CN104923935A - 一种高合金含量、大厚度板坯的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钢铁冶金领域，具体是一种高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，包括以下步骤：a、以至少两块高合金含量的连铸板坯作为原料，采用机械铣削方式去除连铸板坯待接合面的氧化层，在连铸板坯接合面的边部加工出L形台阶；b、在L形台阶上采用不锈钢带级堆焊方式堆焊不锈钢过渡层，采用机械铣削方式将连铸板坯加工成相同尺寸的长方体；c、将连铸板坯对正叠放，采用电弧焊的方式对连铸板坯进行定位焊接；d、将连铸板坯放于真空室内，在高真空下采用电子束对连铸板坯之间的边缝进行焊接。本发明有效解决了高合金含量连铸板坯焊接冷裂问题。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体是一种高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法。
背景技术
厚度400mm以上，碳当量CE＞0.45%的高合金含量大厚度连铸板坯主要用于深海油气平台、大型模具、高温压力容器等用高合金含量、大厚度或大单重钢板的轧制。国内高合金含量大厚度连铸板坯多采用普通模铸钢锭、电渣重熔钢锭或定向凝固钢锭等传统方式生产，这类连铸板坯虽然能够满足高合金含量、高品质特厚或大单重钢板的制造要求，但却存在生产效率低、能耗高、污染严重的弊端。
为了解决传统方式生产大厚度连铸板坯效率低、能耗高、污染严重的弊端，专利CN102764936A“一种大厚度连铸板坯制造工艺方法”、专利CN101773931A“一种真空复合轧制特厚板的方法”、专利CN101590596A“一种累积叠轧焊工艺制造特厚连铸板坯的方法” 和专利CN102009332A“一种叠轧焊工艺生产特厚板的方法”分别提出了一种采用焊接方式生产大厚度连铸板坯的方法，但这些焊接方法难以应用于高合金含量大厚度连铸板坯的焊接。
专利CN102764936A“一种大厚度连铸板坯制造工艺方法”公开了一种通过采用气保焊、埋弧焊和真空电子束焊三种组合焊接工艺，将坯料四周组合焊接在一起，形成一种大厚度连铸板坯的方法。这种方法为了保证连铸板坯组合焊接的效率和熔深，在气保焊和埋弧焊步骤采用了小角度、大深度坡口以减少焊接层数和道数，这导致连铸板坯金属在焊缝中的熔合比例过高，使得焊缝中的C、Mn、Cr、Mo、Cu等元素含量增加过大，极大增加了焊缝的冷裂倾向。这种方法在真空电子束焊接步骤是在连铸板坯上直接施焊，对于不易进行焊前预热和焊后缓冷的高合金含量大厚度连铸板坯，这种做法极易导致焊缝甚至连铸板坯本身冷裂。
专利CN101773931A “一种真空复合轧制特厚板的方法”和专利CN101590596A“一种累积叠轧焊工艺制造特厚连铸板坯的方法”分别公开了一种全部采用真空电子束焊接的方法来生产大厚度坯料并轧制特厚板的方法，这两种方法在真空电子束焊接待复合坯料时，都是在连铸板坯上直接施焊，对于不易进行焊前预热和焊后缓冷的高合金含量大厚度连铸板坯，这样做极易导致焊缝甚至连铸板坯本身冷裂。专利CN101590596A对连铸坯待叠合面采用喷砂除氧化铁皮的表面处理工艺难以保证大厚度连铸板坯的心部质量，不宜用于高品质大厚度连铸板坯的制作。专利CN101773931A采用机械结构控制复合坯料间的间隙的做法操作复杂，尤其是复合坯料本身就体积巨大，再加上复杂的机械升举机构，使得整个装置体积更加庞大，需要非常大型的真空室才能容纳，这将导致后续的抽真空过程效率低，成本高。
专利CN102009332A“一种叠轧焊工艺生产特厚板的方法”公开了一种采用氩弧焊将2～3块连铸坯料复合间隙四周焊接密封，然后使用真空泵将复合坯密闭间隙抽至一定真空度的方式制造大厚度连铸板坯的方法。这种方法中采用的氩弧焊的熔敷效率低、熔深小，很难保证复合坯料间的结合强度，复合后坯料在轧制中极易开裂。这种方法生产的连铸板坯复合间隙的真空度不高，结合面处易产生大量氧化物，无法用于生产对内部质量有极高要求的高合金含量大厚度连铸板坯。
综上可以看出，传统方式生产大厚度连铸板坯效率低、能耗高、污染严重，而已有的采用焊接方式生产大厚度连铸板坯的方法，都难以应用于对内部质量有极高要求的高合金含量大厚度连铸板坯的焊接。
发明内容
本发明针对高合金含量连铸板坯焊接冷裂倾向严重，又不易采取焊前预热和焊后缓冷措施来降低连铸板坯的焊接冷裂倾向的难题，提供了一种采用不锈钢带级堆焊和真空电子束焊组合焊接方式，将多块高合金含量坯料四周组合焊接在一起，形成一种满足轧制生产要求的大厚度连铸板坯的技术方案。该方案通过在待复合的坯料四周堆焊一定厚度的高塑性、极低冷裂倾向的不锈钢层，从而使得后续真空电子束焊接不必在高合金含量连铸板坯上直接施焊，避免了高合金含量连铸板坯中高淬硬倾向合金向焊缝中的大量过渡，并利用不锈钢层的高塑性特性有效降低了焊缝部位的焊接应力，从而有效解决了高合金含量连铸板坯焊接冷裂问题。
本发明通过以下技术方案实现：一种高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，包括以下步骤：
a、以至少两块高合金含量的连铸板坯作为原料，采用机械铣削方式去除连铸板坯待接合面的氧化层，在连铸板坯接合面的边部加工出L形台阶；
b、在L形台阶上采用不锈钢带级堆焊方式堆焊不锈钢过渡层，采用机械铣削方式将连铸板坯加工成相同尺寸的长方体；
c、将连铸板坯对正叠放，采用电弧焊的方式对连铸板坯进行定位焊接；
d、将连铸板坯放于真空室内，在高真空下采用电子束对连铸板坯之间的边缝进行焊接。
本发明的技术方案还有：所述连铸板坯的碳当量CE＞0.45%。
本发明的技术方案还有：所述步骤a中L形台阶的高度为4~15 mm，宽度为30~60 mm。
本发明的技术方案还有：所述步骤b中不锈钢带级堆焊采用埋弧焊接法或电渣焊接法。
本发明的技术方案还有：所述步骤b中不锈钢带级堆焊所用不锈钢焊带的尺寸为0.4mm×（25～50）mm。
本发明的技术方案还有：所述步骤b中不锈钢带级堆焊，共堆焊1～3层，每层的堆焊厚度为4～5mm，堆焊层高于待接合面0.5～1mm。
本发明的技术方案还有：所述步骤b中不锈钢带级堆焊，极性为直流反接，焊接电流为300～1000A，焊接电压为20～30V，焊接速度为100～200 mm/ Min。
本发明的技术方案还有：所述步骤c中电弧焊定位焊接的焊缝长度为100～200 mm，每个连铸板坯之间的边缝焊接2～3个定位焊缝，定位焊缝在每个连铸板坯之间的边缝上均匀分布。
本发明的技术方案还有：所述步骤d中在高真空下采用电子束焊接，真空度不高于0.8×10-1Pa，焊接电压为30-200KV，焊接电流为100-600mA，焊接速度为40-800mm/min，熔深为25-55mm。
相对于现有技术，本发明高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法的有益效果为：（1）有效解决了高合金含量连铸板坯焊接冷裂问题。高合金含量连铸板坯焊接冷裂的根本原因是，在高合金含量连铸板坯上直接施焊导致连铸板坯中的高淬硬倾向合金C、Mn、Cr、Mo、Cu等向焊缝中大量过渡，使得焊缝塑性变差，冷裂倾向增加，而高合金含量连铸板坯本身对冷裂纹的止裂能力就很差，一旦焊缝产生冷裂纹，在焊接应力作用下，冷裂纹极易向母材方向扩展，有时甚至导致整块连铸板坯开裂。针对高合金含量连铸板坯焊接易冷裂的根本原因，本发明提供的技术方案通过在待复合的坯料四周堆焊一定厚度的高塑性、极低冷裂倾向的不锈钢层，使得后续真空电子束焊接不必在高合金含量连铸板坯上直接施焊，避免了高合金含量连铸板坯中高淬硬倾向合金向焊缝中的过渡，同时利用不锈钢层的高塑性特性有效降低了焊缝部位的焊接应力，从而有效解决了高合金含量连铸板坯焊接冷裂问题。
（2）本发明提供的技术方案无需焊前预热和焊后缓冷措施即可解决连铸板坯的焊接冷裂难题，有效降低了工序能耗。众所周知，焊前预热和焊后缓冷是降低构件产生焊接冷裂的有效措施，然而这些措施却不易用于连铸板坯的焊接。连铸板坯体积巨大，要想通过预热使待焊接部位达到一定的温度，需要长时间的加热才能实现，这个过程能耗巨大。真空电子束焊接的电弧能量密度高，但焊接过程中热输入并不高，这使得真空电子束焊缝深宽比极大，焊接过程中产生的热量在巨大的连铸板坯上散失很快，即使连铸板坯能够在真空电子束焊接前预热到一定温度，这个温度也很难在焊接过程中保持，所以焊后缓冷也无法实施。如果不采取预热和缓冷措施，已有的采用焊接方式生产大厚度连铸板坯的方法根本无法用于高合金含量大厚度连铸板坯的焊接，而本发明提供的技术方案由于采用了不锈钢带级堆焊和真空电子束焊组合焊接方式，在焊接高合金含量大厚度连铸板坯时，即使不预热和缓冷，也能有效避免焊接冷裂的产生，而且在保证焊接质量的同时，有效降低了工序能耗。
（3） 本发明提供的技术方案操作简单，并且可以保证高合金含量大厚度连铸板坯的内部质量。采用焊接方式生产大厚度连铸板坯时使用真空电子束焊接，是保证连铸板坯内部质量的最有效方法，但若在抽真空时连铸板坯结合面存在局部封闭空间，将导致少量空气残留在连铸板坯内部，在后续热加工过程会生成氧化物，使得连铸板坯的内部质量无法保证。本发明提供的技术方案在不锈钢带级堆焊时，堆焊层高于待接合面0.5～1mm，这样定位焊接好的待复合连铸板坯结合面处就会留有1～2mm的间隙，从而有效防止抽真空时连铸板坯结合面处局部封闭空间的存在。
附图说明
图1为本发明高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法示意图。
图2为实施例1的E550钢心部金相组织图。
图3为实施例2的P20钢心部金相组织图。
图中：1、连铸板坯，2、L形台阶，3、不锈钢层。
具体实施方式
以下结合具体钢板生产实施例，对本高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法作详细描述。
实施例1：碳当量CE=0.59%的高合金含量100mm厚E550钢板
a、如图1①所示，以两块厚度为270mm E550连铸板坯1作为原料，采用机械铣削方式去除两块连铸板坯待结合面的氧化层，并在待结合面边部加工出L形台阶2，L形台阶2的高度为9mm，宽度为55mm；
b、如图1②所示，在L形台阶2上采用埋弧焊接法（SAW）不锈钢带级堆焊方式堆焊不锈钢过渡层3。不锈钢焊带的牌号为US-B308L，尺寸为0.4mm×50mm。焊剂为PF-B1烧结焊剂。极性为直流反接，焊接电流为800A，焊接电压为26V，焊接速度为190 mm/ Min。共堆焊两层，每层的堆焊厚度为5mm，堆焊层高于待接合面1mm。然后将堆焊后的高合金含量连铸板坯采用机械铣削方式加工成相同尺寸的长方体；
c、如图1③所示，将E550连铸板坯对正叠放，然后采用电弧焊方式对连铸板坯进行定位焊接。电弧焊用焊条牌号为NC-38L，焊条直径为4.0mm。定位焊缝长度150 mm，每个连铸板坯之间的边缝焊接两个定位焊缝，定位焊缝在每个连铸板坯之间的边缝上均匀分布；
d、如图1④所示，将E550连铸板坯放置于真空室内，在高真空下采用电子束对连铸板坯之间的边缝进行焊接，真空度0.8×10-1Pa，焊接电压150KV，焊接电流400mA，焊接速度200mm/min，熔深45mm。
将焊接好的E550大厚度板坯放入车底式加热炉加热，加热温度1250℃，保温时间4h。轧制过程中采用双机架轧制，粗轧温度1000～1100℃，精轧温度800～850℃，中间坯厚度300mm。轧后钢板进缓冷坑缓冷48h，随后进行调质热处理，淬火温度910℃，回火温度670℃。
利用本发明提供的技术方案生产的碳当量CE=0.59%的高合金含量100mm厚E550钢板内部质量优良，探伤满足ASTM A578/A578M B级标准要求，钢板心部微观金相组织（图2）正常，力学性能检测结果满足相关标准要求（表1）。
表1实施例1钢板力学性能检测结果。
实施例2：碳当量CE=0.84%的高合金含量180mm厚P20钢板
a、如图1①所示，以两块厚度为270mm的 P20连铸板坯1作为原料，采用机械铣削方式去除两块连铸板坯待结合面的氧化层，并在待结合面边部加工出L形台阶2，L形台阶2的高度为9mm，宽度为55mm；
b、如图1②所示，在L形台阶2上采用电渣焊接法（ESW）不锈钢带级堆焊方式堆焊不锈钢过渡层3。不锈钢焊带的牌号为US-B316EL，尺寸为0.4mm×50mm。焊剂为PF-B7FK烧结焊剂。极性为直流反接，焊接电流为850A，焊接电压为25V，焊接速度为160 mm/ Min。共堆焊两层，每层的堆焊厚度为4.5mm，堆焊层高于待接合面1mm。然后将堆焊后的高合金含量连铸板坯采用机械铣削方式加工成相同尺寸的长方体；
c、如图1③所示，将P20连铸板坯对正叠放，然后采用电弧焊方式对连铸板坯进行定位焊接。电弧焊用焊条牌号为NC-38L，焊条直径为4.0mm。定位焊缝长度150 mm，每个连铸板坯之间的边缝焊接三个定位焊缝，定位焊缝在每个连铸板坯之间的边缝上均匀分布；
d、如图1④所示，将P20连铸板坯放置于真空室内，在高真空下采用电子束对连铸板坯之间的边缝进行焊接，真空度0.8×10-1Pa，焊接电压150KV，焊接电流400mA，焊接速度200mm/min，熔深45mm。
将焊接好的P20大厚度板坯放入车底式加热炉加热，加热温度1250℃，保温时间4h。轧制过程中采用双机架轧制，粗轧温度1100～1150℃，精轧温度1050～1100℃，中间坯厚度360mm。轧后钢板进缓冷坑缓冷72h，随后进行正火+回火热处理，正火温度900℃，回火温度660℃。
利用本发明提供的技术方案生产的碳当量CE=0.84%的高合金含量180mm厚P20钢板内部质量优良，探伤满足JB/T4730.3Ⅰ级标准要求，钢板心部微观金相组织（图3）正常，布氏硬度HBW检测结果满足相关标准要求（表2）。
表2实施例2钢板布氏硬度HBW硬度检测结果。
上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (9)
1.一种高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，包括以下步骤：
a、以至少两块高合金含量的连铸板坯作为原料，采用机械铣削方式去除连铸板坯待接合面的氧化层，在连铸板坯接合面的边部加工出L形台阶；
b、在L形台阶上采用不锈钢带级堆焊方式堆焊不锈钢过渡层，采用机械铣削方式将连铸板坯加工成相同尺寸的长方体；
c、将连铸板坯对正叠放，采用电弧焊的方式对连铸板坯进行定位焊接；
d、将连铸板坯放于真空室内，在高真空下采用电子束对连铸板坯之间的边缝进行焊接。
2.根据权利要求1所述的高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，其特征在于：所述连铸板坯的碳当量CE＞0.45%。
3.根据权利要求1或2所述的高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，其特征在于：所述步骤a中L形台阶的高度为4~15 mm，宽度为30~60 mm。
4.根据权利要求1或2所述的高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，其特征在于：所述步骤b中不锈钢带级堆焊采用埋弧焊接法或电渣焊接法。
5.根据权利要求1或2所述的高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，其特征在于：所述步骤b中不锈钢带级堆焊所用不锈钢焊带的尺寸为0.4mm×（25～50）mm。
6.根据权利要求1或2所述的高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，其特征在于：所述步骤b中不锈钢带级堆焊，共堆焊1～3层，每层的堆焊厚度为4～5mm，堆焊层高于待接合面0.5～1mm。
7.根据权利要求1或2所述的高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，其特征在于：所述步骤b中不锈钢带级堆焊，极性为直流反接，焊接电流为300～1000A，焊接电压为20～30V，焊接速度为100～200 mm/ Min。
8.根据权利要求1或2所述的高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，其特征在于：所述步骤c中电弧焊定位焊接的焊缝长度为100～200 mm，每个连铸板坯之间的边缝焊接2～3个定位焊缝，定位焊缝在每个连铸板坯之间的边缝上均匀分布。
9.根据权利要求1或2所述的高合金含量、大厚度连铸板坯的焊接方法，其特征在于：所述步骤d中在高真空下采用电子束焊接，真空度不高于0.8×10-1Pa，焊接电压为30-200KV，焊接电流为100-600mA，焊接速度为40-800mm/min，熔深为25-55mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150923 |