CN107498148A - 一种提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高大型钢锭焊接接头力学性能的方法，通过对焊接接头进行镦粗，以细化钢锭焊接接头组织，从而提高其力学性能。本发明的优点：经过镦粗，焊接接头组织产生大量变形带，晶粒破碎，得到细化，同时在随后的调质热处理中焊接接头组织得到进一步细化。经镦粗和调质热处理后的焊接接头性能优良,屈服强度、抗拉强度、延伸率以及疲劳强度均高于母材。此外，本发明方法，操作过程简单，成本低，易实现工业化批量生产。

Description

一种提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法。
背景技术
大型锻件是重大装备中的关键基础件，但在生产过程中废品率高，生产难度大，且浪费能源，为了节省能源和防止钢锭冷裂，提高成品率，生产厂普遍采用热送钢锭，但是热送钢锭通常在加热和锻造时容易产生裂纹，极难控制和消除，质量稳定性差，经济损失十分严重。
目前，对于大型锻件在锻造中产生的裂纹缺陷可采用焊接方法进行修复。而焊接修复区必然会存在焊接缺陷，尤其是焊接热影响区在熔化焊时集中在焊接热循环的作用下，导致热影响区的组织分布不均匀。熔合区和过热区出现了严重的晶粒粗化，是整个焊接接头的薄弱地带，不能满足性能要求，因此研究改善焊接接头热影响区组织和性能的方法对于大型锻件的焊接修复尤为重要。
另外，目前使用焊接方法修复大锻件在锻造过程中出现的深裂纹缺陷还未见报道，限制其发展的主要问题是修复区的组织性能能否满足使用要求。鉴于这一现状，有必要深入研究提高大型锻件焊接接头热影响区力学性能的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法，针对大型锻件焊接修复区存在的焊接缺陷，提出在焊后采用镦粗方法，对焊接修复区进行大变形量的压缩变形，破碎焊接修复区热影响区的粗大晶粒，使焊接热影响区的晶粒细化，改善热影响区的力学性能，进而提高修复区的力学性能，提高大型钢锭焊接接头的力学性能。
具体技术方案是：
一种提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法，包括如下步骤：
(1)下料：用机械方法在圆柱形坯料1/2高度处沿圆形边缘开角度α＝40～42°的V型坡口，进行预热处理，当达到预热温度时进行焊接；
(2)加热：将焊接后的坯料在加热炉中加热到锻压温度1100～1250℃，保温2～3小时；
(3)镦粗成形：将加热后的坯料放于锻压机的下砧座，保证镦粗的两端面平整且与轴线垂直，进行镦粗成形；
(4)调质热处理：对上述镦粗成形后的坯料进行调质热处理。
所述步骤(1)所述的预热温度为250～300℃，预热方法为火焰加热。
所述步骤(1)所述的焊接条件如下：焊接电流280～300A，焊接电压30V，气体流量20～25L·min-1，焊接速度25～35cm·min-1，焊接线能量11～13KJ/cm，焊接过程中，控制层间温度为250℃，采用混合气体进行保护，保护气体为20％CO2+80％Ar。
所述步骤(3)所述的镦粗为单道次大变形镦粗。
所述步骤(3)所述的镦粗成形过程如下：采用2.5～4吨的锤击力，上锤头以1～1.3mm/s的速度进行缓慢镦粗，一次镦粗成形，待锻件变形量达到35～50％时，停止镦粗；锻压机参数如下：锤头和下砧座尺寸：1000×1000×100mm，锤头材质：65Mn，温度：室温，锤头硬度：58～60HRC，工件与上锤头的摩擦系数为：0.2。
所述步骤(4)所述的调质热处理工艺如下：淬火温度：850℃，保温时间：300min，淬火介质：机械油，回火温度：520℃，保温时间：120min，冷却方式：油冷。
本方法的优点是：
(1)本发明镦粗过程使钢锭焊接接头热影响区的粗大组织破碎，晶粒得到细化，热影响区力学性能得到改善。
(2)一次大变形镦粗过程使变形渗透到心部，充分破碎钢锭焊接接头热影响区的组织，细化晶粒。
(3)本发明在镦粗成形过程中，进行缓慢镦粗，一次镦粗成形，以使变形逐渐渗透到心部，减少不均匀变形，防止锻件心部和边部的组织、性能差异。
(4)组织的破碎和大量变形带的产生增加了随后调质热处理过程的形核率，从而进一步细化晶粒，使得锻造后的焊接接头性能优良：屈服强度、抗拉强度均高于母材，延伸率≥20％，焊接接头的热影响区疲劳强度和母材相比有所提高。
(5)本发明方法操作过程简单，易实现工业化批量生产。
附图说明
图1为焊接坡口位置及尺寸示意图；
图2为镦粗前40Cr焊接试样热影响区的金相组织形貌；
图3为镦粗后40Cr焊接试样热影响区的金相组织形貌；
图4为镦粗前45钢焊接试样热影响区的金相组织形貌；
图5为镦粗后45钢焊接试样热影响区的金相组织形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。
本发明实施例中试验钢锭直径Φ＝300mm，高h＝350mm。镦粗所用加热炉为高温箱式电阻炉，型号为RX4-85-13B。焊接接头锻造采用的锻压机型号为JKW-100B。焊接设备采用全数字化多功能焊机，型号为FroniusTPS4000。焊接采用的焊丝为CHW-55B2V焊丝，焊丝成分为0.08C，1.25Mn，0.65Si，1.25Cr，0.15Cu，0.26V，0.58Mo，0.010S，0.012P，屈服强度565MPa，抗拉强度660MPa，延伸率22％。焊接接头热处理采用的加热炉为高温箱式电阻炉，型号为RX4-85-13B。
实施例1
本实施例以40Cr钢锭为例，对本发明进行详细说明。
(1)下料
通过锻压机将圆形模铸坯料锻造成直径为Φ＝300mm高为350mm的坯料；图1为焊接坡口位置及尺寸示意图，如图所示，用机械方法在圆柱形坯料1/2高度处沿圆形边缘开角度α＝40°的V型坡口，用角磨机将焊接区附近的母材打磨，去除铁锈、油污，为焊接做准备；将开好坡口的40Cr钢锭，安装在卡具上，对其进行预热处理，预热温度为300℃，加热方法为火焰加热。当达到预热温度时，用焊接设备对其进行焊接，焊接时采用混合气体进行保护，保护气体为20％CO2+80％Ar。焊接过程中，焊接电流280～300A，焊接电压30V，气体流量20～25L·min-1，焊接速度25～35cm·min-1，焊接线能量11～13KJ/cm。焊接过程中，控制层间温度为250℃，直至完成焊接。将焊接完成的试件按DL/T868-2004《焊接工艺评定规程》对焊接接头进行外观检查。
(2)加热
将焊接后的坯料在加热炉中加热到锻压温度1250℃，保温2小时，使坯料温度均匀，防止镦粗时坯料变形不均匀。
(3)镦粗成形
将加热后的坯料放于锻压机的下砧座，保证镦粗的两端面要平整且与轴线垂直，否则可能会产生鐓歪现象。镦粗时采用4吨的锤击力，上锤头以1mm/s的速度进行缓慢镦粗，一次镦粗成形，以使变形逐渐渗透到心部，减少不均匀变形，待锻件变形量达到50％时，停止镦粗。锻压机参数如下：锤头和下砧座尺寸：1000×1000×100mm，锤头材质：65Mn，温度：室温，锤头硬度：58HRC，工件与上锤头的摩擦系数为：0.2。
(4)调质热处理
对镦粗后的件进行调质处理。调质工艺如下：淬火温度：850℃，保温时间：300min，淬火介质：机械油，回火温度：520℃，保温时间：120min，冷却方式：油冷。
实施例2
本实施例以45钢钢锭为例，对本发明进行详细说明。
(1)下料
将Φ300mm直径的45钢钢锭用机械方法在圆柱形坯料1/2高度处沿圆形边缘开角度α＝40°的V型坡口，用砂轮打磨母材表面和坡口表面的毛边、氧化薄膜层，磨后要使母材表面及坡口表面光滑、平整；将打磨机处理过的坡口用丙酮、蒸馏水清洗，去除污垢。将开好坡口的45钢钢锭，安装在卡具上，对其进行预热处理，预热温度为250℃，加热方式为氧乙炔焰，加热范围为坡口两侧50mm左右。当达到预热温度时，用焊接设备对其进行焊接，采用多层多道焊接。焊接时采用混合气体进行保护，保护气体为20％CO2+80％Ar。焊接过程中，焊接电流280～300A，焊接电压30V，气体流量20～25L·min-1，焊接速度29～37cm·min-1，焊接线能量11～13KJ/cm。焊接过程中，控制层间温度为250℃，直至完成焊接。将焊接完成的试件按DL/T868-2004《焊接工艺评定规程》对焊接接头进行外观检查。
(2)加热
将45钢放在加热炉中加热，加热温度设为1100℃，加热保温完成之后，将试件从炉中取出。
(3)镦粗成形
将加热后的坯料放到压力机工作台上，保证镦粗的两端面要平整且与轴线垂直。镦粗时采用2.5吨的锤击力，上锤头以1.3mm/s的速度进行缓慢镦粗，一次镦粗成形，以使变形逐渐渗透到心部，减少不均匀变形，待锻件变形量达到35％时，停止镦粗。锻压机参数：锤头和下砧座尺寸：1000×1000×100mm，锤头材质：65Mn，温度：室温，锤头硬度：58HRC，工件与上锤头的摩擦系数为：0.2。
(4)调质热处理工艺
将焊接结束后的钢锭放在设定温度为840℃电阻炉中，保温时间设定为300min，完成之后对其进行淬火，淬火介质为水，冷却至室温。然后，再对其进行高温回火处理，回火温度为600℃，保温时间为2小时，水冷至室温。随后测定焊接接头经镦粗和调质热处理后的拉伸性能、疲劳性能及硬度值。
经检测，焊接接头热影响区的屈服强度为281MPa，抗拉强度600MPa，延伸率为23％，断裂位置在焊缝。焊接接头疲劳寿命在2.0×106循环次数下的疲劳强度为518.8MPa；焊接接头各区域硬度值分别为：母材290HV，热影响区270HV，焊缝160HV。
通过莱卡DMIRM 2500M金相显微镜观测金相组织，结果如图所示：
图2为镦粗前40Cr焊接试样热影响区的金相组织形貌，图3为镦粗后40Cr焊接试样热影响区的金相组织形貌。组织主要为铁素体和珠光体，镦粗过程使组织发生严重变形，晶粒破碎，得到细化，同时为随后的热处理增加了大量形核质点。
图4为镦粗前45钢焊接试样热影响区的金相组织形貌，图5为镦粗后45钢焊接试样热影响区的金相组织形貌。组织同样为铁素体和珠光体组织，镦粗过程使组织发生严重变形，晶粒破碎，得到细化，组织均匀性提高，同时为随后的热处理增加了大量形核质点。

Claims (6)

1.一种提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)下料：用机械方法在圆柱形坯料1/2高度处沿圆形边缘开角度α＝40～42°的V型坡口，进行预热处理，当达到预热温度时进行焊接；
(2)加热：将焊接后的坯料在加热炉中加热到锻压温度1100～1250℃，保温2～3小时；
(3)镦粗成形：将加热后的坯料放于锻压机的下砧座，保证镦粗的两端面平整且与轴线垂直，进行镦粗成形；
(4)调质热处理：对上述镦粗成形后的坯料进行调质热处理。
2.根据权利要求1所述的提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法，其特征在于：所述步骤(1)所述的预热温度为250～300℃，预热方法为火焰加热。
3.根据权利要求1所述的提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法，其特征在于：所述步骤(1)所述的焊接条件如下：焊接电流280～300A，焊接电压30V，气体流量20～25L·min-1，焊接速度25～35cm·min-1，焊接线能量11～13KJ/cm，焊接过程中，控制层间温度为250℃，采用混合气体进行保护，保护气体为20％CO2+80％Ar。
4.根据权利要求1所述的提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法，其特征在于：所述步骤(3)所述的镦粗为单道次大变形镦粗。
5.根据权利要求1所述的提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法，其特征在于：所述步骤(3)所述的镦粗成形过程如下：采用2.5～4吨的锤击力，上锤头以1～1.3mm/s的速度进行缓慢镦粗，一次镦粗成形，待锻件变形量达到35～50％时，停止镦粗；锻压机参数如下：锤头和下砧座尺寸：1000×1000×100mm，锤头材质：65Mn，温度：室温，锤头硬度：58～60HRC，工件与上锤头的摩擦系数为：0.2。
6.根据权利要求1所述的提高大型钢锭焊接接头热影响区力学性能的方法，其特征在于：所述步骤(4)所述的调质热处理工艺如下：淬火温度：840～850℃，保温时间：300min，淬火介质：机械油或水，回火温度：520～600℃，保温时间：120min，冷却方式：油冷或水冷。
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