CN106216817B - V-n微合金化q550d中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法 - Google Patents

V-n微合金化q550d中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种V‑N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法。本发明通过合理的焊丝的选取，以及焊接参数的优化，开发出焊前不预热焊后不热处理的焊接工艺，利用V‑N微合金钢中奥氏体内VN析出相促进针状铁素体形核的作用，改善焊接热影响区的强韧性能，该焊接工艺对V‑N钢的推广应用具有重要意义。

Description

V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接 方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法。
背景技术
Q550D钢是屈服强度550MPa级的低合金高强度钢，其构件以中厚板为主，广泛应用于油气管线、工程机械、桥梁、舰艇、煤矿液压支架等诸多领域。目前，Q550D热轧钢板生产新工艺不断涌现，但相关的焊接工艺却落后于轧制工艺，从而在一定程度上限制了Q550D中厚板的实际应用。
采用V-N微合金化结合控轧控冷(TMCP)工艺生产非调质高强钢的工艺方法制备Q550D中厚板已日趋成熟。碳当量Ceq和冷裂纹敏感系数PCM可用来衡量钢材的可焊性，其中：
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 (%)
PCM=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B (%)
计算可知，Q550D钢的碳当量Ceq=0.4346%，冷裂纹敏感指数Pcm=0.2286%。根据钢铁材料可焊性的判据可知，Q550D钢具有较好的焊接性，及较小的冷裂纹倾向，但该公式仅仅给出了一个快速估计冷裂纹敏感性的方法。因此，如何在保证焊接接头强度的同时，具有良好的冲击韧性，及较小的冷裂纹敏感性，仍是一大难题。
焊前预热的目的主要是为了降低焊缝的冷却速度，防止焊接接头生成淬硬组织，产生冷裂纹。焊后热处理也是一种缓冷措施，有的是单纯为了缓冷，有的是针对消氢处理，从而避免冷裂纹的产生。目前，为了消除焊接冷裂纹，不仅需要对焊接母材进行适当温度的预热，还需要进行相应的焊后热处理，一方面增加了能耗，另一方面严重地降低了焊接生产效率。
发明内容
针对现有技术存在的V-N微合金化Q550D中厚板焊接性不稳定及焊接后需要相应的热处理等问题，本发明提供一种V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法，目的是通过合理的焊丝选取及焊接工艺参数的优化，控制焊接线能量的大小，从而避免了焊接冷裂纹的产生。
本发明的V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法按以下步骤进行：
（1）在待焊接V-N微合金化Q550D中厚板的接头处开双V形坡口，坡口角度30°～40°，钝边1～2mm，组对间隙为1.5mm～2.0mm；
（2）使用400CCR/R砂纸对坡口及两侧的待焊接中厚板表面进行打磨，去除氧化铁皮和铁锈；
（3）将待焊接中厚板四周用螺栓固定，然后进行Ar+CO2混合气体保护定位焊，定位焊的焊接电压为20～25V，焊接电流为180～200A，焊接速度为300～390 mm/min，线能量6~10KJ/cm；
（4）定位焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护打底焊，打底焊的焊接电压为21.8～30V，焊接电流为190~250A，焊接速度为330～360 mm/min，线能量7.5~12.5KJ/cm；
（5）打底焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护填充焊，填充焊的焊接电压为25～34.5V，焊接电流为200~300A，焊丝干伸长15～25mm，焊接速度为300～330 mm/min，线能量10~20KJ/cm；
（6）填充焊结束后，将V-N微合金化Q550D中厚板直接空冷至室温，获得的Q550D中厚板的焊接接头屈服强度≥578MPa，抗拉强度为660～765MPa，延伸率≥16.5%，焊缝-20℃冲击功≥65J。
其中，所述的V-N微合金化Q550D中厚板屈服强度≥530MPa，抗拉强度为670～830MPa，延伸率≥16%。
所述的Ar+CO2混合气体保护定位焊、Ar+CO2混合气体保护打底焊和Ar+CO2混合气体保护填充焊采用的焊丝是牌号为ER100S-G的实心焊丝。
所述的Ar+CO2混合气体中氩气的体积百分比为80%，焊接时Ar+CO2混合气体流量为15～25L/min。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明的焊接方法焊前不需要预热，根据防止冷裂纹所需的预热温度公式计算：
TO(℃)=1440PW-392，其中PW=PCM+[H]/60+R/400000，R=10000，计算可知，Q550D中厚板焊前不需要预热；本发明中也无需控制层间温度，焊后不需要进行热处理，根据后热的下限温度TP=455.5[Ceq]-111.4，计算可知，TP=86.56℃。由于Q550D中厚板焊接过程中，层间温度为150℃～180℃，焊后温度高于所需的后热温度，因此在节能降耗的同时大幅度地提高了生产效率；焊接V-N微合金化Q550D中厚板时，需要采用多层多道次焊接，并且严格控制焊接工艺参数。
V-N微合金化Q550D中厚板含碳量较低，重量百分数为0.06～0.12%，低碳的成分设计降低了碳当量，改善了可焊性。本发明通过采用较小的线能量进行定位焊（6.0~10.0KJ/cm）、打底焊（7.5~12.5KJ/cm），采用稍大的线能量进行填充焊（10~20KJ/cm），合理的调整焊接工艺参数，避免了粗晶热影响区内原奥氏体晶粒的过分长大，将粗晶区晶粒尺寸控制在25-30μm之间，组织较均匀，具有较好的低温冲击韧性和抗焊接冷裂纹能力。
V-N微合金化Q550D中厚板控轧控冷过程中，奥氏体内形变诱导析出的细小VN析出相为晶内针状铁素体的形核点，在中厚板心部变形量小、冷却速率低、奥氏体晶粒尺寸粗大的情况下，高强韧性针状铁素体的形成显著改善中厚板心部的强韧性。焊接接头的粗晶区紧邻熔池，因此最高峰值温度可达1350℃以上，粗晶区高温冷却过程中奥氏体内析出纳米尺度的VN，对于晶内铁素体的形核具有显著的促进作用，提高了针状铁素体的相变速率，且细化了针状铁素体板条。本发明的焊接方法能够有效避免焊接裂纹的产生；焊缝处的显微组织主要为针状铁素体及少量的先共析铁素体，熔合区包含粒状贝氏体、针状铁素体和多边形铁素体等组织，粗晶区的显微组织为粒状贝氏体、条状贝氏体、针状铁素体及少量的多边形铁素体的混合组织，细晶区由大量的多边形铁素体、珠光体及少量的渗碳体组成，混晶区为多边形铁素体、珠光体、少量粒状贝氏体；焊接接头平整光滑，外形美观，强度的韧性均满足使用要求；且本发明方法工艺简单易行，能耗低，生产效率高，容易实现工业化生产。
本发明通过合理的焊丝的选取，以及焊接参数的优化，开发出焊前不预热焊后不热处理的焊接工艺，利用V-N微合金钢中奥氏体内VN析出相促进针状铁素体形核的作用，改善焊接热影响区的强韧性能，该焊接工艺对V-N钢的推广应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1的焊接接头金相组织图；
图2为本发明实施例2的焊接接头金相组织图；
图3为本发明实施例3的焊接接头金相组织图；
图4为本发明实施例4的焊接接头金相组织图。
具体实施方式
本发明实施例中使用的焊机为Quinto GLC403 半自动气体保护焊焊机；焊丝为美国CARTER ER100S-G气体保护焊焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝成分按重量百分比含C 13%，Si0.6%，Mn 1.5%，Ni 0.95，Cr 0.3%，Mo 0.45%，余量为Fe和不可避免杂质，熔敷金属力学性能为：屈服强度≥610MPa，抗拉强度≥720MPa，延伸率≥22%，-40℃冲击功≥55J。
本发明实施例中观测金相组织的设备为LEICA-DMIRM 2500M多功能光学显微镜。
本发明实施例中V-N微合金化Q550D中厚板的厚度范围为20～30mm。
本发明实施例中测试拉伸性能参照GB/T 228-2002标准，采用的设备为CMT5105-SANS电子万能拉伸试验机。
本发明实施例中测试冲击性能参照ASTM E23-2007标准，采用的设备为InstronDynatup 9200系列落锤冲击试验机。
本发明实施例中所述的Ar+CO2混合气体中氩气的体积百分比为80%，Ar+CO2混合气体的流量为15~25L/min。
本发明实施例中定位焊的线能量在6.0～10.0KJ/cm之间，打底焊的线能量在7.5～12.5KJ/cm之间，填充焊时的线能量为10~20KJ/cm。
本发明实施例中获得的焊接接头的屈服强度≥578MPa。
本发明实施例中获得的焊接接头的延伸率≥16.5%。
实施例1
本实施例的V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法按照以下步骤进行：
（1）在待焊接V-N微合金化Q550D中厚板的接头处开双V形坡口，坡口角度30°，钝边1mm，组对间隙为1.5mm；待焊接板材厚度为20mm，屈服强度为651MPa，抗拉强度为733MPa，延伸率为18.0%；
（2）使用400CCR/R砂纸对坡口及两侧的待焊接中厚板表面进行打磨，去除氧化铁皮和铁锈；
（3）将待焊接中厚板四周用螺栓固定，然后进行Ar+CO2混合气体保护定位焊，定位焊的焊接电压为20V，焊接电流为180A，焊接速度为360mm/min，线能量=6.0KJ/cm；
（4）定位焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护打底焊，打底焊的焊接电压为21.8V，焊接电流为190A，焊接速度为330mm/min，线能量=7.5KJ/cm；
（5）打底焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护填充焊，填充焊的焊接电压为25V，焊接电流为200A，焊丝延伸出焊枪的长度为15mm，焊接速度为300 mm/min，线能量=10KJ/cm；
（6）填充焊结束后，将V-N微合金化Q550D中厚板直接空冷至室温，获得的Q550D中厚板的焊接接头屈服强度656MPa，抗拉强度为748MPa，断后延伸率18.5%，焊缝-20℃冲击功≥65J，焊缝-20℃冲击功≥80J；熔合区-20℃冲击功≥147J；粗晶区-20℃冲击功≥54J；细晶区-20℃冲击功≥110J，满足国标对Q550D中厚板低温冲击韧性的要求，其金相组织图如图1所示，从图1可以看出表面无裂纹。
实施例2
本实施例的V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法按照以下步骤进行：
（1）在待焊接V-N微合金化Q550D中厚板的接头处开双V形坡口，坡口角度35°，钝边2mm，组对间隙为2mm；待焊接板材厚度为20mm，屈服强度为651MPa，抗拉强度为733MPa，延伸率为18.0%；
（2）使用400CCR/R砂纸对坡口及两侧的待焊接中厚板表面进行打磨，去除氧化铁皮和铁锈；
（3）将待焊接中厚板四周用螺栓固定，然后进行Ar+CO2混合气体保护定位焊，定位焊的焊接电压为23.5V，焊接电流为196A，焊接速度为390mm/min，线能量=7.1KJ/cm；
（4）定位焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护打底焊，打底焊的焊接电压为25V，焊接电流为200A，焊接速度为360mm/min，线能量=8.3KJ/cm；
（5）打底焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护填充焊，填充焊的焊接电压为29.3V，焊接电流为250A，焊丝延伸出焊枪的长度为18mm，焊接速度为300 mm/min，线能量=13.3 KJ/cm；
（6）填充焊结束后，将V-N微合金化Q550D中厚板直接空冷至室温，获得的Q550D中厚板的焊接接头屈服强度675MPa，抗拉强度为765MPa，断后延伸率18.7%，焊缝-20℃冲击功≥88J；熔合区-20℃冲击功≥170J；粗晶区-20℃冲击功≥112J；细晶区-20℃冲击功≥126J，满足国标对Q550D中厚板低温冲击韧性的要求，其金相组织图如图2所示，从图2可以看出表面无裂纹。
实施例3
本实施例的V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法按照以下步骤进行：
（1）在待焊接V-N微合金化Q550D中厚板的接头处开双V形坡口，坡口角度40°，钝边2mm，组对间隙为2mm；待焊接板材厚度为30mm，屈服强度为625MPa，抗拉强度为724MPa，延伸率为20.0%；
（2）使用400CCR/R砂纸对坡口及两侧的待焊接中厚板表面进行打磨，去除氧化铁皮和铁锈；
（3）将待焊接中厚板四周用螺栓固定，然后进行Ar+CO2混合气体保护定位焊，定位焊的焊接电压为24V，焊接电流为200A，焊接速度为330mm/min，线能量=8.7KJ/cm；
（4）定位焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护打底焊，打底焊的焊接电压为25V，焊接电流为230A，焊接速度为360mm/min，线能量=9.6KJ/cm；
（5）打底焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护填充焊，填充焊的焊接电压为30V，焊接电流为250A，焊丝延伸出焊枪的长度为18mm，焊接速度为300 mm/min，线能量=15.0 KJ/cm；
（6）填充焊结束后，将V-N微合金化Q550D中厚板直接空冷至室温，获得的Q550D中厚板的焊接接头屈服强度690MPa，抗拉强度763MPa，断后延伸率16.5%，焊缝-20℃冲击功≥82J；熔合区-20℃冲击功≥106J；粗晶区-20℃冲击功≥150J；细晶区-20℃冲击功≥102J，满足国对Q550D中厚板低温冲击韧性的要求，其金相组织图如图3所示，从图3可以看出表面无裂纹。
实施例4
本实施例的V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法按照以下步骤进行：
（1）在待焊接V-N微合金化Q550D中厚板的接头处开双V形坡口，坡口角度35°，钝边2mm，组对间隙为2mm；待焊接板材厚度为30mm，屈服强度为625MPa，抗拉强度为724MPa，延伸率为20.0%；
（2）使用400CCR/R砂纸对坡口及两侧的待焊接中厚板表面进行打磨，去除氧化铁皮和铁锈；
（3）将待焊接中厚板四周用螺栓固定，然后进行Ar+CO2混合气体保护定位焊，定位焊的焊接电压为25V，焊接电流为200A，焊接速度为300mm/min，线能量=10KJ/cm；
（4）定位焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护打底焊，打底焊的焊接电压为30V，焊接电流为250A，焊接速度为360mm/min，线能量=12.5KJ/cm；
（5）打底焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护填充焊，填充焊的焊接电压为30V，焊接电流为250A，焊丝延伸出焊枪的长度为25mm，焊接速度为310 mm/min，线能量=20KJ/cm；
（6）填充焊结束后，将V-N微合金化Q550D中厚板直接空冷至室温，获得的Q550D中厚板的焊接接头屈服强度578MPa，抗拉强度660MPa，断后延伸率20%，焊缝-20℃冲击功≥65J；熔合区-20℃冲击功≥66J；粗晶区-20℃冲击功≥130J；细晶区-20℃冲击功≥82J，满足国标对Q550D中厚板低温冲击韧性的要求，其金相组织图如图4所示，从图4可以看出表面无裂纹。

Claims (3)

1.一种V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法，其特征在于按照以下步骤进行：
(1)在待焊接V-N微合金化Q550D中厚板的接头处开双V形坡口，坡口角度30°～40°，钝边1～2mm，组对间隙为1.5mm～2.0mm；所述的V-N微合金化Q550D中厚板屈服强度625～651MPa，抗拉强度为724～733MPa，延伸率18～20％；
(2)使用400CCR/R砂纸对坡口及两侧的待焊接中厚板表面进行打磨，去除氧化铁皮和铁锈；
(3)将待焊接中厚板四周用螺栓固定，然后进行Ar+CO2混合气体保护定位焊，定位焊的焊接电压为20～25V，焊接电流为180～200A，焊接速度为300～390mm/min，线能量6～10KJ/cm；
(4)定位焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护打底焊，打底焊的焊接电压为21.8～30V，焊接电流为190～250A，焊接速度为330～360mm/min，线能量7.5～12.5KJ/cm；
(5)打底焊结束后直接进行Ar+CO2混合气体保护填充焊，填充焊的焊接电压为25～34.5V，焊接电流为200～300A，焊丝干伸长15～25mm，焊接速度为300～330mm/min，线能量10～20KJ/cm；
(6)填充焊结束后，将V-N微合金化Q550D中厚板直接空冷至室温，获得的Q550D中厚板的焊接接头屈服强度≥578MPa，抗拉强度为660～765MPa，延伸率≥16.5％，焊缝-20℃冲击功≥65J。
2.根据权利要求1所述的一种V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法，其特征在于所述的Ar+CO2混合气体保护定位焊、Ar+CO2混合气体保护打底焊和Ar+CO2混合气体保护填充焊采用的焊丝是牌号为ER100S-G的实心焊丝。
3.根据权利要求1所述的一种V-N微合金化Q550D中厚板焊前不预热焊后不热处理的焊接方法，其特征在于所述的Ar+CO2混合气体中氩气的体积百分比为80％，焊接时Ar+CO2混合气体流量为15～25L/min。
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