CN104625342B

CN104625342B - 一种屈服强度为500MPa级高性能桥梁钢角的焊缝焊接工艺

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Publication number: CN104625342B
Application number: CN201410798745.7A
Authority: CN
Inventors: 侯东华; 周兰聚; 刘晓东; 贾慧领
Original assignee: Shandong Iron and Steel Group Co Ltd SISG
Current assignee: Shandong Iron and Steel Group Co Ltd SISG
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-10-31
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104625342A

Abstract

本发明涉及一种屈服强度为500MPa级高性能桥梁钢角的焊缝焊接工艺，属于焊缝焊接领域。本发明针对10‑80mm屈服强度为500MPa级高性能桥梁钢角焊缝焊接工艺要求高、焊接难度大以及热影响区性能下降严重的问题，采用药芯焊丝CO₂气体保护焊及埋弧自动焊焊接方法，根据焊接接头总厚度确定预热温度、控制层间温度并省略焊后热处理工序，通过优化焊接工艺参数、严格要求焊接规范，减少了焊接缺陷产生几率，解决了低碳贝氏体高性能桥梁钢焊接后焊接热影响区性能冲击韧性急剧下降的问题，提高了焊接构件整体性能均匀性，有效提高了焊接构件的可靠性。

Description

一种屈服强度为500MPa级高性能桥梁钢角的焊缝焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种桥梁钢角焊缝焊接工艺，具体涉及一种屈服强度为500MPa级高性能桥梁钢角的焊缝焊接工艺，属于焊缝焊接领域。

背景技术

为了提升国家铁路、公路交通运输能力，我国桥梁建造规模不断扩大，桥梁制造技术水平也不断提高，我国铁路钢桥无论数量还是质量已处于世界先进水平。目前我国桥梁建设呈现高速、大跨度、高承载量发展趋势，桥梁建造技术向轻量化、整体性好、可靠性高的全焊接钢结构方向发展。因此，对桥梁用钢的性能要求越来越高，要求桥梁钢在强度提高的基础上，进一步提高低温韧性，兼具良好的耐疲劳性能和焊接性能。

伴随着中国桥梁建设飞跃发展的是中国钢铁行业的进步，中国钢铁行业不断加大低合金钢高强钢的研发、生产和应用，大量性能良好的低合金钢高强钢得到应用或者开发出来，尤其是低合金钢细晶及超细晶技术、合金中纳米析出物的控制技术等强化机制及多尺度、多相以及亚稳相(M3)微观组织控制等理论不断发展,以第三代高强钢为代表的HSLA钢的研发与生产处于国际领先水平,大量先进高强钢和高强、高性能新钢种的持续研发，有力的支持了桥梁建设对高性能桥梁钢的需求。我国自主研发的Q345、Q370、Q420级别产品已大量应用，相应的焊接技术也较为成熟。

近期国内研发的屈服强度500Mpa级低碳贝氏体钢Q500qE成分设计上通过降低碳含量，加入钼锰、铬、镍以及微合金化元素铌、钒、钛，配以控扎控冷工艺获得的一类钢材，具有良好的强韧性和可焊性。但是，由于相应的焊接技术仍不成熟，出于安全性、可靠性方面考虑，高性能低碳贝氏体型桥梁钢Q500qE尚未在国内得到应用。目前存在的主要问题有：

(1)桥梁建造中大量采用角接接头焊接，角焊缝结构多变应力状态复杂，且等效板厚大，冷裂纹倾向增大，必须严格控制焊接工艺参数，增加工序，焊接难度加大。

(2)低碳贝氏体高性能桥梁钢母材性能特别优异，但是焊接后焊接热影响区性能下降不可避免，尤其是冲击韧性下降严重，在疲劳应用环境下焊接热影响区作为整个结构上的薄弱环节，成为疲劳失效的源头。

因此，对于500MPa的高性能桥梁钢的而言，为满足桥梁高速、大跨度、高承载量发展趋势要求，必须发展焊接工艺提高工艺可行性，提高焊接接头组织性能均一性保障可靠性。

发明内容

本发明提供了一种屈服强度为500MPa级高性能桥梁钢角的焊缝焊接工艺，解决了高速大跨距桥梁应用高强度桥梁钢时，角焊缝焊接工艺要求高、焊接难度大以及热影响区性能下降严重的问题。本发明的技术方案如下：

一种屈服强度为500MPa级高性能桥梁钢角的焊缝焊接工艺：

(1)焊接母材：采用的高性能桥梁钢其主要化学成分重量百分比为：C：0.02-0.07％，Si：0.20-0.55％，Mn：1.40-1.80％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr：0.30-0.80％，Mo:0.20-0.50％，Cu：:0.20-0.50％，Ni:0.30-0.60％，Nb：0.035-0.065％，Ti：0.015-0.030％，Alt：0.020-0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质；

(2)坡口型式及焊接方法：熔透角焊缝采用K型坡口，焊接方法采用药芯焊丝CO₂气体保护焊(FCAW-G)或者埋弧自动焊(SAW)，焊接位置为平位横焊(PB)；T型角焊缝不开坡口，采用埋弧自动焊(SAW)，焊接位置为船位横焊(PA)；

(3)预热温度：预热温度根据钢板厚度、组对形式确定的焊接接头总厚度决定，焊接接头总厚度δ的计算公式如下：δ＝2δ₁+δ₂，其中δ为焊接接头总厚度，δ₁为底板厚度，δ₂为筋板厚度，如图1所示。根据上述的焊接接头总厚度所述的具体预热温度如下：当δ≤80mm时，若钢板温度大于等于10℃，不预热，若钢板温度低于10℃时，将钢板温度预热至10℃；当80mm＜δ≤120mm时，预热至60℃；当120mm＜δ≤160mm预热至80℃，当δ＞160mm预热至100℃；上述所述焊接接头总厚度计算方法和预热温度确定是通过足够焊接经验数据以及试验数据归纳获得，具有实际应用意义。

(4)焊接工序：对于K型坡口熔透角焊缝，焊接工序为清理坡口→预热(根据步骤3不需要预热者省略)→组对→大坡口面打底焊→填充焊至大坡口面深度1/2-2/3之间→小坡口面清根、填充焊及盖面焊→大坡口面填充焊、盖面焊→缓冷保温→48小时后探伤→机械性能检测；对于不熔透的T型角焊缝，焊接工序为清理坡口→预热(根据步骤3不需要预热者省略)→组对→筋板两侧轮流填充焊接→缓冷保温→48小时后探伤→机械性能检测。

进一步的，所述步骤(1)中高性能桥梁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；钢板机械性能符合如下技术条件：Rp_0.2≥500N/mm²，R_m≥600N/mm²,-40℃KV₂≥47J，Rel/Rm≤0.86；高性能桥梁钢钢板厚度范围为10-80mm。

进一步的，所述步骤(2)中药芯焊丝CO₂气体保护焊(FCAW-G)的焊接材料采用LW-81Ni1焊丝，焊丝直径1.2mm，保护气体采用纯度≥99.5％的CO₂；埋弧自动焊(SAW)的焊接材料采用H08Mn2E焊丝配合SJ101Q焊剂，焊丝直径为5mm。

进步一步的，所述步骤(2)中当进行药芯焊丝CO₂气体保护焊(FCAW-G)时，焊接工艺参数为：层间温度控制在80℃-180℃，焊丝杆伸长度为12-18mm，保护气体流量为20-25L/min，打底焊焊接电流为220-240A，打底焊焊接电压为22-24V，盖面及填充焊焊接电流为270-340A，盖面及填充焊焊接电压为30-35V，焊接热输入范围为10-35kJ/cm；优选的，层间温度控制在100-150℃；当进行埋弧自动焊(SAW)时，焊接工艺参数为：层间温度控制在80℃-180℃，打底焊采用药芯焊丝CO₂气体保护焊(FCAW-G)，打底焊焊接电流为220-240A，打底焊焊接电压为22-24V，盖面及填充采用埋弧自动焊(SAW)，焊接电流为400-800A，焊接电压为26-36V，焊接热输入范围为15-55kJ/cm；优选的，层间温度控制在100-150℃。

本发明中，清理坡口时，坡口及坡口周围50mm范围内保证没有油污和铁锈，采用机械法暴露新鲜金属表面；按照规定温度预热，保证预热均匀；打底焊完毕后迅速打磨释放应力，消除掉潜在裂纹源；清根后去除焊渣和所有缺陷后，打磨出新鲜金属；焊接时尤其注意焊接顺序分配，避免出现变形；焊接完毕，不进行焊后热处理，注意缓冷。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1预热温度工艺制度综合考虑了母材材质、母材厚度以及焊接接头型式的影响，采用焊接接头总厚度制定预热温度更加精确合理，有效避免裂纹以及潜在缺陷的产生，提高了焊接构件安全可靠性；

2、焊接材料同母材匹配良好，焊接工艺参数合理，有效控制了焊接热循环过程，降低了焊接热冲击对热影响区的不良作用，焊接热影响区性能下降幅度降低，焊接接头整体性能均衡。

附图说明

图1为焊接接头总厚度计算示意图；

图2为实施例1、2接头形式及坡口型式示意图；

图3为实施例3、4接头形式及坡口型式示意图；

图4为实施例1中熔合线附近(含焊缝、热影响区)组织形貌(OM)。

图5为实施例2中熔合线附近(含焊缝、热影响区)组织形貌(OM)。

图6为实施例3中熔合线附近(含焊缝、热影响区)组织形貌(OM)。

图7为实施例4中熔合线附近(含焊缝、热影响区)组织形貌(OM)。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

本发明实施例1-4中应用的焊接母材为高性能桥梁钢，其主要化学成分重量百分比符合：C：0.02-0.07％，Si：0.20-0.55％，Mn：1.40-31.80％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr：0.30-0.80％，Mo:0.20-0.50％，Cu：:0.20-0.50％，Ni:0.30-0.60％，Nb：0.035-0.065％，Ti：0.015-0.030％，Alt：0.020-0.050％，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；

实施例1和实施例2的底板和筋板(底板和筋板即焊接母材，均为高性能桥梁钢)均为32mm厚度钢板，实施例3和实施例4底板厚度为50mm筋板厚度为32mm。实施例1-4中钢板长度(焊缝长度)大于800mm，钢板机械性能符合：Rp_0.2≥500N/mm²，R_m≥600N/mm²,-40℃KV₂≥47J，Rel/Rm≤0.86。

实施例1-4采用的焊接材料根据焊接方式选择，药芯焊丝CO₂气体保护焊(FCAW-G)采用LW-81Ni1焊丝，焊丝直径1.2mm，保护气体采用纯度≥99.5％的CO₂；埋弧自动焊(SAW)采用H08Mn2E焊丝配合SJ101Q焊剂，焊丝直径为5mm。

实施例1-4具体焊接工艺参数及焊接要求如下：

实施例1：采用药芯焊丝CO₂气体保护焊(FCAW-G)焊接，其接头形式及坡口型式如图2所示，为平位熔透角焊缝，K型坡口。从小坡口面开始开始打底焊、填充焊，大坡口面焊接前要清根，大、小坡口面填充焊焊接道次分配顺序以保证接头不变形为准，焊接接头总厚度为96mm，焊接时钢板温度≥10℃，因此不需要预热焊接，打底焊焊接电流230A左右，焊接电压23V左右，打底焊前面道次尽量连续焊接；层间温度控制在80℃-180℃范围内，填充焊焊接电流300A左右、焊接电压31V左右，填充焊焊接热输入目标为15kJ/cm，实际为13-17kJ/cm，焊接完毕缓冷。

实施例2：采用药芯焊丝CO₂气体保护焊(FCAW-G)打底、埋弧自动焊(SAW)填充的焊接方法，其接头形式及坡口型式见附图2，为平位熔透角焊缝，K型坡口。从小坡口面开始开始打底焊、填充焊，大坡口面焊接前要清根，清根后也要采用FCAW-G)法打底焊，大、小坡口填充焊焊接道次分配顺序以保证接头不变形为准，焊接接头总厚度为96mm，焊接时钢板温度≥10℃，因此不需要预热焊接，打底焊焊接电流230A左右，焊接电压23V左右，打底焊尽量连续焊接；层间温度控制在80℃-180℃范围内，填充焊焊接电流600A左右、焊接电压30V左右，填充焊焊接热输入目标为30kJ/cm，实际为27-31kJ/cm，焊接完毕缓冷。

实施例3：接头形式及坡口型式如图3所示，为T型角焊缝，不开坡口，采用药芯焊丝CO₂气体保护焊(FCAW-G)平位位置焊接，焊接接头总厚度为132mm，预热温度为80℃，层间温度控制在80℃-180℃范围内，筋板两侧焊道轮流焊接避免焊接变形，焊接电流310A左右、焊接电压32V左右，填充焊焊接热输入目标为25kJ/cm，实际为23-28kJ/cm，焊接完毕缓冷。

实施例4：接头形式及坡口型式见附图3，为T型角焊缝，不开坡口，采用埋弧自动焊(SAW)焊接，焊接时配合变位机调整为船位焊接，焊接接头总厚度为132mm，预热温度为80℃，层间温度控制在80℃-180℃范围内，筋板两侧焊道轮流焊接避免焊接变形，焊接电流750A左右、焊接电压32V左右，填充焊焊接热输入目标为50kJ/cm，实际为47-51kJ/cm，焊接完毕缓冷。

实施例1-4焊接完毕后，缓冷放置48小时，肉眼观察表面未发现有裂纹等缺陷存在，经超声波探伤焊接接头质量未发现明显缺陷，说明本发明的预热工艺制度、焊接工艺参数及焊接规范合理，有效的避免了焊接缺陷的产生，提高了焊接构件的可靠性。

试验例1对本发明实施例1-4的性能测试

对实施例1-4中焊接接头以及其对应母材进行了冲击韧性检测，性能检测结果见表1。对实施例1-4焊接接头熔合线附近的组织进行观察，实施例1-4对应的附图为图4、图5、图6和图7。

表1

由表1、图4、图5、图6、图7可是，通过本发明工艺焊接后焊接热影响区韧性依然保持了较高水平，同母材相比有所下降，但是下降较小；焊接接头焊缝区域组织为强韧性俱佳的针状铁素体组织，没有大量析出铁素体组织，而热影响区为细小的贝氏体组织，保证了接头的韧性。说明本发明有效的解决了低碳贝氏体高性能桥梁钢焊接后焊接热影响区性能冲击韧性急剧下降的问题，有效提高了焊接构件整体性能均衡性。

Claims

1.一种屈服强度为500MPa级高性能桥梁钢角的焊缝焊接工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：

（1）焊接母材：采用的高性能桥梁钢其主要化学成分重量百分比为：C：0.02-0.07%，Si：0.20-0.55%，Mn：1.40-1.80%，P≤0.015%，S≤0.008%， Cr：0.30-0.80%，Mo: 0.20-0.50%，Cu：0.20-0.50%，Ni: 0.30-0.60%，Nb：0.035-0.065%，Ti：0.015-0.030%，Alt：0.020-0.050%，其余为Fe及不可避免的杂质；

（2）坡口型式及焊接方法：熔透角焊缝采用K型坡口，焊接方法采用药芯焊丝CO₂气体保护焊（FCAW-G）或者埋弧自动焊（SAW），焊接位置为PB；T型角焊缝采用埋弧自动焊（SAW），焊接位置为PA；

（3）预热温度：预热温度根据钢板厚度、组对形式确定的焊接接头总厚度决定，焊接接头总厚度δ的计算公式如下：δ=2δ₁+δ₂，其中δ为焊接接头总厚度，δ₁为底板厚度，δ₂为筋板厚度；当δ≤80mm时，若钢板温度大于等于10℃，不预热，若钢板温度低于10℃时，将钢板温度预热至10℃；当80mm＜δ≤120mm时，预热至60℃；当120mm＜δ≤160mm预热至80℃，当δ＞160mm预热至100℃；

（4）焊接工序：对于K型坡口熔透角焊缝，焊接工序为清理坡口→预热→组对→大坡口面打底焊→填充焊至大坡口面深度1/2-2/3之间→小坡口面清根、填充焊及盖面焊→大坡口面填充焊、盖面焊→缓冷保温→48小时后探伤→机械性能检测；对于不熔透的T型角焊缝，焊接工序为清理焊接区→预热→组对→筋板两侧轮流填充焊接→缓冷保温→48小时后探伤→机械性能检测。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤（1）中高性能桥梁钢的化学成分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%。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤（1）中钢板机械性能符合如下技术条件： Rp_0.2≥500N/mm²， R_m≥600N/mm²,-40℃ KV₂≥47J，Rel/ Rm≤0.86；高性能桥梁钢钢板厚度范围为10-80mm。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤（2）中药芯焊丝CO₂气体保护焊（FCAW-G）的焊接材料采用LW-81Ni1焊丝，焊丝直径1.2mm，保护气体采用纯度≥99.5%的CO₂。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤（2）中埋弧自动焊（SAW）的焊接材料采用H08Mn2E焊丝配合SJ101Q焊剂，焊丝直径为5mm。

6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤（2）中当进行药芯焊丝CO₂气体保护焊（FCAW-G）时，焊接工艺参数为：层间温度控制在80℃-180℃，焊丝杆伸长度为12-18mm，保护气体流量为20-25L/min，打底焊焊接电流为220-240A，打底焊焊接电压为22-24V，盖面及填充焊焊接电流为270-340A，盖面及填充焊焊接电压为30-35V，焊接热输入范围为10-35kJ/cm。

7.根据权利要求6所述的工艺，其特征在于，所述步骤（2）中当进行药芯焊丝CO₂气体保护焊（FCAW-G）时层间温度控制在100-150℃。

8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述步骤（2）中当进行埋弧自动焊（SAW）时，焊接工艺参数为：层间温度控制在80℃-180℃，打底焊采用药芯焊丝CO₂气体保护焊（FCAW-G），打底焊焊接电流为220-240A，打底焊焊接电压为22-24V，盖面及填充采用埋弧自动焊（SAW），焊接电流为400-800A，焊接电压为26-36V，焊接热输入范围为15-55kJ/cm.

9.根据权利要求8所述的工艺，其特征在于，所述步骤（2）中当进行埋弧自动焊（SAW）时层间温度控制在100-150℃。