CN102554507A

CN102554507A - 一种产生残余压缩应力的实芯焊丝及其在不锈钢焊接中的应用

Info

Publication number: CN102554507A
Application number: CN2012100220089A
Authority: CN
Inventors: 徐连勇; 赵森; 荆洪阳; 韩永典
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种产生残余压缩应力的实芯焊丝及其在不锈钢焊接中的应用，所述焊丝组分及重量百分比为：C＝0.02～0.06，Mn＝0.8～2.5，Cr＝9～14，Ni＝4.0～10.0，Mo＝0.1～1.0，Si＝0.1～0.7，Ti＝0.1～0.6，Nb＝0.1～0.6，其余为铁。本发明能够改善不锈钢母材焊接接头应力分布的技术问题，在焊缝及其附近区域产生残余压缩应力，从而改善焊接接头的疲劳性能。

Description

一种产生残余压缩应力的实芯焊丝及其在不锈钢焊接中的应用

技术领域

本发明涉及一种实芯焊丝，具体地说，是涉及对不锈钢焊接接头残余应力分布进行改善的实芯焊丝及其应用。

背景技术

相比于其它连接技术，焊接技术在工程生产中应用最为广泛，焊接结构随焊接技术的发展而产生，从20世纪20年代开始得到了越来越广泛的应用。据统计，我国焊接结构用钢占钢产量的50％左右，在工业发达国家这一比例更高。然而焊接结构经常发生断裂事故，大量统计资料表明，工程结构失效有80％以上是由疲劳引起的，对于承受循环载荷的焊接构件有90％以上的失效是由于疲劳破坏。因此，规范规定设计承载交变载荷焊接结构时，以焊接接头的疲劳性能作为整体结构的疲劳性能，而不是母材的疲劳性能。应力集中和焊后残余拉伸应力对焊接接头的疲劳强度有较大的影响，造成整体结构的过早失效。因此消除焊接接头应力集中，改善焊后应力状态，可提高焊接接头疲劳强度，具有极大的经济和社会效益。

目前改善焊接接头疲劳强度的方法主要分为两大类，一类是改善焊趾几何形状降低应力集中的方法，包括TIG熔修和局部机械加工；二类是调整残余应力场产生压缩应力的方法，包括局部加热、预过载法、挤压法和Gurnnerts方法。工程中最为广泛使用的是TIG熔修法和局部机械加工法，这两种方法都有一定的局限性。TIG熔修的作用是改善焊趾处的过渡半径，消除应力集中，但要求操作工有一定的操作水平，操作工的水平差异对性能的改善程度有明显影响；并且这种方法依靠熔池液态金属的流动和铺展来改善焊趾部位的过渡半径，因此只适合于平焊和平角焊位置的焊缝，对仰焊、立焊和横焊等位置无法实施操作。局部机械加工法使焊缝表面应力集中大大减少，但这种机械加工的成本很高，需要很大的工作量，同时也延长了工时，增加了生产成本。而且这两种方法都侧重于消除应力集中，而对焊后残余应力场没有明显改善效果。因此，针对不锈钢焊接接头的疲劳性能，特别是残余应力场的改善，需要更加有效和经济的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，改善不锈钢母材焊接接头应力分布的技术问题，提供一种能够使不锈钢焊接接头焊缝及其附近区域产生压缩应力的实芯焊丝，在焊缝及其附近区域产生残余压缩应力，从而改善焊接接头的疲劳性能。

一种产生残余压缩应力的实芯焊丝，所述焊丝组分及重量百分比(％)为：C＝0.02～0.06，Mn＝0.8～2.5，Cr＝9～14，Ni＝4.0～10.0，Mo＝0.1～1.0，Si＝0.1～0.7，Ti＝0.1～0.6，Nb＝0.1～0.6，其余为铁。

应力状态改善效果较为明显的优质实心焊丝，其所述焊丝组分及重量百分比(％)为：C＝0.02～0.06，Mn＝1.0～1.5，Cr＝11～13，Ni＝7.0～9.0，Mo＝0.2～0.5，Si＝0.2～0.5，Ti＝0.15～0.3，N_b＝0.15～0.3，其余为铁。

钢铁材料从高温到室温的冷却过程中，会发生体积的热收缩。同时伴有一系列的组织转变，此组织相变伴随有体积膨胀。室温下的焊接残余应力由焊接热收缩应力和相变应力共同决定的，对于低碳钢、中碳钢和低合金元素材料，组织转变在较高的温度下进行，此时材料处于塑性状态，因而体积膨胀不会改变焊接残余应力。对于高合金材料，比如奥氏体不锈钢，由于材料从高温到低温的冷却过程中并不发生相变，所以通常选用与奥氏体不锈钢相匹配的焊接材料进行焊接时，焊接的残余应力主要由焊接热收缩决定，最终焊缝表面得到残余拉伸应力。但对于一定合金成分的钢铁材料，组织转变开始和结束均在较低温度，此时材料处于弹塑性或弹性状态，因此相变体积膨胀，可减少残余拉伸应力，以致出现对焊缝性能有益的残余压缩应力。

本发明和普通药芯焊丝的焊缝金属冷却曲线如图1所示。曲线1和3是普通药芯焊丝熔敷金属的冷却膨胀曲线，从图中的曲线1可以看出，普通低碳钢药芯焊丝相变温度较高，曲线3可以看出普通不锈钢药芯焊丝未发生相变，最终焊缝表面得到的都是残余拉伸应力。曲线2为能够使不锈钢焊接接头焊缝及其附近区域产生压缩应力的低相变点实芯焊丝。从曲线2可以看出，在相变开始温度Ms点，曲线出现转折点，此时奥氏体开始向马氏体转变，奥氏体量逐渐减少，马氏体量逐渐增大，随着温度继续降低，马氏体相变所产生的膨胀应变越加明显。当相变转变结束温度在室温附近时，焊缝金属不再发生热收缩，从而使得焊缝金属获得残余压缩应力。

相比于传统的改善焊接接头疲劳性能的方法，本发明的低相变点实芯焊丝着重于改善焊接接头的应力分布，既不需要TIG熔修对操作人员的高水平技术要求，也不会产生如机械加工、局部加热的额外巨大工作量。本发明选用低相变点实芯焊丝，不仅有利用实现自动窄间隙焊接，而且实施手工焊时对操作人员的技术水平要求降低，同时避免焊后加工的附加工序，提高生产效率。使用本发明的低相变点实芯焊丝对不锈钢进行焊接，可以在焊缝及其附近区域产生压缩应力，压缩应力的产生有益于焊缝的疲劳性能，可以起到延长疲劳寿命的作用。

附图说明

图1是本发明的低相变点实芯焊丝和普通药芯焊丝焊缝金属的冷却膨胀曲线对比图。

图2是进行残余应力测试的测试示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案，

以Cr-Ni-Mn-Si合金系作为药芯焊丝的基础合金系统，以Ti、N_b等合金元素的添加改善焊缝金属的力学性能。实芯焊丝要控制碳含量，以保证焊缝中得到低碳板条马氏体组织，焊丝直径为1.2～4.0mm，常用焊丝直径为1.2mm、1.6mm、3.2mm、4.0mm前两种用于填丝的非熔化极TIG焊接方法，后两种主要用于埋弧焊。

下述各实施例实芯焊丝直径均为组分及重量百分比(％)见下表1：

表1

实施例采用的研究方法是在100mm×100mm×10mm的304L不锈钢钢板上提前加工角度为45°的V型坡口，坡口深度为5mm。然后使用本发明的低相变点实芯焊丝进行填充焊接，焊接时选择填丝的非熔化极TIG焊接方法，并选用直流正接的电源极性接法，焊接道次为三层六道，一道打底，两道填充，三道盖面。焊后在焊缝中心区域表面选取两点对纵向残余应力进行测量，再选取两点对横向残余应力进行测量，其测试示意图如图2所示，测量仪器为iXRD-便携式残余应力测量仪，测试结果列于表2，其测量误差为±20MPa。

表2

由表2中的数据可以得出以下结论，本发明实芯焊丝的各实施例，可以有效的改善焊接接头的残余应力分布，焊缝表面处无论是纵向还是横向都产生了对焊接结构疲劳强度有益的残余压缩应力(实施例6-10也同样表现出相同趋势的纵向残余应力和横向残余应力)。

综上所述本发明的低相变点实芯焊丝可以有效的改善焊接接头的残余应力分布，可将常规焊材焊接后，存在于焊缝及其附近区域的残余拉伸应力，转变为残余压缩应力。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种产生残余压缩应力的实芯焊丝，其特征在于，所述焊丝组分及重量百分比(％)为：C为0.02～0.06，Mn为0.8～2.5，Cr为9～14，Ni为4.0～10.0，Mo为0.1～1.0，Si为0.1～0.7，Ti为0.1～0.6，N_b为0.1～0.6，其余为铁。

2.根据权利要求1所述的一种产生残余压缩应力的实芯焊丝，其特征在于，其所述焊丝组分及重量百分比(％)为：C为0.02～0.06，Mn为1.0～1.5，Cr为11～13，Ni为7.0～9.0，Mo为0.2～0.5，Si为0.2～0.5，Ti为0.15～0.3，N_b为0.15～0.3，其余为铁。

3.如权利要求1或者2所述的一种产生残余压缩应力的实芯焊丝在不锈钢焊接中的应用，其特征在于，在焊缝及其附近区域产生压缩应力，压缩应力的产生有益于焊缝的疲劳性能，可以起到延长疲劳寿命的作用。