CN109396613A - 一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺 - Google Patents

一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺 Download PDF

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CN109396613A CN201811366320.3A CN201811366320A CN109396613A CN 109396613 A CN109396613 A CN 109396613A CN 201811366320 A CN201811366320 A CN 201811366320A CN 109396613 A CN109396613 A CN 109396613A
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Abstract

本发明提供一种用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：20‑33份；MgO：25‑40份；CaO：5‑16份；Al2O3：10‑25份；SiO2：3‑15份；CaCO3：8‑20份；脱氧剂：1‑4份；电弧稳定剂：1‑4份；Ti：0.001‑0.005份；B：0.001‑0.005份。本发明进一步提供一种用于双丝焊接的埋弧焊剂的制备方法、应用及其焊接工艺。本发明提供的一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺，能够应用于海洋工程装备、风能发电装备、桥梁、压力容器、管道等制造业的焊接，可以有效的提高焊接的生产效率，减少焊接时间，焊接后金属板的各项力学性能均符合技术要求。

Description

一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺
技术领域
本发明属于焊接材料的技术领域，涉及一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺。
背景技术
在海洋工程装备、桥梁、压力容器、管道等制造业中，大体积构建项目越来越多，随着构建体积增大，构建用钢的厚度也随之增加，制造过程中焊接效率也随之有了较高的要求，既要满足高强高韧性的性能要求，又要满足高效率的生产需求，是埋弧焊材需求态势。现阶段采用的焊接工艺多为单丝或单电弧焊接，难以进一步提高生产效率，一般认为，提高焊接生产效率主要是由单位时间内填充金属的融化量——熔敷速度来衡量的。提高熔敷速度意味着热输入量的增加，提高焊接速度就成为提高热输入量的主要方式，但是，提高焊接速度易导致焊道不连续、咬边、未焊透等焊接缺陷，也容易造成焊接缩韧性降低。因此开发双丝焊材，在增加热输入量、提高焊接生产效率的同时保证焊接质量的稳定就显得有重要意义。
当前，国内外关于高效双丝埋弧焊接的文献很多，但国内实际应用中除了少数进口双丝焊材外，国内品牌的高效双丝埋弧焊焊剂应用极少。而且相关技术方案多以焊接设备或焊接控制方法为主，如专利公开号CN207386780U的中国专利公开了一种新型双丝焊枪结构；专利公开号CN102922088A的中国专利中公开了一种双丝焊接的控制方法，在熔化电极与母材之间产生电弧并形成熔池，将填充焊丝插入到所述熔池的后半部并进行焊接。这些专利均未涉及双丝焊焊剂以及焊接工艺。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺，采用优选的焊剂配方以及焊接工艺双丝焊接金属板，适用于海洋工程装备、桥梁、压力容器、管道等制造业，用于增加热输入量、提高焊接生产率。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：20-33份；MgO：25-40份；CaO：5-16份；Al2O3：10-25份；SiO2：3-15份；CaCO3：8-20份；脱氧剂：1-4份；电弧稳定剂：1-4份；Ti(钛)：0.001-0.005份；B(硼)：0.001-0.005份。
优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂的碱度BIIW为2.0-4.0。更优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂的碱度BIIW为3.0。
优选地，所述脱氧剂选自硅铁、锰铁、钛铁、硅钙合金中的任意一种。
更优选地，所述硅铁，按重量百分比计，包括以下组分：Si 74-76％，余量为Fe。
进一步优选地，所述硅铁，按重量百分比计，包括以下组分：Si 75％，余量为Fe。
更优选地，所述锰铁，按重量百分比计，包括以下组分：Mn 79-81％，余量为Fe。
进一步优选地，所述锰铁，按重量百分比计，包括以下组分：Mn 80％，余量为Fe。
更优选地，所述钛铁，按重量百分比计，包括以下组分：Ti 29-31％，余量为Fe。
进一步优选地，所述钛铁，按重量百分比计，包括以下组分：Ti 30％，余量为Fe。
更优选地，所述硅钙合金，按重量百分比计，包括以下组分：Ca 27-29％，Si 55-65％，余量为Fe。
进一步优选地，所述硅钙合金，按重量百分比计，包括以下组分：Ca 28％，Si60％，余量为Fe。
优选地，所述电弧稳定剂为含稳定元素的硅酸钠水溶液(Na2SiO3·9H2O，水玻璃)，所述稳定元素选自钾、钙、镁、锂、钛中的任意一种。所述电弧稳定剂能够起到稳定电弧作用。
更优选地，所述稳定元素选自钾、锂中的任意一种。
更优选地，所述稳定元素与硅酸钠水溶液中钠元素的摩尔数之比为2-4:1。
进一步优选地，所述稳定元素与硅酸钠水溶液中钠元素的摩尔数之比为3:1。
优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：20-30份；MgO：25-40份；CaO：5-15份；Al2O3：10-25份；SiO2：5-15份；CaCO3：10-20份；脱氧剂：1-3份；电弧稳定剂：1-3份；Ti：0.002-0.004份；B：0.001-0.004份。
更优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：24-27份；MgO：30-35份；CaO：7-11份；Al2O3：17-21份；SiO2：9-12份；CaCO3：14-17份；脱氧剂：1.5-2份；电弧稳定剂：2-2.5份；Ti：0.002-0.003份；B：0.003-0.004份。
更优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：26-30份；MgO：25-30份；CaO：11-13份；Al2O3：13-17份；SiO2：6-9份；CaCO3：11-14份；脱氧剂：2-2.5份；电弧稳定剂：1.5-2份；Ti：0.003-0.004份；B：0.002-0.003份。
更优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：22-30份；MgO：26-32份；CaO：5-12份；Al2O3：10-24份；SiO2：5-10份；CaCO3：10-19份；脱氧剂：1-1.8份；电弧稳定剂：1-1.8份；Ti：0.002-0.004份；B：0.002-0.004份。
进一步优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：30份；MgO：28份；CaO：5份；Al2O3：15份；SiO2：10份；CaCO3：10份；脱氧剂：1份；电弧稳定剂：1份；Ti：0.002份；B：0.004份。
进一步优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：28份；MgO：32份；CaO：8份；Al2O3：10份；SiO2：5份；CaCO3：14份；脱氧剂：1.5份；电弧稳定剂：1.5份；Ti：0.002份；B：0.002份。
进一步优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：22份；MgO：26份；CaO：10份；Al2O3：20份；SiO2：8份；CaCO3：11份；脱氧剂：1.8份；电弧稳定剂：1.2份；Ti：0.004份；B：0.002份。
进一步优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：25份；MgO：27份；CaO：12份；Al2O3：24份；SiO2：9份；CaCO3：19份；脱氧剂：1.7份；电弧稳定剂：1.8份；Ti：0.0035份；B：0.0035份。
优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：22-25份；MgO：35-40份；CaO：5-8份；Al2O3：21-24份；SiO2：12-15份；CaCO3：17-20份；脱氧剂：1-1.5份；电弧稳定剂：2.5-3.0份；Ti：0.001-0.002份；B：0.004-0.005份。
优选地，所述用于双丝焊接的埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：29-33份；MgO：20-25份；CaO：13-16份；Al2O3：1-14份；SiO2：3-6份；CaCO3：8-11份；脱氧剂：2.5-3.0份；电弧稳定剂：1-1.5份；Ti：0.004-0.005份；B：0.001-0.002份。
上述组分是指在所述用于双丝焊接的埋弧焊剂中起性能作用或需要控制含量的组分，所述组分中不包含用于双丝焊接的埋弧焊剂中含量微少且不可避免的杂质组分。
在本发明中通过试验可知，CaF2呈碱性用于造渣，可用于调整焊剂中渣的熔点及粘度，保证焊缝成形。当含量低于20％时，焊缝的含氧量偏高；当含量高于33％时，影响焊接工艺性能，渣稀，电弧稳定性差，焊缝成形不好。
在本发明中通过试验可知，MgO呈碱性用于造渣，可用于调整焊剂中渣的熔点及粘度，保证焊缝成形。当含量低于25％时，焊缝的含氧量偏高，影响焊缝的韧性；当含量高于40％时，焊接工艺性能变差，焊剂熔点太高，焊缝成形不好，脱渣性能变差。
在本发明中通过试验可知，CaO呈碱性用于造渣，当含量低于5％时，焊剂的碱度较低，焊缝韧性差；当含量高于16％时，渣的熔点高，焊缝成形及脱渣差。
在本发明中通过试验可知，Al2O3呈中性用于造渣，对焊剂碱度的影响较小，可用于调整渣的粘度及熔点，如果含量过高，易在焊缝成留下高熔点的夹杂物，影响焊缝的韧性。范围10-25％比较合适。
在本发明中通过试验可知，SiO2呈碱性用于造渣，可用于调整焊剂中渣的熔点及粘度。当含量低于3％时，焊剂的粘度太高，不利于焊缝成形；当含量高于15％时，焊剂的碱度变低，焊缝含氧量增加，焊缝韧性变差。
在本发明中通过试验可知，CaCO3在焊接电弧的作用下，产生一定量的CO2，对焊接区域起到气保护的作用，同时增加电弧气氛中的氧含量提高，抑制氢含量的增加，从而提高焊缝金属的韧性。当含量小于8％时，电弧中的氧化气氛不足，不能起到抑制扩散氢的作用，当含量大于20％，将使焊剂的工艺性能下降，脱渣成形变差。
在本发明中通过试验可知，为了保证焊缝具有较低的含氧量，要加入一定量的脱氧剂，当脱氧剂小于1％，焊缝的含氧量较高，韧性变差；当脱氧剂含量超过4％时，焊缝中的扩散氢含量增加，使焊缝韧性下降。
在本发明中通过试验可知，当高碱度焊剂中含较多的F元素时，会使焊接电弧不稳，为了增加焊接电弧的稳定性，在焊剂中加入电弧稳定剂，保证焊接电弧稳定。当含量小于1％时，稳弧作用不明显；当含大于4％时，使焊缝韧性变差。
在本发明中通过试验可知，B(硼)元素能够抑制该埋弧焊剂中先共析铁素体的生成，即固溶的B在奥氏体晶界偏聚，能够降低界面能，抑制先共析铁素体的产生。同时，B元素还能够减低该焊剂中奥氏体向铁素体转变的温度，促进针状铁素体的形成。
在本发明中通过试验可知，Ti(钛)元素与钢中的N元素的亲和力比B强，加入Ti元素可以防止焊剂中B元素向焊缝中过渡，同时在焊剂中B是重要的提高淬透性的元素，Ti、B之间存在交互作用可在焊缝中获得大量的针状铁素体，相应的焊缝金属具有优异的强韧性。
本发明第二方面提供一种用于双丝焊接的埋弧焊剂的制备方法，将所述埋弧焊剂的各组分依次进行配料、搅拌、造粒、烘干、烧结、筛选、包装后既得。
优选地，所述烘干后的埋弧焊剂的含水率≤2％。
优选地，所述烧结的温度为650-800℃。
优选地，所述烧结后的埋弧焊剂的含水率≤0.1％。
所述配料是指将埋弧焊剂的各组分按比例称重、搅拌后配好。
所述搅拌是指将配料进行干搅拌，使各种料均匀混合，然后再加入粘结剂进行湿搅拌，使混合料有一定的粘性。
所述造粒是指将湿搅拌好的混合料在造粒盘中进行造粒，使焊剂具有一定的颗粒度。
所述烘干是指将造好粒的焊剂要首先进行低温烘干，去掉水分，以利于后序的高温烧结及筛选。
所述烧结是指将烘干后的焊剂经过高温烧结，去除焊剂中的水分。
所述筛选是指去除焊剂中的较大尺寸的颗粒及细粉，使焊剂满足使用要求。
所述包装是指按客户要求的重量进行称重及封口。
本发明第三方面提供一种埋弧焊剂在双丝焊接上的用途。
优选地，所述用途为所述埋弧焊剂在双丝焊接金属板之间作为焊剂的用途。
更优选地，所述金属板为专用于制造业上的金属板。所述制造业包括但不限于海洋工程装备、风能发电装备、桥梁、压力容器、管道。
更优选地，所述埋弧焊剂双丝焊接的金属板的屈服强度≥400MPa。
更优选地，所述埋弧焊剂双丝焊接的金属板的抗拉强度为510-690MPa。
更优选地，所述埋弧焊剂双丝焊接的金属板的伸长率A(％)≥22％。
更优选地，所述埋弧焊剂双丝焊接的金属板在-60℃下的冲击功≥39J。
更优选地，所述埋弧焊剂双丝焊接的金属板的扩散氢含量≥4.0ml/100g。进一步优选地，所述埋弧焊剂双丝焊接的金属板的扩散氢含量为4.1-4.8ml/100g。
本发明第四方面提供一种用于双丝焊接的埋弧焊剂的焊接工艺，将所述埋弧焊剂焊接金属板。
优选地，所述焊接选自单丝焊接或双丝焊接中的一种。
更优选地，所述双丝焊接为用于双丝的埋弧焊接工艺。
更优选地，所述双丝焊接的条件为：焊接电流(I)：680-1000A；电弧电压(U)：30-50V；焊接速度(V)：20-40cm/min；焊接线能量：80-160KJ/cm；预热温度：70-110℃；道间温度：130-220℃；焊后消氢条件：290-310℃*2.0-3.0h。
进一步优选地，所述双丝焊接的条件为：焊接电流(I)：700-900A；电弧电压(U)：32-40V；焊接速度(V)：25-35cm/min；焊接线能量：90-160KJ/cm；预热温度：80-100℃；道间温度：135-210℃；焊后消氢条件：300℃*2.0-3.0h。
更优选地，所述单丝焊接的条件为：焊接电流(I)：600-650A；电弧电压(U)：30-40V；焊接速度(V)：28-32cm/min；焊接线能量：40-60KJ/cm；预热温度：90-110℃；道间温度：130-200℃；焊后消氢条件：290-310℃*2.0-3.0h。
进一步优选地，所述单丝焊接的条件为：焊接电流(I)：650A；电弧电压(U)：35V；焊接速度(V)：30cm/min；焊接线能量：45KJ/cm；预热温度：100℃；道间温度：150-190℃；焊后消氢条件：300℃*2.0-3.0h。
优选地，所述金属板为专用于制造业上的金属板。所述制造业包括但不限于海洋工程装备、风能发电装备、桥梁、压力容器、管道。
如上所述，本发明提供的一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺，采用优选的焊剂配方以及焊接工艺，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺，在金属基体里面加入了Ti和B，能有效地提高熔敷金属的淬透性，提高金属的强韧性；保证熔敷金属在较高的强度下，具有良好的塑性和低温韧性，焊缝扩散氢含量达到H5要求；保证在较低或适当的预热温度条件下保证焊缝金属的抗冷裂性能。
(2)本发明提供的一种用于双丝焊接的埋弧焊剂及其焊接工艺，通过提高电流、电压来增加热输入量，焊接后屈服强度≥400MPa，抗拉强度510-690MPa，延伸率A(％)≥22％，-60℃下的冲击功≥39J，扩散氢含量≥4.0ml/100g，能够应用于海洋工程装备、风能发电装备、桥梁、压力容器、管道等制造业的焊接，可以有效的提高焊接的生产效率，减少焊接时间，焊接后金属板的各项力学性能均符合技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
根据本发明中提供的用于双丝焊接的埋弧焊剂中组分的质量份，将各组分混合后，依次进行配料-搅拌-造粒-烘干-烧结-筛选-包装后，获得所需埋弧焊剂样品1#-8#。埋弧焊剂样品1#-8#中各组分的质量份见下表1。
表1实施例中用于双丝焊接的埋弧焊剂成分(Wt％)
实施例2
将实施例1中获得的埋弧焊剂样品1#-4#分别进行单丝以及双丝焊接，热输入量即焊接线能量，钢板级别为E40，钢板连接方式按中国船级社的埋弧焊丝熔敷金属评定方式进行连接。具体单丝以及双丝焊接的条件见表2。埋弧焊剂样品的熔敷金属的力学性能的试验结果见表3。
表2单丝以及双丝的焊接工艺条件
表3单丝以及双丝焊接的熔敷金属的力学性能
同时，将实施例1中获得的埋弧焊剂样品6#-8#进行双丝焊接，热输入量达到150KJ/cm，钢板级别为E40，钢板连接方式按中国船级社的埋弧焊丝熔敷金属评定方式进行连接。埋弧焊剂样品的熔敷金属的力学性能的试验结果见表4。
表4双丝焊接的熔敷金属的力学性能
由表3、4可知，本发明中埋弧焊剂不仅可用于单丝焊接，还可用于双丝焊接。特别用于双丝焊接时，熔敷金属的屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥520MPa，-60℃冲击功≥39J，扩散氢含量≥4.0ml/100g，在海底低温和高压以及其他环境条件下能保证其良好的性能。特别是埋弧焊剂样品应用于双丝焊接中，制备的熔敷金属强度适中，塑、韧性优良，各项力学指标均能满足海洋工程装备、风能发电装备、桥梁、压力容器、管道等制造业行业的需求。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种埋弧焊剂，其特征在于，以重量份计，包括以下组分：CaF2：20-33份；MgO：25-40份；CaO：5-16份；Al2O3：10-25份；SiO2：3-15份；CaCO3：8-20份；脱氧剂：1-4份；电弧稳定剂：1-4份；Ti：0.001-0.005份；B：0.001-0.005份。
2.根据权利要求1所述的一种埋弧焊剂，其特征在于，所述脱氧剂选自硅铁、锰铁、钛铁、硅钙合金中的任意一种；所述电弧稳定剂为含稳定元素的硅酸钠水溶液，所述稳定元素选自钾、钙、镁、锂、钛中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种埋弧焊剂，其特征在于，所述埋弧焊剂包括的组分任选以下其一：
1)所述埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：20-30份；MgO：25-40份；CaO：5-15份；Al2O3：10-25份；SiO2：5-15份；CaCO3：10-20份；脱氧剂：1-3份；电弧稳定剂：1-3份；Ti：0.002-0.004份；B：0.001-0.004份；
2)所述埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：22-25份；MgO：35-40份；CaO：5-8份；Al2O3：21-24份；SiO2：12-15份；CaCO3：17-20份；脱氧剂：1-1.5份；电弧稳定剂：2.5-3.0份；Ti：0.001-0.002份；B：0.004-0.005份；
3)所述埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：29-33份；MgO：20-25份；CaO：13-16份；Al2O3：1-14份；SiO2：3-6份；CaCO3：8-11份；脱氧剂：2.5-3.0份；电弧稳定剂：1-1.5份；Ti：0.004-0.005份；B：0.001-0.002份。
4.根据权利要求3所述的一种埋弧焊剂，其特征在于，所述1)中的埋弧焊剂包括的组分任选以下其一：
A)所述埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：24-27份；MgO：30-35份；CaO：7-11份；Al2O3：17-21份；SiO2：9-12份；CaCO3：14-17份；脱氧剂：1.5-2份；电弧稳定剂：2-2.5份；Ti：0.002-0.003份；B：0.003-0.004；
B)所述埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：26-30份；MgO：25-30份；CaO：11-13份；Al2O3：13-17份；SiO2：6-9份；CaCO3：11-14份；脱氧剂：2-2.5份；电弧稳定剂：1.5-2份；Ti：0.003-0.004份；B：0.002-0.003份；
C)所述埋弧焊剂，以重量份计，包括以下组分：CaF2：22-30份；MgO：26-32份；CaO：5-12份；Al2O3：10-24份；SiO2：5-10份；CaCO3：10-19份；脱氧剂：1-1.8份；电弧稳定剂：1-1.8份；Ti：0.002-0.004份；B：0.002-0.004份。
5.一种埋弧焊剂的制备方法，将根据权利要求1-4任一所述的埋弧焊剂的各组分依次进行配料、搅拌、造粒、烘干、烧结、筛选、包装后既得。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种埋弧焊剂在双丝焊接上的用途。
7.一种埋弧焊剂的焊接工艺，将根据权利要求1-4任一所述的埋弧焊剂焊接金属板。
8.根据权利要求7所述的一种埋弧焊剂的焊接工艺，其特征在于，所述焊接选自单丝焊接或双丝焊接中的一种。
9.根据权利要求8所述的一种埋弧焊剂的焊接工艺，其特征在于，所述双丝焊接的条件为：焊接电流：680-1000A；电弧电压：30-50V；焊接速度：20-40cm/min；焊接线能量：80-160KJ/cm；预热温度：70-110℃；道间温度：130-220℃；焊后消氢条件：290-310℃*2.0-3.0h。
10.根据权利要求8所述的一种埋弧焊剂的焊接工艺，其特征在于，所述单丝焊接的条件为：焊接电流：600-650A；电弧电压：30-40V；焊接速度：28-32cm/min；焊接线能量：40-60KJ/cm；预热温度：90-110℃；道间温度：130-200℃；焊后消氢条件：290-310℃*2.0-3.0h。
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