CN109128447A - 止裂钢焊接接头制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种止裂钢焊接接头制备方法,通过试验确定热影响区晶粒尺寸100微米对应热输入量值X;硬度HV400对应的热输入量为Y值,则焊接热输入量范围是Y‑X;选用含有Mn 0.3‑3.5%,Cr 0.1‑2.0%,Ni 0.1‑2.0%,Mo 0.1‑2.0%,B 0.002‑0.03%的焊材;预热温度=500×(CEV‑0.25)+0.5×T(钢板厚度);当碳当量>0.45时,需要焊后热处理,250‑400℃保温1小时,然后缓冷至室温;焊接接头的焊缝金属中S+P≤0.02%,N≤0.005%,O≤0.035%,该方法适用于船板、桥梁等领域止裂钢焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢板焊接及焊接接头制备,属于焊接技术领域,特别是涉及具备止裂性能的钢板的焊接接头制备。
背景技术
桥梁、船舶等主要由钢板制成的大型钢结构件,其安全性一方面由设计规范影响,另一方面也受到钢板的影响。如果钢板自身的抗裂纹扩展性能得到提升,在其他条件相同的情况下,整体结构的安全性也将会得到提高。
抗裂纹扩展性能,即止裂性能,得到了造船界、桥梁界和钢铁界的广泛关注。即使在结构中某个位置产生了裂纹,由于止裂钢板的应用,也会将裂纹尖端钝化、从而阻止裂纹扩展,从而确保大型结构不会发生整体性断裂失效。
目前日本已将该类钢进行工程应用。国内钢铁企业和相关科研院所也开展了一些工作,部分产品也通过了船级社认定和检验,并得到了部分示范应用。现有技术通过大量试验结果总结归纳了低碳当量、细小针状铁素体微观组织、镍添加对止裂性能的有益作用,并据此试制了钢板。
但截至目前,止裂钢板的焊接和焊材选用还没有明确说法。止裂钢板通过成分设计和制造工艺设计,得到了细晶组织;单经焊接后形成的热影响区显微组织发生了粗化,破坏了原有的止裂性能。
如何设计焊接方法和材料是止裂钢板工程应用的关键技术之一。截至目前,止裂钢配套的焊接材料和工艺并没有特殊要求,也无法确保焊缝止裂性能。
发明内容
本发明的目的在于提供止裂钢的焊接接头制备方法。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
止裂钢焊接接头制备方法:
1)依据钢板化学成分,开展试验模拟不同热输入量对粗晶热影响区晶粒尺寸的影响,并确定晶粒尺寸100微米对应热输入量为X值;
2)开展试验模拟不同是入量对粗晶热影响区硬度的影响,维氏硬度HV400对应的热输入量为Y值,则焊接热输入量范围是Y-X;
3)所用焊材,以重量百分比计,含有Mn 0.3-3.5%,Cr 0.1-2.0%,Ni 0.1-2.0%,Mo 0.1-2.0%,B 0.002-0.05%,且焊缝金属Q值在0.8-1.5之间,其中Q=Mn/3+Cr/5+Ni/10+Mo/4;
4)确定预热温度,当碳当量CEV≤0.25时,不预热;当0.25<CEV≤0.45时,预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度);当0.45<CEV≤0.6时,预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度);
5)当碳当量>0.45时,需要焊后热处理,250-400℃保温1小时,然后缓冷至室温;
钢板的碳当量计算公式CEV=C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+Ni/15+Cu/15+5B。
止裂钢焊接接头制备方法,焊接接头的焊缝金属中,以重量百分比计,S+P≤0.02%,N≤0.005%,O≤0.035%。
技术说明如下:
本发明技术思路是通过限定焊接热输入量来确保焊接热影响区的止裂性能,通过限定焊材和焊缝金属成分来确保焊缝金属的止裂性能,从而确保整个焊接接头的止裂性能。
针对具体应用止裂钢板,依据钢板的实测化学成分,开展试验模拟不同热输入量对粗晶热影响区晶粒尺寸的影响,并确定晶粒尺寸100微米对应热输入量为X值。
开展试验模拟不同是入量对粗晶热影响区硬度的影响,维氏硬度HV400对应的热输入量为Y值,则焊接热输入量范围是Y-X;
当粗晶区晶粒尺寸超过50微米,将会出现粒状贝氏体或马氏体,这类组织脆性大,易于裂纹传播,不利于止裂性能,因此要防止此类组织生成。
当粗晶区硬度超过HV400,这说明生成了马氏体组织,一方面极易在焊接过程中产生冷裂纹,破坏焊接质量;另一方面在受力时容易产生萌生微裂纹,同时也会成为裂纹快速传播的通道,从而丧失止裂性能;
选用的焊材,以重量百分比计,含有Mn 0.3-3.5%,Cr 0.1-2.0%,Ni 0.1-2.0%,Mo 0.1-2.0%,B 0.002-0.03%,且焊缝金属Q值在0.8-1.5之间,其中Q=Mn/3+Cr/5+Ni/10+Mo/4。
焊缝金属需要高韧性类的微观组织来提高止裂性能。尺寸细小、相互交错、铁素体或者低碳贝氏体具备良好的止裂性能。
Mn:主要用于细化焊缝晶粒尺寸,并通过MnS夹杂促进晶内铁素体形核,从而形成相互交错的微观组织,来提高止裂性能。当其含量超过3.5%时,会显著增加促进马氏体生等脆性组织生成,从而破坏止裂性能;当其含量低于0.3%时,细化晶粒尺寸效果不明显。因此,其优选含量是。
Cr:一方面用于细化焊缝晶粒尺寸,另一方面可提高耐候性能。一定比例的Cr与Mn搭配可有效细化焊缝金属晶粒尺寸,并促进相互交错类微观组织生成,并预防晶界类粗大、脆性组织的生成,从而提高止裂性能。当其含量低于0.1%时,细化晶粒效果不明显;当其含量超过2.0%时,易于生成粗大马氏体等脆性组织,增加裂纹传播能力,从而降低止裂性能。因此,优选含量是0.1-2.0%。
Ni:主要用于增加焊缝金属的铁素体基体的韧性、提高其阻碍裂纹传播能力、提高止裂能力。当其含量低于0.1%时,效果不明显;当其含量超过2.0%时,一方面易于形成马氏体等脆性组织,降低止裂性能,另一方面会增加焊缝金属基体的硬度。因此,优选含量是0.1-2.0%。
Mo:一方面用于细化焊缝金属晶粒尺寸、另一方面用于细化析出相,从而提高止裂能力。添加Mo可有效降低焊缝金属的相转变温度,从而细化焊缝金属晶粒尺寸。与此同时,添加Mo在有效降低晶界类脆性组织或相生成的同时,也可有效细化析出相、并使其均匀化分布,从而有效提高止裂性能;比如Ti,Nb,V等的碳氮化物,以及Cr或者Mo的碳氮化物析出相。
当其含量低于0.1%时,效果不明显;当其含量超过2.0%时,会显著增加焊缝金属硬度,使其脆性增大,恶化止裂性能。因此,优选含量是0.1-2.0%。
B:用于细化焊缝金属晶粒尺寸、同时增加交错组织比例,从而提高止裂性能;当其与Mo复合添加时,效果更好。当其含量低于0.002%时,效果不明显;当其含量超过0.05%时,容易发生局部偏聚,使得局部区域生成马氏体等脆性组织从而恶化止裂性能。因此,优选含量是0.002-0.05%。
焊缝金属Q值在0.8-1.5之间,其中Q=C+Mn/3+Cr/5+Ni/10+Mo/4。
当Q值低于0.8时,细化焊缝金属的晶粒尺寸效果不明显,同时相互交错类组织比例低,不能满足止裂性能要求;当Q值超过1.5时,会导致焊缝金属中生成大量马氏体、晶界类脆性组织、或者粗大类析出相,从而导致抗裂纹传播能力下降,恶化止裂性能。因此,Q值需要在0.8-1.5之间。
确定预热温度,当碳当量CEV≤0.25时,不预热;当0.25<CEV≤0.45时,预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度);当0.45<CEV≤0.6时,预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度);
无裂纹焊接街头是制备止裂焊接接头的首要前提条件。如果焊接接头中存在裂纹,在充当裂纹萌生源的同时,会加速裂纹的传播速度,从而降低止裂性能。
当碳当量≤0.25时,热影响区不会萌生裂纹,同时焊缝金属也不会产生凝固裂纹。当碳当量在0.25-0.45时,预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度);当碳当量在0.45-0.6时,预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度);
当碳当量在0.45以上时,需要焊后热处理,250-400℃保温1小时,然后缓冷至室温。钢板的碳当量计算公式CEV=C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+Ni/15+Cu/15+5B。
止裂钢焊接接头制备方法,焊接接头的焊缝金属中,以重量百分比计,S+P≤0.02%,N≤0.005%,O≤0.035%。
S和P的含量限定主要是防止焊缝金属中脆性相生成,从而破坏止裂性能。
氧含量的限定一方面是确保焊缝金属中的相互交错类组织的生成,从而提升止裂性能;另一方面限制夹杂物的数量和尺寸,否则会生成裂纹萌生源头,恶化止裂性能。
本发明的优点及有益效果:
1.本发明方法提供了止裂钢的焊接接头制备方法,通过化学成分设计使得焊缝金属具备了了止裂性能;
2.本发明方法提供了止裂钢的焊接接头制备方法,通过限定焊接工艺参数使得热影响区具备止裂性能;
具体实施方式
以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
分别选用船舶止裂钢EH47和桥梁钢止裂钢Q500E作为焊接试板,厚度规格50-80mm。船板钢EH47的碳当量为0.42,桥梁钢Q500E的碳当量是0.48。
依据钢板化学成分进行Gleebe热模拟试验,确定热影响区晶粒尺寸100微米对应的热输入量数值;然后确定热影响区硬度HV400对应的热输入量值,前后两个分别对应热输入量的最大值和最小值。
选用合适焊材,并分别采用埋弧焊和气体保护焊进行焊接试验,埋弧焊选用直径4mm焊丝及碱性焊剂,气体保护焊选用直径1.2mm焊丝及惰性气体保护。
依据钢板化学成分进行预热温度设计,并确保焊接接头的无裂纹。
焊后对焊接试板进行探伤检验。探伤合格后,对焊缝金属、热影响区分别进行化学成分、微观组织、硬度测试。
止裂性能测试采用双重拉伸试验法,测试温度为-10℃。
实施例1:
选用80mm厚船板EH47为焊接试板,碳当量为0.42,依据预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度)计算可知,预热温度125℃。
开展埋弧焊接,工艺参数见表1。选配焊材成分见表2,选用碱度2.2的烧结焊剂。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为50-90微米;硬度为HV280。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为7200,6500和6100N/mm1.5。
实施例2:
选用60mm厚船板EH47为焊接试板,碳当量为0.42,依据预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度)计算可知,预热温度115℃。
开展埋弧焊接,工艺参数见表1;选配焊材成分见表2,选用碱度2.3的烧结焊剂。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为50-85微米;硬度为HV315。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为7400,6350和6200N/mm1.5。
实施例3:
选用50mm厚船板EH47为焊接试板,碳当量为0.42,依据预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度)计算可知,预热温度110℃。
开展气体保护焊接,选用氩气含量85%的混合气体作为保护气体,工艺参数见表1;选配焊材成分见表2。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为30-75微米;硬度为HV345。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为7500,6700和6300N/mm1.5。
实施例4:
选用80mm厚桥梁板Q500E为焊接试板,碳当量为0.48,依据预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度)计算可知,预热温度186℃。
开展埋弧焊接,工艺参数见表1;选配焊材成分见表2,选用碱度2.6的烧结焊剂。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为40-95微米;硬度为HV325。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为7600,7200和6400N/mm1.5。
实施例5:
选用68mm厚桥梁板Q500E为焊接试板,碳当量为0.48,依据预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度)计算可知,预热温度180℃。
开展埋弧焊接,工艺参数见表1;选配焊材成分见表2,选用碱度2.8的烧结焊剂。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为50-85微米;硬度为HV335。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为7400,7100和6500N/mm1.5。
实施例6:
选用50mm厚桥梁板Q500E为焊接试板,碳当量为0.48,依据预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度)计算可知,预热温度170℃。
开展埋弧焊接,开展气体保护焊接,选用氩气含量85%的混合气体作为保护气体,工艺参数见表1;选配焊材成分见表2。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为60-90微米;硬度为HV355。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为7600,7400和6350N/mm1.5。
对比例1:
选用80mm厚船板EH47为焊接试板,碳当量为0.42,依据预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度)计算可知,预热温度125℃,实际采用130℃。
开展埋弧焊接,工艺参数见表1;
选配焊材成分见表2,选用碱度2.5的烧结焊剂。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为150-200微米,硬度HV288。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为6800,5350和4600N/mm1.5。
对比例2:
选用60mm厚船板EH47为焊接试板,碳当量为0.42,依据预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度)计算可知,预热温度115℃,实际采用50℃。
开展气体保护焊接,选用氩气含量85%的混合气体作为保护气体,工艺参数见表1;选配焊材成分见表2。
焊后对焊接试板进行探伤检验,热影响区发现尺寸5-20微米的细小裂纹。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为60-120微米,硬度HV355。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为7000,5500和5100N/mm1.5。
对比例3:
选用80mm厚桥梁板Q500E为焊接试板,碳当量为0.48,依据预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度)计算可知,预热温度186℃,实际采用190℃。
开展埋弧焊接,工艺参数见表1;选配焊材成分见表2,选用碱度3.0的烧结焊剂。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为60-90微米,硬度HV365。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为6800,5400和5200N/mm1.5。
对比例4:
选用68mm厚桥梁板Q500E为焊接试板,碳当量为0.48,依据预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度)计算可知,预热温度180℃。
开展气体保护焊接,选用氩气含量85%的混合气体作为保护气体,工艺参数见表1;选配焊材成分见表2。
焊后对焊接试板进行探伤检验,检验合格。
焊缝金属的化学成分见表2。
热影响区晶粒尺寸为50-100微米,硬度HV375。
经检测:钢板、焊缝金属和热影响区的止裂性能Kca分别为7200,5200和4800N/mm1.5。
通过上述实施例可知,本发明止裂钢焊接接头制备方法可实现止裂钢焊接接头的焊缝金属和热影响区都具备止裂性能,从而为更好推广应用止裂钢奠定基础,可广泛应用于船舶、桥梁结构钢领域。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式,但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。
表1实施例化学成分(wt.%)
表2实施例用焊材及焊缝金属化学成分(wt.%)
Claims (3)
1.止裂钢焊接接头制备方法,其特征在于:
1)依据钢板化学成分,开展试验模拟不同热输入量对粗晶热影响区晶粒尺寸的影响,并确定晶粒尺寸100微米对应热输入量为X值;
2)开展试验模拟不同是入量对粗晶热影响区硬度的影响,维氏硬度HV400对应的热输入量为Y值,则焊接热输入量范围是Y-X;
3)所用焊材,以重量百分比计,含有Mn 0.3-3.5%,Cr 0.1-2.0%,Ni 0.1-2.0%,Mo 0.1-2.0%,B 0.002-0.05%,且焊缝金属Q值在0.8-1.5之间,其中Q=Mn/3+Cr/5+Ni/10+Mo/4;
4)确定预热温度,当碳当量CEV≤0.25时,不预热;当0.25<CEV≤0.45时,预热温度=500×(CEV-0.25)+0.5×T(钢板厚度);当0.45<CEV≤0.6时,预热温度=600×(CEV-0.25)+0.6×T(钢板厚度);
5)当碳当量>0.45时,需要焊后热处理,250-400℃保温1小时,然后缓冷至室温。
2.根据权利要求1所述的止裂钢焊接接头制备方法,其特征在于:钢板的碳当量计算公式=C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+Ni/15+Cu/15+5B。
3.根据权利要求1-2所述的止裂钢焊接接头制备方法,其特征在于:焊接接头的焊缝金属中,以重量百分比计,S+P≤0.02%,N≤0.005%,O≤0.035%。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190104 |