CN103447672A - 一种大厚度屈服强度690MPa级低温钢板的埋弧焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大厚度屈服强度690MPa级低温钢板埋弧焊接工艺，包括以下步骤：1）对钢板进行焊接冷裂纹敏感性试验，确定所需的最低预热温度；2）焊接坡口采用对称双U型，坡口角度为25～35°，钝边厚度3～5mm，钝边间隙1～2mm；3）采用抗拉强度≥830MPa，-60℃冲击功≥100J的焊丝；4）焊接电流450～680A，焊接电压29～36V，焊接速度38～50cm/min，焊接热输入量15～40kJ/cm，焊剂烘烤制度为350℃×2.5h；5）采用单面焊双面成型的STT技术的气保焊进行打底焊，然后进行开展埋弧焊接直至填满。使用本发明方法得到的焊接接头的各项力学性能满足船级社要求，尤其是焊缝区和焊接热影响区能保持较高的低温冲击韧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种埋弧焊接工艺，具体的说是一种厚度规格达80～100mm的屈服强度690MPa级低温钢板的埋弧焊接工艺。
背景技术
随着我国船舶和海洋工程行业的快速发展，超大型船舶、油气钻采平台、以及输送管道等装备制造行业得到了快速发展，已经被列入了国家的“十二五”发展规划中，也被列入了国家的新兴重点产业目录。上述装备制造产业的发展对高强度、高韧性、大厚度钢板提出了迫切需求，最具代表性的厚度达100mm的超高强度船板F690，该钢种的屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥830MPa，延伸率≥16%，-60℃冲击功≥100J，韧脆转变温度低于-70℃，可广泛应用于低温地区船舶、钻采平台等结构。
国内外多家钢厂相继开发了能够满足上述性能要求的低温钢F690，综合力学性能优异，-60℃低温冲击性能稳定；厚度规格60mm以下可热轧态供货，100mm以下可调质态供货。该类钢种的工业应用离不开焊接工艺和焊接材料的配套，目前来看，焊接工艺和焊接材料还不成熟。
该类钢种合金含量高，碳当量0.60以上，导致焊接冷裂纹敏感性大、且焊后延迟裂纹敏感性强；另外，由于厚度规格达到100mm，也使得裂纹倾向进一步加大。焊接实践中很难确保焊接接头的质量和性能，比如焊接接头的强度偏低，焊缝金属的-60℃冲击功不达标等问题，很难能够兼顾强度和冲击韧性两项指标，不能满足当前行业的要求，制约了该类钢种及相关行业的发展。
发明内容
针对现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种大厚度屈服强度690MPa级低温钢板的埋弧焊接工艺，适用于船舶和海洋平台等大型钢结构的焊接加工作业，并且能够确保焊接接头具备足够的强度并满足-60℃低温冲击韧性，同时确保焊缝及焊接热影响区具有较高的低温冲击韧性。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种大厚度屈服强度690MPa级低温钢板的埋弧工艺，包括以下步骤：
（1）开展系列冷裂纹敏感性试验，对比分析不同焊接条件下的焊接接头质量，从而确定焊接时所需的最低预热温度；
（2）钢板厚度为80～100mm，采用对称双U型坡口，坡口角度为25～35°，钝边厚度为3～5mm，钝边间隙1～2mm；
（3）焊前对钢板进行除油污及烘干处理，待装备完毕后，将钢板加热至步骤（1）所述的最低预热温度以上；
（4）采用单面焊双面成型STT模式的气保焊进行打底焊，然后进行15～20焊道埋弧填充，且要确保焊板的横向变形角度10～15°之间；然后翻面，利用炭弧气刨从反面去除气保焊道，并显露出正面的埋弧焊道，露出焊道的宽度要大于6mm，然后进行埋弧焊接，直至完成反面；再返回正面，利用埋弧填充，直至填满；
（5）焊接过程中层间温度控制在150～250℃之间；
（6）焊后进行消氢处理，将焊板加热至300～350℃并保温3～4小时，然后缓冷至室温；
焊后制得的焊缝金属以重量百分比计其化学成分包括：C0.03～0.10%，Si0.20～0.40%，Mn1.3～1.8%，S≤0.01%，P≤0.02%，Ni2.0～3.0%，Mo0.3～0.8%，Ti0.02～0.15%，B0.001～0.008%，O0.02～0.04%，且Mn/Ni≤0.6，余量为铁及不可避免的杂质。
进一步讲，焊接工艺参数为：焊接电流450～680A，焊接电压29～36V，焊接速度38～50cm/min，焊接热输入量15～40kJ/cm，焊剂的烘烤制度为350℃×2.5h。
本发明的优点及有益效果至少在于：
（1）采用本发明技术可得到质量完好的焊接接头，无焊接裂纹、无焊接变形，克服了该强度级别钢种冷裂纹敏感性强、易产生焊接裂纹的缺点；同时，也预防了80～100mm大厚度钢板焊接变形严重的缺点；
（2）本发明通过提供配套焊丝，确保了焊缝金属的高强度和低温冲击韧性的良好搭配，焊缝的抗拉强度＞830MPa，-60℃冲击功100J以上；焊缝组织主要由针状铁素体组成，其含量占40%以上，且尺寸小于2μm。
附图说明
图1为本发明实施例1焊缝金相组织；
图2为本发明实施例1焊缝断口形貌。
具体实施方式
实施例一
基材钢板厚度为100mm厚的调质态钢板F690，屈服强度730MPa，抗拉强度860MPa，延伸率16%，-60℃冲击功为305J。焊板的尺寸为1000mm（长）×500mm（宽）；坡口为对称双U型，坡口角度为35°，钝边厚度为4.5mm，钝边间隙2mm。
焊接冷裂纹敏感性试验结果如下表所示：
| 预热温度 | 室温/不预热 | 50℃ | 100℃ | 150℃ | 200℃ | 250℃ |
| 裂纹率 | 90% | 75% | 52% | 25% | 0% | 0% |
由上述结果看，需要预热200℃以上才能有效防止焊接冷裂纹的发生；选择以下焊接工艺参数进行埋弧焊接：焊接电流480A，焊接电压31V，焊接速度40cm/min，焊接热输入量22kJ/cm，焊剂的烘烤制度为350℃×2.5h。
焊后对焊接接头进行超声波探伤，均达?级。
对上述焊接接头取样进行成分检测和力学性能测试。以重量百分比计焊缝金属的化学成分包括C0.05%，Si0.32%，Mn1.35%，S0.005%，P0.008%，Ni2.7%，Mo0.64%，Ti0.04%，B0.003%，O0.028%，余量为铁及不可避免的杂质，其中Mn/Ni=0.5。横向拉伸试验测得焊接接头的抗拉强度860MPa，断裂位置在母材；焊缝区-60℃冲击功为212J，热影响区-60℃冲击功为108J，焊缝180°侧弯合格，无裂纹。
焊接接头焊缝区金相组织见图2，冲击断口形貌见图3。
实施例二
基材钢板厚度为80mm厚的调质态钢板F690，屈服强度745MPa，抗拉强度855MPa，延伸率17%，-60℃冲击功为285J。焊板的尺寸为1000mm（长）×500（宽）；坡口为对称双U型，坡口角度为32°，钝边厚度4mm，钝边间隙1mm。
焊接冷裂纹敏感性试验结果如下表所示：
| 预热温度 | 室温/不预热 | 50℃ | 100℃ | 150℃ | 200℃ | 250℃ |
| 裂纹率 | 90% | 75% | 52% | 25% | 0% | 0% |
由上述结果看，需要预热200℃以上才能有效防止焊接冷裂纹的发生；选择以下焊接工艺参数进行埋弧焊接：焊接电流650A，焊接电压35V，焊接速度40cm/min，焊接热输入量35kJ/cm，焊剂的烘烤制度为350℃×2.5h。
焊后对焊接接头进行超声波探伤，均达?级。
对上述焊接接头取样进行成分检测和力学性能测试。以重量百分比计焊缝金属的化学成分包括C0.04%，Si0.28%，Mn1.45%，S0.004%，P0.007%，Ni2.85%，Mo0.54%，Ti0.07%，B0.0042%，O0.033%，余量为铁及不可避免的杂质，其中Mn/Ni=0.51。
焊接接头的抗拉强度855MPa，断裂位置在母材，焊缝-60℃冲击功为225J，热影响区-60℃冲击功为118J，焊缝180°侧弯合格，无裂纹。
本发明还有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变形形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
Claims (2)
1.一种大厚度屈服强度690MPa级低温钢板的埋弧焊接工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
（1）开展系列冷裂纹敏感性试验，对比分析不同焊接条件下的焊接接头质量，从而确定焊接时所需的最低预热温度；
（2）钢板厚度为80～100mm，采用对称双U型坡口，坡口角度为25～35°，钝边厚度为3～5mm，钝边间隙1～2mm；
（3）焊前对钢板进行除油污及烘干处理，待装备完毕后，将钢板加热至步骤（1）所述的最低预热温度以上；
（4）采用单面焊双面成型STT模式的气保焊进行打底焊，然后进行15～20焊道埋弧填充，且要确保焊板的横向变形角度10～15°之间；然后翻面，利用炭弧气刨从反面去除气保焊道，并显露出正面的埋弧焊道，露出焊道的宽度要大于6mm，然后进行埋弧焊接，直至完成反面；再返回正面，利用埋弧填充，直至填满；
（5）焊接过程中层间温度控制在150～250℃之间；
（6）焊后进行消氢处理，将焊板加热至300～350℃并保温3～4小时，然后缓冷至室温；
焊后制得的焊缝金属以重量百分比计其化学成分包括：C0.03～0.10%，Si0.20～0.40%，Mn1.3～1.8%，S≤0.01%，P≤0.02%，Ni2.0～3.0%，Mo0.3～0.8%，Ti0.02～0.15%，B0.001～0.008%，O0.02～0.04%，且Mn/Ni≤0.6，余量为铁及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种大厚度屈服强度690MPa级低温钢板的埋弧焊接工艺，其特征在于：焊接工艺参数为：焊接电流450～680A，焊接电压29～36V，焊接速度38～50cm/min，焊接热输入量15～40kJ/cm，焊剂的烘烤制度为350℃×2.5h。
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