接方法的具体内容及操作步骤如下:
1、材料的选用:选用TMCP Q460钢Φ400×200×16mm焊接钢管,牌号为Q460E;
Q460E化学成分如下:C:0.05%;Mn:1.36%;Si:0.2%;S:0.003%;P:0.008%;Nb:0.04%;余为Fe;
Q460E焊接接头基本要求;抗拉强度Rm≥550-720MPa;屈服强度Re≥460MPa;断后伸长率≥17%;冷弯180°条件下裂纹长度≯3mm;吸收功-40℃;Akv≥34J;
对母材及焊材分别进行了材料的性能试验,通过临界断裂应力试验及热模拟试验研究Q460E级钢的焊接性及其焊接预热温度和最佳热输入范围;
通过焊接材料试验主要研究焊材能否满足Q460E钢焊接的“等强度”和“韧性匹配”要求,并最终优选了E551T1-Ni2药芯焊丝,作为焊接材料,熔敷金属焊接工艺及各项性能、微观组织如下表:
熔敷金属焊接工艺参数
熔敷金属力学性能
熔敷金属组织分析:
焊缝金属在光学显微镜下的显微组织为贝氏体+针状铁素体,具有较高的低温冲击韧性,如图8所示。-40℃冲击试件的断口形貌如图9所示,为准解理穿晶断裂和少量韧窝的混合断口。
2、清理组对:根据管材厚度选择合适的坡口形式及尺寸,坡口尺寸为32.5±2.5°,钝边量1-2mm,组对间隙为3-4mm;坡口表面和附近母材(内、外侧)各20mm应打磨,将铁锈、油污、氧化皮等杂物清理干净,直至露出金属光泽,组对示意见图1;
3、焊接工艺参数:
采用插销试验法进行了FCAW焊接条件下Q460E材料的冷裂纹敏感性试验,其临界断裂应力为980MPa,远高于于材料的屈服极限460MPa,因此焊接时可以不预热,其应力与断裂时间关系曲线如图10所示。通过对比分析可以得到如下结论采用超低碳、高韧性的CHT81Ni2药芯焊丝,可以提高FCAW焊接Q460E钢时的抗冷裂纹性能。
采用热模拟试验方法进行试验确定在不同t8/5条件下Q460E级钢焊接接头热影响区冲击韧性变化情况,从而确定其t8/5时间;
1)试验表明t8/5对Q460E级钢热影响区韧性平均值的影响如下,t8/5对常温冲击韧性的影响较小,对低温冲击韧性影响很大,当t8/5达到20s时,低温韧性显著降低,其变化情况如图11所示。
通过断口及金相分析的显微分析认为粗晶区中的上贝氏体以及M-A组元等中间组织致使其低温韧性显著降低。断口微观金相照片如图12所示
2)焊接热输入范围确定
热模拟研究结果表明,Q460E级钢的t8/5上限应限制在20s以内,否则热影响区将出现比较严重的脆化问题。通过计算得到其最佳热输入范围为厚板情况下≤30kJ/cm,薄板情况下≤17.6kJ/cm(薄板与厚板的临界厚度为16mm)。
给定工件厚度等于16mm时,其焊接工艺为:采用单面焊双面成型工艺,多层多道焊接,层间温度控制在150℃以下,焊层焊道示意见图2。打底层焊接电流135-145(A),焊接电压19.5-20(V),焊接速度80-120(mm/min);填充层焊接电流135-160(A),焊接电压20-23(V),焊接速度90-170(mm/min),盖面层焊接电流160-180(A),焊接电压21-23(V),热输入小于17.6kJ/cm,层间温度≤150℃,在环境温度不低于0℃时,焊前不进行预热,无焊后热处理。
4、使用盲孔法对Q460E焊态和热处理状态下残余应力值进行测试对比,其值差距很小,不会对接头性能造成影响。故针对Q460E级钢焊接可取消其焊后热处理。
残余应力曲线如图13所示。
焊后按照DL/T821进行无损检验,试件评定为一级。
性能试验按GB2651《焊接接头拉伸试验方法》进行,见表1
表1、拉伸试验数据
试样编号 |
屈服强度 |
抗拉强度 |
断后延伸率 |
Q460-002-HL-01 |
--- |
614 |
--- |
Q460-002-HL-02 |
--- |
612 |
--- |
经过拉伸试验测试,按照本发明工艺参数完成的焊接接头,抗拉强度高于材料要求值,拉伸试样形貌见图5。
弯曲实验依据GB2653《焊接接头弯曲及压扁试验方法》进行,见表2。
表2、弯曲试验数据
试样编号 |
弯曲角度 |
结果 |
Q460-002-MW-01 |
180° |
完好(合格) |
Q460-002-BW-02 |
180° |
完好(合格) |
弯曲到规定角度试件完好,表明焊接接头的塑韧性良好,弯曲试验试件形貌见图7。冲击实验按照GB2650-89《焊接接头冲击试验方法》进行,见表3。
表3、工艺评定冲击试验结果
冲击试验温度:-40℃,冲击试样开V型缺口,低温冲击韧性良好,未发生热影响区脆化问题,焊缝及热影响区冲击试样见图4,其中,A为冲击试样2#C2(Q460-002-HR-01\02\03),B为冲击试样2#C1(Q460-002-HF-01\02\03)。
通过化学分析试验验证,焊缝熔敷金属化学成分符合标准要求值,化学分析试样见图6。
通过微观金相及硬度分析,焊缝组织及硬度值符合要求,微观金相及硬度试样见图3。
综上所述,本发明提供的FCAW焊接工艺和方法,能够满足TMCP Q460钢焊的焊接要求,得到性能良好的焊接接头,特别是在极端恶劣环境(高寒低温-40℃)地区输电工程中推广此种焊接工艺和方法焊接TMCP Q460钢将大大提高施工效率和产品质量,能够保证TMCP Q460钢在电网铁塔建设中的应用获得成功。