CN109014513A - 一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法 - Google Patents

一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，对厚度规格大于50mm的钢板进行双丝埋弧焊焊接，且焊前不预热和焊后不进行热处理，双丝埋弧焊总焊接线能量控制在100±5kJ/cm，层间温度控制在100℃～150℃，焊接坡口形式为非对称X型。优点是：方法简单、易操作、并且高效节能，尤其适合于指导大型钢结构的建造施工；焊接接头质量优异，焊板变形量极小，有效地避免了焊接缺陷，控制了焊接变形，提高了焊接效率，降低了焊接操作强度。

Description

一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法
技术领域
本发明属于钢铁材料焊接领域，尤其涉及一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法。
背景技术
焊接技术是现代船舶建造中的关键工艺技术之一，在船体建造中焊接质量是评价造船质量的重要指标。焊接是大型建筑构件中最长的一个工序，不仅影响建造成本，而且直接决定了建造周期。因此，为了进一步提高焊接生产效率和降低结构建造成本，高强度特厚规格适合于大线能量焊接钢板需求量不断增大。按照IACS(International AssociationClassification of Societies)的有关规定，焊接线能量在50kJ/cm以上为大线能量焊接。随着焊接线能量的增加，焊接区的冷却速度下降，焊缝金属组织容易粗化，焊缝接头的韧性显著下降。同时，高强度厚规格钢板(厚度在50mm以上)焊接过程中易出现焊接冷裂纹和再热裂纹，焊接接头尤其是焊缝根部熔合线附近易出现夹渣等缺陷，特厚板焊接变形难控制，变形超限后难矫平。因此，开展高强度特厚规格钢板的大线能量焊接工艺研究，可以提升企业产品的综合竞争力，节省工序、提高效率和降低成本，并可以指导现场进行施工，在工艺设计和实际生产中架起桥梁。
目前，对于高强度厚规格的大线能量焊接工艺研究报道的较少。
专利申请号为201210393736.0的“一种80mm厚EH36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺”，该焊接工艺只适用于焊接线能量15～50kJ/cm，不能适用于大线能量焊接用船板钢船级社认证和现场施工。
专利申请号为201010568481.8的“一种高强度船体结构用钢平对接焊焊接工艺方法”，该焊接工艺只适用于30mm厚EH36船体结构钢，并且焊接线能量范围为31kJ/cm-39kJ/cm，同样不适用于大线能量焊接用厚规格船板钢的焊接。
专利申请号为201110125848.3的“一种低温海工用钢厚板埋弧焊焊接工艺”，该焊接工艺适用的钢板厚度≤100mm，焊接线能量≤50kJ/cm。也不适用于大线能量焊接用钢板的焊接。
专利申请号为201310282936.3的“屈服强度≥500MPa级桥梁钢大线能量埋弧焊接方法”提到该方法适用于屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥650MPa，板厚为32mm的基板，采用单丝埋弧焊，焊接线能量为45～55kJ/cm。该工艺适合的钢板厚度较小，焊接线能量也仅稍大于50kJ/cm。
专利申请号为201210233134.9的“一种特厚高强桥梁钢板焊接方法”提到该方法适用于屈服强度≥370MPa，抗拉强度≥510MPa，板厚为100～150mm的桥梁钢板进行同厚度平对接焊，双丝埋弧焊焊接热输入控制在40～50kJ/cm。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，适用于对大线能量焊接用高强度特厚钢板同厚度对接焊，尤其是厚度规格大于50mm的钢板，采用现场焊接施工的双丝埋弧焊焊接工艺，且焊前不预热和焊后不进行热处理，解决埋弧焊工艺与钢板的匹配问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，对厚度规格大于50mm的钢板进行双丝埋弧焊焊接，且焊前不预热和焊后不进行热处理，双丝埋弧焊总焊接线能量控制在100±5kJ/cm，层间温度控制在100℃～150℃，焊接坡口形式为非对称X型，具体包括以下步骤：
1)采用屈服强度Reh≥355MPa，抗拉强度Rm为490～650MPa，延伸率A≥20％，-40℃冲击功Kv2≥55J，厚度为60～100mm的等厚高强度钢板进行平对接焊；
2)坡口形式为非对称X型坡口，先焊面坡口角度为70±5°，熔深为板厚25％-35％；后焊面坡口角度为60±5°，熔深为板厚65％-75％,钝边为3～5mm，预留装配间隙控制在2～4mm；
3)埋弧焊丝和焊剂配合使用，熔敷金属性能为屈服强度≥500MPa，抗拉强度为600～670MPa，延伸率20～25％，-40℃冲击功100J以上；
4)焊接前，采用机械处理的方法将坡口表面清理露出金属光泽，去除钢板油污和铁锈；在焊缝两端焊接引弧板和熄弧板，其材质与被焊板相同，其厚度比钝边大12-17mm；施焊前将焊剂填充满背面坡口，防止熔融金属从间隙流出，并帮助焊缝成形；
5)双丝埋弧焊焊接工艺参数：采用两丝同时共熔池焊接，前丝焊枪垂直，后丝焊枪与垂直方向呈10°～20°倾角，两丝之间的距离为20～60mm；前丝直流反接，前丝焊接电流700～900A，前丝焊接电压30～35V；后丝交流，后丝焊接电流550～800A，焊接电压32～37V，焊接速度25～30cm/min，两丝焊接线能量均控制在47～55kJ/cm，前丝焊接线能量大于后丝焊接线能量，两丝焊接线能量叠加之和控制在100～110kJ/cm；焊接层间温度控制在100～150℃；
6)采用多层多道焊，从先焊面开始焊接，焊接过程中应时刻注意焊板是否发生变形，如变形角度超过5°，应立即翻板，采用碳弧气刨和角磨机进行清根处理，所述的变形角度是焊板与工作台之间的角度；开始焊接后焊面，后焊面填充量比先焊面多，因此当焊接后焊面时，将焊接先焊面产生的变形矫正后，应立即翻板焊接后焊面；如先焊面焊接时再产生变形，仍按照上述要求翻板焊接，直至先焊面焊满，再将后焊面焊满；焊接余高控制在1～3mm。
所述的埋弧焊丝的化学成分重量百分比为：
C：0.06％～0.10％、Si：0～0.10％、Mn：1.20％～2.0％、Ni：0.20％～1.20％、Ti：0.03％～0.10％、B：0.005％～0.010％、S≤0.010％、P≤0.020％、余量为Fe和不可避免的杂质。
Ti元素与B元素的比值是7.0～10.0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明方法简单、易操作、并且高效节能，尤其适合于指导大型钢结构的建造施工。采用焊前不预热，焊后不进行热处理的焊接方法，通过焊接坡口、焊接材料的优化选择，焊接工艺参数的合理化设计，钢板焊接变形控制等，进一步改善高强度特厚规格钢板大线能量焊接接头质量，提高焊接接头的性能。
2、采用本发明的焊接方法，焊接接头质量优异，焊板变形量极小，有效地避免了焊接缺陷，控制了焊接变形，提高了焊接效率，降低了焊接操作强度。
3、采用本发明的双丝埋弧焊接方法进行的特厚钢板等厚度平板对接焊焊接接头性能优异，-40℃条件下焊缝韧性在150J以上，焊接热影响区韧性能够达到200J以上。满足桥梁、船舶等结构建设的需要。
附图说明
图1是本发明的焊接坡口示意图。
图2是焊枪摆放位置示意图。
图中：1-后焊面 2-先焊面 3-前丝焊枪 4-后丝焊枪。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
实施例1：
大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，包括以下步骤：
1)基板采用60mm厚Q420，屈服强度Reh＝475MPa，抗拉强度Rm＝605MPa，延伸率为25％，-40℃平均冲击功为253J，焊接试板尺寸为600mm×380mm×60mm。
2)见图1，坡口型式为非对称X型，先焊面2坡口角度为71°，先焊面2熔深17mm；后焊面1坡口角度为60°，后焊面1熔深为40mm；钝边为3mm，预留装配间隙3mm。
3)选用的的适用于大线能量焊接用埋弧焊丝，该埋弧焊丝的化学成分按重量百分比：C：0.063％、Si：0.07％、Mn：1.52％、Ni：0.43％、Ti：0.065％、B：0.0082％、S：0.0055％、P：0.016％、余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ti与B元素的比例为7.9。焊剂为普通SJ101，烘干350℃保温2小时。熔敷金属性能为屈服强度512MPa，抗拉强度为632MPa，延伸率22％，-40℃平均冲击功达156J以上。
4)焊接前，用角磨机去除钢板油污和铁锈并露出金属光泽，在焊缝两端焊接厚度为18mm的引弧板和熄弧板。见图2，焊接工艺参数：前丝焊枪3垂直，后丝焊枪4与垂直方向呈15°倾角，两丝之间的距离为40mm；前丝直流反接，焊接电流为720A，焊接电压为31V；后丝交流，焊接电流为650A，焊接电压为34V；焊接速度为26cm/min；前丝焊接线能量为51.5kJ/cm，后丝焊接线能量为51kJ/cm，两丝焊接线能量叠加为102.5kJ/cm；层间温度控制在120～140℃之间。焊接过程中共翻板3次，焊后先焊面2变形角度为1°。
实施例2：
大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，包括以下步骤：
1)基板采用100mm厚EH40船板，屈服强度Reh＝427MPa，抗拉强度541MPa，延伸率24％，-40℃平均冲击功为313J。焊接试板尺寸为600mm×380mm×100mm。
2)见图1坡口型式为非对称X型；先焊面2坡口角度为73°，先焊面2熔深28mm；后焊面1坡口角度为58°，后焊面1熔深为68mm；钝边4mm，预留装配间隙4mm。
3)选用的的适用于大线能量焊接用埋弧焊丝的化学成分(按重量百分比％)：C：0.083％、Si：0.02％、Mn：1.47％、Ni：0.53％、Ti：0.082％、B：0.0090％、S：0.0040％、P：0.014％、余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ti与B元素的比例为9.1。焊剂为普通SJ101，烘干350℃保温2小时。熔敷金属性能为屈服强度527MPa，抗拉强度为654MPa，延伸率21.5％，-40℃平均冲击功达179J。
4)焊接前，用角磨机去除钢板油污和铁锈并露出金属光泽，在焊缝两端焊接厚度为16mm的引弧板和熄弧板。见图2，焊接工艺参数：前丝焊枪3垂直，后丝焊枪4与垂直方向呈13°倾角，两丝之间的距离为51mm；前丝直流反接，焊接电流为820A，焊接电压为31V；后丝交流，焊接电流为750A，焊接电压为33V；焊接速度为30cm/min；前丝焊接线能量为50.8kJ/cm，后丝焊接线能量为49.5kJ/cm，两丝焊接线能量叠加为100.3kJ/cm；层间温度控制在100～130℃之间。焊接过程中共翻板2次，焊后无变形。
实施例3：
大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，包括以下步骤：
1)基板采用80mm厚EH36船板，屈服强度384MPa，抗拉强度496MPa，延伸率23.5％，-40℃平均冲击功为331J。焊接试板尺寸为600mm×380mm×80mm。
2)见图1坡口型式为非对称X型；先焊面2坡口角度为68°，先焊面2熔深22mm；后焊面1坡口角度为62°，后焊面1熔深为53mm；钝边5mm，预留装配间隙4mm。
3)选用的的适用于大线能量焊接用埋弧焊丝的化学成分(按重量百分比％)：C：0.092％、Si：0.05％、Mn：1.74％、Ni：0.28％、Ti：0.058％、B：0.0077％、S：0.0048％、P：0.017％、余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ti与B元素的比例为7.5。焊剂为普通SJ101，烘干350℃保温2小时。熔敷金属性能为屈服强度548MPa，抗拉强度为660MPa，延伸率20.5％，-40℃平均冲击功达145J。
4)焊接前，用角磨机去除钢板油污和铁锈并露出金属光泽，在焊缝两端焊接厚度为20mm的引弧板和熄弧板。见图2，焊接工艺参数：前丝焊枪3垂直，后丝焊枪4与垂直方向呈19°倾角，两丝之间的距离为36mm；前丝直流反接，焊接电流为860A，焊接电压为30V；后丝交流，焊接电流为620A，焊接电压为35V；焊接速度为28cm/min；前丝焊接线能量为55.3kJ/cm，后丝焊接线能量为46.5kJ/cm，两丝焊接线能量叠加为101.8kJ/cm；层间温度控制在140～150℃之间。焊接过程中共翻板2次，焊后无变形。
实施例4：
大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，包括以下步骤：
1)基板采用90mmEH40船板，屈服强度405MPa，抗拉强度520MPa，延伸率24.0％，-40℃平均冲击功301J。焊接试板尺寸为600mm×380mm×90mm。坡口型式为非对称X型；先焊面2坡口角度为66°，先焊面2熔深26mm，后焊面1坡口角度为62°；后焊面1熔深为61mm；钝边3mm，预留装配间隙3mm。
3)选用的的适用于大线能量焊接用埋弧焊丝的化学成分(按重量百分比％)：C：0.064％、Si：0.033％、Mn：1.64％、Ni：0.48％、Ti：0.069％、B：0.0081％、S：0.0048％、P：0.017％、余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ti与B元素的比例为8.5。焊剂为普通SJ101，烘干350℃保温2小时。熔敷金属性能为屈服强度515MPa，抗拉强度为634MPa，延伸率22.5％，-40℃平均冲击功达153J。
4)焊接前，用角磨机去除钢板油污和铁锈并露出金属光泽，在焊缝两端焊接厚度为17mm的引弧板和熄弧板。见图2，焊接工艺参数：前丝焊枪3垂直，后丝焊枪4与垂直方向呈12°倾角，两丝之间的距离为48mm；前丝直流反接，焊接电流为850A，焊接电压为31V；后丝交流，焊接电流为640A，焊接电压为35V；焊接速度为29cm/min；前丝焊接线能量为54.5kJ/cm，后丝焊接线能量为46.3kJ/cm，两丝焊接线能量叠加为100.8kJ/cm；层间温度控制在130～140℃之间。焊接过程中共翻板2次，焊后先焊面2变形角度为2°。
实施例5：
大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，包括以下步骤：
1)基板采用100mm厚EH40船板，屈服强度Reh为427MPa，抗拉强度541MPa，延伸率24％，-40℃平均冲击功为313J。焊接试板尺寸为600mm×380mm×100mm。
2)见图1坡口型式为非对称X型；先焊面2坡口角度为73°，先焊面2熔深28mm；后焊面1坡口角度为58°，后焊面1熔深为68mm；钝边4mm，预留装配间隙4mm。
3)选用的的适用于大线能量焊接用埋弧焊丝的化学成分(按重量百分比％)：C：0.073％、Si：0.04％、Mn：1.67％、Ni：0.43％、Ti：0.072％、B：0.0092％、S：0.0035％、P：0.015％、余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ti与B元素的比例为7.8。焊剂为普通SJ101，烘干350℃保温2小时。熔敷金属性能为屈服强度534MPa，抗拉强度为642MPa，延伸率21.5％，-40℃平均冲击功达182J。
4)焊接前，用角磨机去除钢板油污和铁锈并露出金属光泽，在焊缝两端焊接厚度为16mm的引弧板和熄弧板。见图2，焊接工艺参数：前丝焊枪3垂直，后丝焊枪4与垂直方向呈13°倾角，两丝之间的距离为51mm；前丝直流反接，焊接电流为820A，焊接电压为31V；后丝交流，焊接电流为750A，焊接电压为33V；焊接速度为30cm/min；前丝焊接线能量为50.8kJ/cm，后丝焊接线能量为49.5kJ/cm，两丝焊接线能量叠加为100.3kJ/cm；层间温度控制在120～130℃之间。采用多层多道焊，从先焊面2开始焊接，焊接过程中共翻板2次，焊后无变形。
实施例6：
大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，包括以下步骤：
1)基板采用80mm厚EH36船板，屈服强度Reh＝384MPa，抗拉强度496MPa，延伸率23.5％，-40℃平均冲击功为331J。焊接试板尺寸为600mm×380mm×80mm。
2)见图1坡口型式为非对称X型；先焊面2坡口角度为68°，先焊面2熔深22mm；后焊面1坡口角度为62°，后焊面1熔深为53mm；钝边5mm，预留装配间隙4mm。
3)选用的的适用于大线能量焊接用埋弧焊丝的化学成分(按重量百分比％)：C：0.072％、Si：0.04％、Mn：1.64％、Ni：0.45％、Ti：0.078％、B：0.0085％、S：0.0048％、P：0.017％、余量为Fe和不可避免的杂质，其中Ti与B元素的比例为9.2。焊剂为普通SJ101，烘干350℃保温2小时。熔敷金属性能为屈服强度525MPa，抗拉强度为638MPa，延伸率21.5％，-40℃平均冲击功达164J。
3)焊接前，用角磨机去除钢板油污和铁锈并露出金属光泽，在焊缝两端焊接厚度为20mm的引弧板和熄弧板。见图2，焊接工艺参数：前丝焊枪3垂直，后丝焊枪4与垂直方向呈19°倾角，两丝之间的距离为36mm；前丝直流反接，焊接电流为860A，焊接电压为30V；后丝交流，焊接电流为620A，焊接电压为35V；焊接速度为28cm/min；前丝焊接线能量为55.3kJ/cm，后丝焊接线能量为46.5kJ/cm，两丝焊接线能量叠加为101.8kJ/cm；层间温度控制在140～150℃之间。采用多层多道焊，从先焊面2开始焊接，焊接过程中共翻板2次，焊后无变形。
上述实施例中的焊接接头进行探伤和性能检验。经探伤，对接焊板焊接接头质量优异，无焊接缺陷。焊接接头和弯曲均取样2件，焊接接头抗拉强度和弯曲结果见表1，焊接接头冲击性能见表2。
表1焊接接头抗拉强度和弯曲结果
表2焊接接头冲击检验结果
上述实施例的检验结果说明，采用本发明专利焊接的焊接接头具有优良的焊接质量，焊接接头性能优异。该方法设计简单，成本较低，并且高效节能，可以应用于船舶、桥梁和建筑等行业的大型焊接结构件的生产和制造。

Claims (3)

1.一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，其特征在于，对厚度规格大于50mm的钢板进行双丝埋弧焊焊接，且焊前不预热和焊后不进行热处理，双丝埋弧焊总焊接线能量控制在100±5kJ/cm，层间温度控制在100℃～150℃，焊接坡口形式为非对称X型，具体包括以下步骤：
1)采用屈服强度Reh≥355MPa，抗拉强度Rm为490～650MPa，延伸率A≥20％，-40℃冲击功Kv2≥55J，厚度为60～100mm的等厚高强度钢板进行平对接焊；
2)坡口形式为非对称X型坡口，先焊面坡口角度为70±5°，熔深为板厚25％-35％；后焊面坡口角度为60±5°，熔深为板厚65％-75％,钝边为3～5mm，预留装配间隙控制在2～4mm；
3)埋弧焊丝和焊剂配合使用，熔敷金属性能为屈服强度≥500MPa，抗拉强度为600～670MPa，延伸率20～25％，-40℃冲击功100J以上；
4)焊接前，采用机械处理的方法将坡口表面清理露出金属光泽，去除钢板油污和铁锈；在焊缝两端焊接引弧板和熄弧板，其材质与被焊板相同，其厚度比钝边大12-17mm；施焊前将焊剂填充满背面坡口，防止熔融金属从间隙流出，并帮助焊缝成形；
5)双丝埋弧焊焊接工艺参数：采用两丝同时共熔池焊接，前丝焊枪垂直，后丝焊枪与垂直方向呈10°～20°倾角，两丝之间的距离为20～60mm；前丝直流反接，前丝焊接电流700～900A，前丝焊接电压30～35V；后丝交流，后丝焊接电流550～800A，焊接电压32～37V，焊接速度25～30cm/min，两丝焊接线能量均控制在47～55kJ/cm，前丝焊接线能量大于后丝焊接线能量，两丝焊接线能量叠加之和控制在100～110kJ/cm；焊接层间温度控制在100～150℃；
6)采用多层多道焊，从先焊面开始焊接，焊接过程中应时刻注意焊板是否发生变形，如变形角度超过5°，应立即翻板，采用碳弧气刨和角磨机进行清根处理，所述的变形角度是焊板与工作台之间的角度；开始焊接后焊面，后焊面填充量比先焊面多，因此当焊接后焊面时，将焊接先焊面产生的变形矫正后，应立即翻板焊接后焊面；如先焊面焊接时再产生变形，仍按照上述要求翻板焊接，直至先焊面焊满，再将后焊面焊满；焊接余高控制在1～3mm。
2.根据权利要求1所述的一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，其特征在于，所述的埋弧焊丝的化学成分重量百分比为：
C：0.06％～0.10％、Si：0～0.10％、Mn：1.20％～2.0％、Ni：0.20％～1.20％、Ti：0.03％～0.10％、B：0.005％～0.010％、S≤0.010％、P≤0.020％、余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法，其特征在于，Ti元素与B元素的比值是7.0～10.0。
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