CN104588922A - 高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，包括以下步骤：选择焊接材料；预热判断；确定实际焊接预热温度；计算焊接线能量范围；根据计算的线能量范围，进行实际的焊接实验；根据相关标准，对焊接接头进行性能检测，对检测结果进行数据处理和分析，得到焊接工艺窗口；根据焊接接头性能的优劣性，对焊接工艺窗口中的工艺参数进行择优选择，并对相应的焊接工艺进行评定，并给出工艺评定报告；本方法可以使整个焊接工艺流程更加条理化，减少焊接实验的次数和焊接试样数目，缩短焊接实验周期。

Description

高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法

技术领域

本发明涉及高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，适用于高强耐候钢的焊接工艺方案的编制，属于焊接领域。

背景技术

由于现代制造业轻量化的要求，工程技术领域对高强度钢铁的需求量也越来越大，而考虑到钢铁的服役环境和使用寿命，又需要钢铁具有较好的耐大气腐蚀的性能。高强耐候钢是耐腐蚀性能介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，在普碳钢的基础上添加少量铜、镍、铬、钼、锰等合金元素改善其耐腐蚀性能和提高其力学性能，不仅具备优质钢的强韧性、延展性、成型性、抗疲劳等特性，其耐候性为普碳钢的2-8倍。因为高强耐候钢综合机械力学性能好，尤其是强度较高，并且具有优良的耐大气腐蚀的性能而越来越广泛的应用于钢铁制造领域，特别是服役环境较恶劣工程应用领域，如桥梁工程，耐候钢有着广阔的应用前景。

而高强耐候钢化学成分复杂，连接时还要保证焊接接头等强性和耐候性的匹配，给焊接工艺方案的制定和焊接工艺评定带来了很大困难，焊接预热温度的确定、焊接线量能范围的选择、焊缝组织与成分的控制以及焊接时焊接电流、电压及焊接速度等关键焊接工艺参数的调节范围都需要经过反复繁杂的试探性工艺实验来逐步确认，不仅耗费大量的人力，还需要很长的实验周期。

发明内容

本发明针对现有高强耐候钢可焊性实验和焊接性能实验的繁杂和周期长的缺点，提供了一种高强耐候钢的焊接工艺方案和焊接工艺评定方案的制定方法。通过该方法，可以使整个焊接工艺流程更加条理化，减少焊接实验的次数和焊接试样数目，缩短焊接实验周期。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，包括以下步骤：（1）预判材料的焊接性：

根据碳当量CE=计算公式：

CE=w(C)+w(Mn)/6+w(Cr+Mo+V)/5+w(Ni+Cu)/15

其中，w表示元素含量，计算母材的碳当量，当板厚小于20 mm，CE＜0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热；反之，需考虑预热；

（2）预评母材的裂纹敏感倾向：

根据焊接裂纹敏感性指数Pcm计算公式：

Pcm= w(C)+ w(Si)/30+ w(Mn+Cu+Cr)/20+ w(Mo)/15+ w(V)/10 + w(Ni)/60+5w(B)

当Pcm低于0.2时，可不预热，否则，需考虑预热；

（3）焊接材料的选择：根据材料的力学性能，参考材料的化学成分，计算母材和焊接材料的耐候性I：

I=26.01w(Cu)+3.88w(Ni)+1.20w(Cr)+1.49w(Si)+17.28w(P)-7.29w(Cu)w(Ni)-9.10w(Ni)w(P)-33.39 w(Cu)²

根据母材与焊接材料化学成分、耐候性与力学性能的匹配，根据AWS（美国焊接协会的缩写 American Welding Society）标准，确定焊接材料；

（4）预热温度的估算：根据步骤（1）、（2）综合确定焊接是否需要预热，若不需要预热，直接进行步骤（6），若需要预热，还需进一步由焊接裂纹敏感性实验确定预热温度。如Y型坡口抗裂实验建立的公式确定预热温度T₀：

T₀=1440（Pcm+[H]/60+δ/600）-392℃

其中，δ为板厚，[H]为熔覆金属氢含量，结合焊接线算图，可估算预热温度；

（5）最低预热温度的确定：根据步骤（4）确定的预热温度进行Y型坡口实验，焊后48小时后进行焊缝剖析，金相观测是否存在裂纹。若有裂纹，计算裂纹率，根据裂纹率逐次提高预热温度20-100℃再次实验，直至无裂纹产生以确定焊接预热温度；若无裂纹，逐次减低预热温度20-50℃再次实验，直至出现裂纹，出现裂纹的上一个温度点为最低预热温度。

本发明非强制性选择裂纹敏感性实验方法，裂纹敏感性性实验也可以选用CTS实验、插销式实验；

（6）焊接线能量的确定：通过热模拟实验确定材料的Ac_1、 Ac_3、相变点，然后通过焊接热模拟试样，分析从800℃冷却到500℃的不同时间t_8/5，与对应热影响区的组织构成及硬度、冲击韧性的关系，确定可供选择的t_8/5，根据对应t_8/5与线能量E由关系式：

其中，λ为钢材热导率，初步确定合适的热输入范围；

（7）不同的想能量焊接实验：根据步骤（6）初步确定的线能量范围，将其分为N个水平等级，调节焊接电流与电压、焊接速度，在已定的焊接预热温度下，采用不同水平等级的线能量，进行焊接实验；

（8）焊接接头的性能检测：根据相关标准，对焊接接头的外观、强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击韧性、耐蚀性等性能进行检测；

（9）焊接工艺窗口确定：若焊接接头的性能达到标准要求，对应焊接工艺收录入焊接工艺窗口，若不满足标准要求，可综合评估焊缝外观和力学性能后，返回步骤（7），在不相同的线能量等级，调整焊接电流与电压、焊接速度进行焊接实验，完成所有线能量水平的实验后可得到焊接工艺窗口；

（10）焊接工艺评定：对焊接工艺窗口中的工艺，可根据焊接接头性能的优劣性，选择对应的焊接工艺进行评定。

本发明由于采取以上技术方案，具有如下优点：1）设计科学，针对性较强，结合理论计算和经验公式，可以节省大量的焊接参数和焊接工艺的摸索过程。2）可以得到施焊材料的焊接工艺窗口，工艺推广性较强。3）在工艺窗口择优选择工艺进行焊接评定，焊接工艺评定的结论可靠性强。4）作业流程条理清楚，可操作性强，可以在高强耐候钢的焊接领域得到很好的应用。

附图说明

图1是本发明工艺实施方案的作业流程图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的流程示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

1）根据钢材的化学成分，计算其碳当量，根据碳当量的计算值，预判钢料的焊接性；2）根据焊接裂纹敏感性指数的计算值，预评母材的裂纹敏感倾向；3）根据母材的化学成分、力学性能和耐候性，选择与之匹配的焊接材料；4）结合钢材的碳当量和裂纹敏感性指的计算值，评估钢材施焊时是否需要预热，若不需要预热，直接进行后续焊接实验。若需要预热，需进一步进行焊接裂纹敏感性实验，根据选择的实验方法，如选择Y型坡口的焊接裂纹敏感性实验，根据Y型坡口抗裂实验建立的经验公式，确定预热温度，结合焊接线算图，估算焊接预热温度；5）在估算的预热温度下，进行焊接裂纹敏感性实验，确定焊接的预热温度，如采用Y型坡口实验，焊后48小时后进行焊缝剖析，计算焊缝裂纹率，若有裂纹，根据裂纹率逐次提高预热温度20-100℃再次实验，直至无裂纹产生以确定实际焊接预热温度；若无裂纹，逐次减低预热温度20-50℃再次实验，直至出现裂纹，出现裂纹的上一个温度点为最低实际焊接预热温度；6）通过热模拟实验确定材料的Ac₁、 Ac_3、相变点，将钢材热模拟试样加热到Ac₃，然后以不同的速度从800℃冷却到500℃，通过对热模拟试样热影响区的组织构成及硬度、冲击韧性综合评估，由试样对应的t_8/5与线能量E由关系式计算焊接线能量范围；7）将计算的线能量范围分为N个水平等级，调节焊接电流与电压、焊接速度，在已定的焊接预热温度下，采用不同水平等级的线能量，进行焊接实验；8）根据相关标准，对焊接接头的外观、强度、断后伸长率、断面收缩率、冲击韧性、耐蚀性等性能进行检测，若焊接接头的性能达到标准要求，对应焊接工艺收录入焊接工艺窗口，若不满足标准要求，对应的工艺参数摒弃在工艺窗口之外，选择下一个线能量等级，调整焊接电流与电压、焊接速度进行焊接实验，完成所有线能量水平的实验后可得到焊接工艺窗口；9）对焊接工艺窗口中的工艺，可根据焊接接头性能的优劣性，选择对应的焊接工艺进行评定。

下面通过具体实施例对本发明提出的方法进行验证。

1）板厚30mm的高强耐候钢A709HPS485W，其供货状态是QT，其化学成分如下表1所示：

表1实验钢板的化学成分

。

根据碳当量CE=计算公式：

CE=w(C)+w(Mn)/6+ w (Cr+Mo+V)/5+ w (Ni+Cu)/15

计算值为0.47，板厚大于20 mm，因为CE＞0.40%时，钢材有一定的淬硬倾向，需考虑预热；

2）钢材的焊接裂纹敏感性按计算公式：

P_cm= w(C)+ w(Si)/30+ w(Mn+ Cu+ Cr)/20+ w(Mo)/15+ w(V)/10 + w(Ni)/60+5 w(B)计算为0.22，略大于0.2，可考虑预热；

3）实验钢板的耐候指数下式计算为：

I=26.01w(Cu)+3.88w(Ni)+1.20w(Cr)+1.49w(Si)+17.28w(P)-7.29w(Cu)w(Ni)

-9.10w(Ni)w(P)-33.39 w(Cu)²

计算值为6.82。

钢板的力学性能指标如表2所示：

表2 实验钢板力学性能

。

根据产品在-23℃冲击韧性和耐候性的要求和产品成分、力学性能的特点，采用气体保护焊，根据AWS A5.29E81T1-W2CJ标准，选择与母材钢板匹配，牌号TWE-81W2的焊材，其化学成分与力学性能分别如表3表4所示。

表3 焊材成分

。

表4 焊材力学性能

。

4）选择Y型坡口裂纹敏感性实验，由小铁研抗裂实验建立的经验公式：

T₀=1440（P_cm+[H]/60+t/600）-392

对于板厚t=30mm，熔覆金属的氢含量[H]在1-5ml/g的试板，综合经验公式和线算图，可估算预热温度在150±50℃。对试样预热100℃，进行Y型坡口裂纹敏感性实验，焊接工艺如表5所示：

表5 小铁研实验的焊接工艺参数

。

对试样解剖分析，无裂纹，将预热温度降低到70℃，再次进行Y型坡口裂纹敏感性实验，对试样解剖分析，无裂纹。再次将预热温度降低到50℃，裂纹率19%，确定实际焊接预热温度为70℃。

5）通过热模拟实验确定材料的Ac₁、Ac₃相变点，将钢材热模拟试样加热到Ac₃，然后以t_8/5的平均冷却速度分别选取：2℃/s 、5℃/s、15℃/s 、40℃/s、80℃/s、90℃/s、100℃/s，共7组焊接热影响区的热模拟实验，通过热影响区的组织构成及硬度、冲击韧性，根据对应t_8/5区间为5℃/s-40℃/s，根据t_8/5与线能量E的关系：

可以大致确定线能量的范围为5-65KJ/cm；

6）在线能量的范围5-65KJ/cm中取8、15、30、50四个线能量等级，道间温度控制在100℃内，在已定的工艺参数下，进行焊接实验，焊接参数如表6所示：

表6 焊接实验选择的工艺参数

。

7）对焊接试板的焊缝进行力学性能检测，接头的力学性能测试结果如表7所示：

表7焊接头拉伸实验结果

。

8）根据焊接实验及对焊缝力学性能的检测，A709HPS485W的气体保护焊的工艺窗口的线能量范围：8-30KJ/cm，焊接速度可控制在20-30cm/min之间。

9）对工艺窗口工艺参数择优选取表8所示工艺，进行焊接工艺评定，完成焊接工艺评定报告。

表8焊接工艺评定工艺参数

。

Claims (6)

1.一种高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，其特征在于，所述的焊接工艺评定方案的制定方法包括以下步骤：

（1）选择焊接材料，根据母材的化学成分、力学性能和耐候性从AWS标准中选择匹配的焊接材料；

（2）预热判断，根据计算所得的钢材碳当量和裂纹敏感性指计算值，评估钢材施焊时是否需要预热，若不需要预热，直接进行后续焊接，若需要预热，需进一步进行焊接裂纹敏感性实验，估算焊接预热温度；

（3）在估算的预热温度下，进行焊接裂纹敏感性实验，确定实际焊接预热温度；

（4）根据焊接热影响区的热模拟实验结果，计算焊接线能量范围；

（5）根据计算的线能量范围，进行实际的焊接实验；

（6）根据相关标准，对焊接接头进行性能检测，对检测结果进行数据处理和分析，得到焊接工艺窗口；

（7）根据焊接接头性能的优劣性，对焊接工艺窗口中的工艺参数进行择优选择，并对相应的焊接工艺进行评定，并给出工艺评定报告。

2.根据权利要求1所述的高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，其特征在于，步骤一中，耐候性I的计算公式：

I=26.01w(Cu)+3.88w(Ni)+1.20w(Cr)+1.49w(Si)+17.28w(P)-7.29w(Cu)w(Ni)-9.10w(Ni)w(P)-33.39 w(Cu)²，

其中，w表示元素含量。

3.根据权利要求1所述的高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，其特征在于，步骤二中，所述钢材碳当量CE的计算公式：

CE=w(C)+w(Mn)/6+w(Cr+Mo+V)/5+w(Ni+Cu)/15

其中，w表示元素含量，计算母材的碳当量，当板厚小于20 mm，并且CE＜0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热；反之，需考虑预热。

4.根据权利要求1所述的高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，其特征在于，步骤二中，所述裂纹敏感性指计算值Pcm计算公式：

Pcm= w(C)+ w(Si)/30+ w(Mn+Cu+Cr)/20+ w(Mo)/15+ w(V)/10 + w(Ni)/60+5w(B)

当Pcm低于0.2时，可不预热，否则，需考虑预热。

5.根据权利要求1所述的高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，其特征在于，步骤三中，焊接预热温度T₀的计算公式：

T₀=1440（Pcm+[H]/60+δ/600）-392℃

其中，δ为板厚，[H]为熔覆金属氢含量，结合焊接线算图，估算预热温度。

6.根据权利要求1所述的高强耐候钢的焊接工艺评定方案的制定方法，其特征在于，步骤四中，先通过热模拟实验确定材料的Ac₁和Ac₃相变点，然后通过焊接热模拟试样，分析从Ac₃冷却到Ac₁的不同时间t8/5，t8/5与线能量E由关系式：

其中，λ为钢材热导率，初步确定合适的热输入范围。