CN103231155A - 一种易焊接高强大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供一种易焊接高强度大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺，包括如下主要内容：针对40-80mm大厚度易焊接700MPa级高强度钢板，配合使用脱氧元素含量较高的高强韧焊丝，采用80%Ar+20%CO₂活性混合气体保护半自动或者自动焊接方法，焊接前不预热、焊后不热处理，通过严格控制焊接工艺参数、合理安排焊接顺序以及采取石棉布包裹焊件保温等措施，获得无缺陷的、性能优良的焊接接头，通过机械性能检测，接头抗拉强度不低于母材标准要求，焊缝及热影响区组织良好，低温夏比冲击吸收功（KV₂）富余量较大，完全可以满足低温环境使用的要求。该方法减少了生产工序，改善了工人劳动条件，节约了生产成本，提高了生产效率。

Description

一种易焊接高强大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种低合金高强度钢的焊接工艺，具体涉及一种易焊接高强度大厚度钢板气体保护焊不预热焊接工艺，适合于对焊接结构件强韧性、安全可靠性要求较高的大型重点装备。

背景技术

随着国民经济发展及现代工业技术进步，各种大型装备焊接结构设计日趋大型化、轻量化和高参数化发展，对钢板的强度和低温韧性要求越来越高,同时钢板的厚度规格也进一步加大，但是，材料强度提高和厚度增加给构件焊接生产增加了难度，采用传统的焊接工艺生产大厚度高强钢板，会带来一系列问题：

（1）焊接特殊的热循环过程使得焊接热影响区的组织发生粗化和脆化，导致焊接接头机械性能下降达不到构件设计要求，主要是低合金高强钢焊接后接头强度和低温韧性下降，尤其是低温韧性下降不可避免；

（2）焊接接头缺陷及残余应力产生导致整个焊接构件的安全可靠性下降，构件服役时极易出现骤然失效，造成巨大的损失；

（3）为保证焊接接头的性能，必须严格控制焊接工艺窗口，增加了工艺控制难度，为保证焊接结构的可靠性，增加预热工序防止裂纹产生、增加焊后热处理工序消除应力，这样不但增加了生产成本，还增加了工人劳动强度，费时费力。

因此，对于高强度大厚度钢板焊接工艺而言，关键是在保证焊接接头不产生裂纹等缺陷的基础上，保证焊接接头机械性能达到设计要求，尽量采用不预热焊接以改善工人劳动条件，省略焊后热处理工序以降低生产成本。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供一种抗拉强度700MPa级易焊接高强度厚钢板不预热气体保护焊焊接工艺，解决大型焊接结构用40-80mm大厚度高强度钢板焊接前需要预热和焊后需要热处理生产的问题。

该方法针对700MPa级大厚度钢板，采用80%Ar+20%CO₂活性混合气体保护焊接方法，不预热焊接，焊后不进行焊接热处理，减少生产工序，节约了生产成本，提高了生产效率，通过选择恰当的焊接材料，配以合理的焊接规范，严格焊接过程工艺控制，获得无缺陷的、性能优良的焊接接头，通过机械性能检测，接头抗拉强度不低于母材标准要求，-20℃夏比冲击吸收功（KV₂）富余量较大，完全可以满足低温环境使用的要求，焊缝及热影响区组织良好，焊接构件变形小、焊接接头残余应力小，该工艺可应用于各种载荷条件下结构件的制造，安全可靠。

为实现本发明的目的，采用了下述技术方案：

一种700MPa易焊接高强度厚钢板不预热气体保护焊焊接工艺，该工艺具体包括如下的步骤：

（1）母材：采用的大厚度高强度钢板的主要化学成分重量百分比为：C：0.05～0.12%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.55～1.65%，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.020～0.040%，Ti：0.015～0.030%，Mo: 0.010～0.025%，Cr≤：0.020～0.030%，B：0.0005～0.0020%，其余为Fe及不可避免的杂质,钢的化学成分还满足焊接裂纹敏感性系数Pcm(%)＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10 +5B≤0.23%要求；

采用的大厚度高强度钢板机械性能符合如下技术条件： R_p0.2≥550N/mm²，670N/mm²≥R_m≥830N/mm²,-20℃ KV₂≥47J；

（2）焊接材料：配合使用符合GB/T8110 ER69-G的脱氧元素含量较高的焊丝，如CHW-70C、THQ-70C焊丝等，焊丝直径为Φ1.2mm或者Φ1.6mm；保护气体采用活性混合气体，气体比例为80%Ar+20%CO₂；

（3）坡口型式及焊接位置：采用2/3双V型坡口，留2mm钝边，尽量采用平焊位置船型焊接，如附图1所示。

（4）焊接方法及焊接工艺参数：采用熔化极活性混合气体保护焊（MAG），直流反极性焊接，可半自动焊接或者机器人自动焊接。半自动焊接时，采用直径为1.2mm的焊丝焊接，焊接时不预热，层间温度控制在200℃以内，焊丝杆伸长度为12～17mm，保护气体流量为15～20L/min，打底焊焊接电流220～240A，打底焊焊接电压22～24V，盖面及填充焊焊接电流280～350A，盖面及填充焊焊接电压30-35V，焊接速度控制在30-45cm/min，焊接热输入范围为10-25kJ/cm；机器人自动焊接时，采用直径为Φ1.6mm的焊丝焊接，焊接时不预热，层间温度控制在200℃以内，焊丝杆伸长度为16～20mm，保护气体流量为16～20L/min，打底焊焊接电流300～320A，打底焊焊接电压30～34V，盖面及填充焊焊接电流360～420A，盖面及填充焊焊接电压35～45V，焊接速度控制在32～48cm/min，焊接热输入范围为10～36kJ/cm。焊接时可以根据结构件焊缝的不同（焊接位置、接头型式、母材厚度等）对焊接参数在规定范围内适当调整，但是焊接热输入值上下限不得超过规定。 

（5）焊接工艺步骤

清理坡口→组对→打底焊（大坡口面，A面）→填充焊至大坡口面一半以上→翻转钢板清根→填充焊及盖面焊（小坡口面，B面）→翻转钢板填充焊、盖面焊（大坡口面，A面）→覆盖石棉布→48小时后探伤→机械性能检测。

钢板其厚度为40～80mm。

本发明的有益效果为：

1有效控制了热影响区、焊缝金属组织强韧化

焊接中不实施预热，适当控制焊接层间温度，焊后采用的简单保温措施，有效地控制了焊接接头的冷却速度，配以合适焊接规范和保护气体控制焊缝合金化冶金过程，有效地实现了热影响区、焊缝金属组织的强韧化；

2缩减工序流程，有效降低生产成本

可以采用较大的热输入焊接，焊接时不需要预热，并省略焊后热处理工序，改善了工人焊接工作条件、提高了焊接生产效率，同时降低了预热和焊后热处理能耗，有效的降低了生产成本；

3拥有宽泛的工艺窗口，构件整体可靠性提高

钢板可以在10-36kJ/cm的较为宽泛焊接热输入范围内焊接，对工人焊接技术要求低，即使焊接工艺过程稍微波动，对焊接质量的影响不大，构件的安全可靠性高。

附图说明

图1为实施例1、2坡口型式示意图；

图2为实施例1中焊缝组织形貌（OM）；

图3为实施例2中焊缝组织形貌（OM）；

图4为实施例2焊接接头热影响区粗晶区组织（TEM）；

图5为实施例2焊缝焊态KV₂—T曲线；

图6为实施例2热影响区KV₂—T曲线。

具体实施方式

以下结合附图及实例对本发明具体实施方式做更详细的描述，并不以此限制本发明。

实施例1

实施例1中的制备方法如下：

钢板试样加工尺寸为80mm（厚度）×200mm×600mm，2块为1组，并按照附图1要求加工坡口，对加工好的钢板进行尺寸检查，尺寸合格后严格按照装配要求组对，焊接足够的固定装置保证装配精度以及防止钢板变形，并点焊上长度为120mm的引弧板。

具体施焊步骤如下：

（1）焊接母材：采用的大厚度高强度钢板的厚度为80mm，其主要化学成分重量百分比为： C：0.05～0.12%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.55～1.65%，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.020～0.040%，Ti：0.015～0.030%，Mo: 0.010～0.025%，Cr≤：0.020～0.030%，B：0.0005～0.0020%，其余为Fe及不可避免的杂质；钢的化学成分还满足焊接裂纹敏感性系数 Pcm(%) ＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.23%要求，

采用的大厚度高强度钢板机械性能符合如下技术条件： R_p0.2≥550N/mm²，670N/mm²≥R_m≥830N/mm²，-20℃ KV₂≥47J；

（2）焊接材料：采用的焊丝直径为Φ1.2mm的CHW-70C焊丝；保护气体采用活性混合气体，气体比例为80%Ar+20%CO₂；

（3）焊接方法及焊接工艺参数：采用熔化极活性混合气体保护焊（MAG），直流反极性焊接，可半自动焊接或者机器人自动焊接，采用带2mm钝边2/3双V型坡口，不预热焊接、不焊后热处理；焊接热输入范围为10-25kJ/cm，控制目标为20kJ/cm；

（4）焊接工序：清理坡口→组对→打底焊→填充焊至大坡口面一半以上→翻转钢板清根→填充焊及盖面焊→翻转钢板填充焊、盖面焊→覆盖石棉布→48小时后探伤→机械性能检测。

焊接时，具体的要求如下：

（1）先清理好坡口及坡口周围50mm范围内的油污和铁锈，采用钢丝刷及角向磨光机磨出新鲜金属表面，焊接时先焊接大坡口面（附图1中的A面），在室温条件下不预热焊接，打底焊完毕后尽快采用磨光机打磨，以消除掉潜在裂纹源以适当释放应力，清理好焊渣后露出新鲜金属后迅速开始填充焊，焊接至距离钢板表面20mm处，停止焊接。

（2）将工件翻转，使B面朝上，首先进行U型清根，保证去掉所有缺陷及焊渣后，使用角向磨光机打磨掉氧化层，暴露出新鲜金属，在温度不超过200℃的条件下开始填充焊、盖面焊，完成B面焊接。

（3）翻转工件使A面向上，继续填充焊、盖面焊，完成A面焊接。完成焊接后采用石棉布覆盖以减缓冷却速度。

（4）自由放置48小时后，进行外观检查，合格后进行无损探伤，采用超声波探伤及磁粉探伤。

（5）探伤合格后，按照标准加工机械性能试样并进行相应的机械性能检测。

关键焊接工艺点要求

（1）限制电流电压在规定范围内，保证实施例1填充及盖面焊焊接热输入量在20kJ/cm左右， 

（2）打底焊时采用前进法焊接，摆动幅度为根部间隙尺寸；填充焊采用后退法焊接，每道焊缝的高度不大于5mm，分道时注意各道要互相搭接，后道搭前道宽度1/3～1/2处；

（3）打底焊后的前几道焊接道次尽量连续焊接，后面焊接时保证层间（道间）温度在200℃以下；

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于，在实施例2中，焊接热输入量不同，实施例2采用直径为Φ1.6mm的THQ-70C焊丝，焊接热输入量控制目标位35kJ/cm；

实施例2在焊接中，每焊接一层后,用手锤沿焊缝轻击,使其释放一部分焊接应力,减少变形。

焊接接头机械性能检测结果

表1为实施例1和实施例2焊接接头拉伸强度、冷弯试验以及夏比冲击试验结果。从结果来看，采用本发明的方法，不预热、不焊后热处理，通过控制关键焊接工艺，在20kJ/cm和35kJ/cm焊接热输入条件下均能获得具有良好性能的焊接接头。附图2和附图3为实施例1和实施例2的焊缝组织，全部为强韧性俱佳的针状铁素体组织，没有明显的先共析铁素体组织析出，保证良好的强度、韧性和塑性。

表1   实施例1、实施例2焊接接头力学性能试验结果

表2   实施例2焊接接头系列温度试验结果

 

表2为实施例2焊接接头焊缝金属、热影响区室温至-60℃范围内系列试验温度冲击韧性试验结果，试样截取位置位于后焊面整个板厚度的四分之一处。从附图4来看，本发明所述的工艺合理控制了冷却速度获得了韧性优良的热影响区组织，结合附图5和附图6来看，焊接接头具有良好的低温冲击韧性，-40℃及以上的试验温度冲击吸收功富余量较大，完全可以在低温工况环境中应用，安全可靠。

Claims (7)

1.一种易焊接高强度大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺，其特征在于，该工艺包括下述的步骤：

（1）焊接母材：采用的大厚度高强度钢板的主要化学成分重量百分比为：

 C：0.05～0.12％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.55～1.65％，P≤0.012％，S≤0.005％，Als：0.020～0.040%，Ti：0.015～0.030%，Mo: 0.010～0.025%，Cr≤：0.020～0.030%，B：0.0005～0.0020%，其余为Fe及不可避免的杂质；钢的化学成分还满足焊接裂纹敏感性系数 Pcm(%) ＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.23%要求；

（2）焊接材料：采用的焊丝直径为Φ1.2mm或者Φ1.6mm；保护气体采用活性混合气体；

（3）焊接方法及焊接工艺参数：采用熔化极活性混合气体保护焊（MAG），直流反极性焊接，可半自动焊接或者机器人自动焊接，采用带2mm钝边2/3双V型坡口，不预热焊接、不焊后热处理；采用直径为Φ1.2mm的焊丝焊接时焊接热输入范围为10-25kJ/cm，采用直径为Φ1.6mm的焊丝，焊接时焊接热输入范围为10～36kJ/cm；

（4）焊接工序：清理坡口→组对→打底焊→填充焊至大坡口面一半以上→翻转钢板清根→填充焊及盖面焊→翻转钢板填充焊、盖面焊→覆盖石棉布→48小时后探伤→机械性能检测。

2.根据权利要求1所述的一种易焊接高强度大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺，其特征在于，所述的焊接材料为高强韧性焊丝。

3.根据权利要求1或2所述的一种易焊接高强度大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺，其特征在于，所述的焊丝为CHW-70C或者THQ-70C。

4.根据权利要求1所述的一种易焊接高强度大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺，其特征在于，所述的步骤（2）中，所述的活性混合气体为Ar 和CO₂的混合气。

5.根据权利要求1或4所述的一种易焊接高强度大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺，其特征在于，所述的步骤（2）中，所述的活性混合气体比例为80%Ar+20%CO₂。

6.根据权利要求1所述的一种易焊接高强度大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺，其特征在于，所述的步骤（1）中，采用的大厚度高强度钢板机械性能符合如下技术条件： R_p0.2≥550N/mm²，670N/mm²≥R_m≥830N/mm²，-20℃ KV₂≥47J。

7.根据权利要求1所述的一种易焊接高强度大厚度钢板不预热气体保护焊焊接工艺，其特征在于，所述的钢板其厚度为40～80mm。

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