CN106334860A - F690级别钢板的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种F690级别钢板的焊接工艺,采用F690级别厚度为50mm~100mm的钢板,采用K型坡口,并匹配焊丝及焊剂以进行埋弧焊;所述焊接工艺包括步骤:对坡口的第一面焊接至第一预定位置;翻面从坡口的第二面进行碳刨打磨后,对坡口第二面焊接至第二预定位置处;翻面完成坡口第一面的焊接,再翻面完成坡口第二面的焊接;焊接完成进行后热处理;其中,焊接过程采用埋弧焊。利用本发明焊接工艺对50~100mm厚度F690级别超高强度海洋工程用钢板进行焊接,所得到的焊接接头在低温条件下强度和韧性均优良,既可以满足拉伸、冲击、硬度等一般机械性能要求;又可以满足-20℃条件下,CTOD实验值不小于0.15mm的要求。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程建造领域,特别涉及一种F690级别钢板的焊接工艺。
背景技术
海洋油气的开采正在由陆地走向海洋,由浅海走向深海。随着开采难度的增加,各种海洋工程结构在设计时逐渐向更低的设计温度及大型化发展以适应更加恶劣的工作环境及更大的钻井深度。这种趋势直接导致了海洋工程结构在建造时不得不使用大量的超高强度、良好低温韧性及大厚度的钢板来满足设计需要的温度、强度、刚度和稳定性要求,其中有一些钢板甚至超出了海洋工程相关规范的上限。大规模低韧性、超高强、大厚度钢的使用无疑对焊接工艺提出了更加苛刻的要求。
海工行业为新世纪我国重点发展的行业之一。开发超高强、良好低温韧性及大厚度的海工用钢板的焊接工艺对提高我国海工行业建造能力、提升我国在世界范围内的竞争力和影响力具有十分重要的意义。
F690级别海工用钢板最低屈服强度为690MPa,抗拉强度为770MPa,在-60℃条件下纵向冲击最低值为69J,横向冲击最低值为46J。根据船级社规范要求,焊接接头的强度不应低于母材,且冲击功应满足-60℃条件下最低46J。另外对于100mm厚的F690级别钢板更是超过了挪威船级社规范在-20℃的设计温度下对特殊区域要求的最高80mm厚度的上限,因此除普通焊接工艺评定实验要求的实现项目外,必须增加CTOD实验(裂纹尖端位移张开实验)来证明焊接接头具有良好的韧性。经调查世界范围内尚没有100mm厚F690级别钢板在-20℃条件下CTOD实验的成功经验借鉴,国内外具有CTOD实验经验的知名实验室及钢板生产厂商评估后均认为此种超高强度、大厚度、超低温的实验几乎不可能成功,法国INDUSTEEL钢厂进行了同样条件下的实验,结果为最终CTOD实验值不满足规范要求,以失败告终。
发明内容
本发明的目的在于提供一种F690级别钢板的焊接工艺,解决现有技术中低温环境超高强度大厚度钢板焊接接头无法满足强度、韧性要求的问题。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:一种F690级别钢板的焊接工艺,采用F690级别厚度为50mm~100mm的钢板,采用K型坡口,并匹配焊丝及焊剂以进行埋弧焊;所述焊接工艺包括步骤:对坡口的第一面焊接至第一预定位置;翻面从坡口的第二面进行碳刨打磨后,对坡口第二面焊接至第二预定位置处;翻面完成坡口第一面的焊接,再翻面完成坡口第二面的焊接;焊接完成进行后热处理;其中,焊接过程采用埋弧焊。
优选地,所述第一预定位置为所述坡口第一面厚度的1/3~1/2处,所述第二预定位置为所述坡口第二面厚度的2/3处。
优选地,焊接过程热输入为10~25KJ/cm。
优选地,焊接过程中打底焊层的工艺参数为:焊接电流480~530A,焊接电压25~29V,焊接速度46~55cm/min,热输入14~20KJ/cm;填充焊层的焊接工艺参数为:焊接电流470~550A,焊接电压25~32V,焊接速度38~55cm/min,热输入13~23KJ/cm;盖面焊层的焊接工艺参数为:焊接电流470~530A,焊接电压25~30V,焊接速度45~60cm/min,热输入13~20KJ/cm。
优选地,所述后热处理的处理温度为200℃~280℃,处理时间为2h。
优选地,所述钢板在焊接前进行预热,预热温度不低于110℃;焊接过程中,层间温度不低于预热温度且不高于190℃。
优选地,所述钢板在-60℃的冲击功不小于160J,所述焊丝在-60℃的冲击功不小于46J。
优选地,所述焊丝及焊剂为挪威船级社认证级别为VY69M的埋弧焊丝焊剂。
优选地,所述焊丝直径为3.2mm~4.0mm。
优选地,所述坡口的角度为35°~60°,钝边厚度为4mm~10mm,根部间隙为0~2mm。
由上述技术方案可知,本发明的优点和积极效果在于:本发明的焊接工艺采用合理的焊接顺序及后热处理可降低焊接造成的变形程度、降低焊接应力,保证扩散氢的溢出,避免裂纹产生。根据本发明的焊接工艺,能够保证焊缝无焊接缺陷、焊接接头拉伸强度不低于母材,弯曲性能优良,母材、热 影响区、焊缝中心的维氏硬度值不高于420及-60℃条件下夏比冲击值高于46J;尤其可以获得良好的抗断裂韧性的焊接接头,可以满足-20℃条件下,CTOD实验值不小于0.15mm的要求。利用本发明焊接工艺对50~100mm厚度F690级别超高强度海洋工程用钢板进行焊接,所得到的焊接接头在低温条件下强度和韧性均优良,既可以满足拉伸、冲击、硬度等一般机械性能要求;又可以满足-20℃条件下,CTOD实验值不小于0.15mm的要求。利用本发明的焊接工艺,经对厚度100mm的F690级别钢板焊接后进行实际试验验证,-20℃条件下CTOD实验满足规范要求,填补了船舶与海工行业这方面的空白,推动世界船舶与海工建造技术的发展,提升我国在行业内的知名度。
附图说明
图1是本发明焊接工艺所采用的K型坡口的示意图。
图2是本发明焊接工艺中焊接过程步骤流程示意图。
图3是本发明焊接工艺所得到的焊接接头宏观概貌示意图。
图4是按本发明焊接工艺焊接后进行硬度测试的示意图。
图5是按本发明焊接工艺焊接后进行CTOD实验的焊缝中心断口形貌示意图。
图6是按本发明焊接工艺焊接后进行CTOD实验的热影响区断口形貌示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化,其皆不脱离本发明的范围,且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用,而非用以限制本发明。
本发明提供一种F690级别钢板的焊接工艺,特别适合用于海洋工程中F690级别大厚度钢板的焊接。
该焊接工艺的母材采用F690级别厚度为50mm~100mm的钢板,这种F690级别钢板的力学性能如下表所示。
焊接材料选用合适的埋弧焊丝焊剂,较优地,可选用挪威船级社认证级别为VY69M的焊丝和焊剂。焊剂在300℃~350℃烘干,烘干时间2h~4h。
参阅图1,本发明的焊接工艺中采用K型坡口,坡口角度α为35°-60°,钝边厚度D1为4mm-10mm,根部间隙D2为0-2mm。
在正式焊接前,较优地对钢板进行预热,预热温度不低于110℃。焊接时对坡口处逐层焊接进行打底、填充直至盖面完成焊接,层间温度发挥的作用与预热温度相同,同样影响着焊缝最终的组织状态,层间温度不低于预热温度且不高于190℃。
参阅图2,本发明焊接工艺的步骤如下:
S10、对坡口的第一面焊接至第一预定位置;较优地,该第一预定位置为该面厚度的1/3~1/2处。
S20、翻面从坡口的第二面进行碳刨打磨后,对坡口第二面焊接至第二预定位置;较优地,该第二预定位置为坡口该面厚度的2/3处。碳刨温度不低于预热温度,碳刨及打磨时严禁伤及K型坡口直边一侧母材。
S30、翻面完成坡口第一面的焊接,再翻面完成坡口第二面的焊接。
S40、焊接完成进行后热处理。较优地,后热处理的处理温度为200℃~280℃,处理时间为2h。
其中,上述步骤S10~S30的焊接过程均采用埋弧焊。
本发明的焊接工艺采用合理的焊接顺序及后热处理可降低焊接造成的变形程度、降低焊接应力,保证扩散氢的溢出,避免裂纹产生。根据本发明的焊接工艺,能够保证焊缝无焊接缺陷、焊接接头拉伸强度不低于母材,弯曲性能优良,母材、热影响区、焊缝中心的维氏硬度值不高于420及-60℃条件下夏比冲击值高于46J;尤其可以获得良好的抗断裂韧性的焊接接头,可以满足-20℃条件下,CTOD实验值不小于0.15mm的要求。
上述焊接工艺中,较优地,钢板母材在-60℃的冲击功不小于160J,焊丝在-60℃的冲击功不小于46J。
焊丝直径的变化直接影响着焊接使用的工艺参数的变化,焊丝直径越大,意味着使用的电流、电压相应增大,同时也意味着焊缝中心和热影响区柱状晶和粗晶区尺寸的增加。经过综合考虑,较优地,焊丝直径为3.2mm~4.0mm, 例如可选3.2mm和4.0mm。
为保证获得优良的接头韧性,焊接参数的选择至关重要。小的热输入能获得较为细化的晶粒,细小的晶粒相可以增加裂纹扩展的阻力,即增加了材料的韧性。但是,这并不意味着热输入的无限降低,过低的热输入同样会产生不利的组织形态。本发明中经过对几个热输入范围的试验结果进行对比,确定最佳的热输入范围为10-25KJ/cm。
进一步地,焊接过程中还可对打底、填充和盖面焊层分别选择合适的焊接工艺参数,获得更优的焊缝组织形态。
为更好地理解本发明的上述技术方案,以下通过一具体应用例进行说明。
一、母材选择
母材选择法国INDUSTEEL公司提供的厚度为100mm的NVF690Z钢板,母材的实验性能如下表所示。
二、焊材选择
1、选择法国奥林康的Fluxcord 42/OP 121TTW埋弧焊丝/焊剂来进行本次试验。其熔敷金属性能如下表。
2、焊丝直径选择为3.2mm。
三、焊接工艺
1、焊接前对钢板进行预热,预热温度根据板厚、F690碳当量及接头拘束状态确定为110℃。焊接过程中打底后逐层填充最后盖面,层间温度不低于预热温度,且不高于190℃。
2、焊接坡口为K型坡口,坡口角度为45°,钝边大小为8mm,根部间隙为2mm。
3、焊接过程采用埋弧焊,焊接顺序为:正面坡口焊接打底并填充至该侧 坡口厚度的1/3~1/2处,将试板翻面进行背面碳刨及打磨,碳刨打磨完成后,将背面坡口焊接填充至该面坡口厚度的2/3处左右,然后翻面完成正面焊接,最后翻面完成背面焊接。焊接完成后,进行后热处理,处理温度为200℃-280℃,处理时间为2个小时。
其中,碳刨温度不低于预热温度。
由于钢板尺寸较大,整个焊接过程可能无法一次完成。如在进行了一部分焊接工作后需长时间停顿,需先进行后热处理。
4、焊接过程中打底、填充、盖面焊层各自的焊接电流、电压、速度、热输入等参数按下表选取。
四、实验性能
钢板完成焊接所得到的焊接接头宏观概貌参见图3。钢板焊接完成72小时后,进行磁粉探伤和超声波探伤,探伤合格则加工试样并进行力学性能实验和CTOD实验。
1、按照规范要求加工出尺寸为55mm*10mm*10mm的试样,在-60℃条件下横向冲击实验值如下表。
2、按图4所示,在完成焊接的钢板上沿Line1~3三条直线选取19个点,在10kg载荷下测各点的维氏硬度值。其中,Line2位于中间厚度处,Line1和Line3分别位于距钢板两表面1mm处。按从左至右的顺序,第1点至第3点位于直边母材的热影响区外,第4点至第8点位于直边母材的热影响区,第9点至第11点位于焊缝区,第12点至第16点位于斜边母材的热影响区,第17点至第19点位于斜边母材的热影响区外。
第1点至第10点的维氏硬度值如下表。
序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Line1 | 262 | 262 | 260 | 314 | 351 | 385 | 380 | 330 | 276 | 281 |
Line2 | 270 | 268 | 268 | 357 | 380 | 384 | 380 | 376 | 322 | 322 |
Line3 | 266 | 264 | 264 | 384 | 390 | 385 | 382 | 380 | 302 | 289 |
接上表,第11点至第19点的维氏硬度值如下表。
序号 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
Line1 | 279 | 363 | 370 | 366 | 348 | 351 | 262 | 262 | 268 |
Line2 | 317 | 342 | 333 | 339 | 330 | 330 | 270 | 270 | 270 |
Line3 | 283 | 394 | 384 | 366 | 351 | 264 | 260 | 260 | 264 |
3、按照规范要求选择两个拉伸试样进行拉伸实验。由于本发明的钢板厚度太大,将两个拉伸试样从厚度方向分为四个进行实验。拉伸实验结果如下表所示。
4、按照规范要求选择四个测弯试样进行拉伸实验。同样由于本发明的钢板厚度太大,将四个试样分为八个进行弯曲实验。实验结果如下表。
式样编号 | 弯曲式样类型 | 结果 |
B1 | 侧弯 | 通过 |
B2 | 侧弯 | 通过 |
[0071] [0071]
B3 | 侧弯 | 通过 |
B4 | 侧弯 | 通过 |
B5 | 侧弯 | 通过 |
B6 | 侧弯 | 通过 |
B7 | 侧弯 | 通过 |
B8 | 侧弯 | 通过 |
5、根据规范要求各选择三个试样分别对焊缝中心和热影响区进行-20℃温度下的CTOD实验,实验结果如下表所示。其中,焊缝中心断口形貌参见图5所示,热影响区断口形貌参见图6所示。
根据以上结果,本实施例的钢板焊接后既能满足焊接接头拉伸、冲击、硬度的一般机械性能要求,又可以满足-20℃条件下CTOD实验值不小于0.15mm的要求。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明,但应当理解,所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质,所以应当理解,上述实施方式不限于任何前述的细节,而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释,因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种F690级别钢板的焊接工艺,其特征在于:采用F690级别厚度为50mm~100mm的钢板,采用K型坡口,并匹配焊丝及焊剂以进行埋弧焊;
所述焊接工艺包括步骤:对坡口的第一面焊接至第一预定位置;翻面从坡口的第二面进行碳刨打磨后,对坡口第二面焊接至第二预定位置处;翻面完成坡口第一面的焊接,再翻面完成坡口第二面的焊接;焊接完成进行后热处理;其中,焊接过程采用埋弧焊。
2.根据权利要求1所述的焊接工艺,其特征在于,所述第一预定位置为所述坡口第一面厚度的1/3~1/2处,所述第二预定位置为所述坡口第二面厚度的2/3处。
3.根据权利要求1所述的焊接工艺,其特征在于,焊接过程热输入为10~25KJ/cm。
4.根据权利要求3所述的焊接工艺,其特征在于,焊接过程中打底焊层的工艺参数为:焊接电流480~530A,焊接电压25~29V,焊接速度46~55cm/min,热输入14~20KJ/cm;填充焊层的焊接工艺参数为:焊接电流470~550A,焊接电压25~32V,焊接速度38~55cm/min,热输入13~23KJ/cm;盖面焊层的焊接工艺参数为:焊接电流470~530A,焊接电压25~30V,焊接速度45~60cm/min,热输入13~20KJ/cm。
5.根据权利要求1所述的焊接工艺,其特征在于,所述后热处理的处理温度为200℃~280℃,处理时间为2h。
6.根据权利要求1所述的焊接工艺,其特征在于,所述钢板在焊接前进行预热,预热温度不低于110℃;焊接过程中,层间温度不低于预热温度且不高于190℃。
7.根据权利要求1所述的焊接工艺,其特征在于,所述钢板在-60℃的冲击功不小于160J,所述焊丝在-60℃的冲击功不小于46J。
8.根据权利要求7所述的焊接工艺,其特征在于,所述焊丝及焊剂为挪威船级社认证级别为VY69M的埋弧焊丝焊剂。
9.根据权利要求7所述的焊接工艺,其特征在于,所述焊丝直径为3.2mm~4.0mm。
10.根据权利要求1所述的焊接工艺,其特征在于,所述坡口的角度为35°~60°,钝边厚度为4mm~10mm,根部间隙为0~2mm。
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