CN109759679A - 一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钢桥梁制造领域一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其先再两块不等厚钢板中的厚钢板的对拼处进行减厚加工，先在厚钢板的加工出过渡斜边，使两块钢板厚度一致，过渡斜边的坡度比为1:（8—10）；在两块钢板对拼处加工出V型坡口，坡口角度为20°—22°，组装间隙为6—8mm，在组装间隙一侧放置陶质衬垫；预热钢板后，采用混合气体保护焊在坡口内底部以实心焊丝焊接1—2道打底焊缝，然后再采用实心焊丝进行逐层填充焊接并填满坡口；焊接过程中进行层间清理，焊道层间温度在140—160℃；焊接完成后采取保温措施。其实现了不同强度材质Q500qE和Q690qE的高强度焊接，可用于桥梁结构件的焊接施工中。

Description

一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接 方法

技术领域

本发明涉及一种超低碳贝氏体钢异种对接接头焊接方法，属于钢桥梁制造领域，适用于Q500qE和Q690qE钢异种对接接头平位和立位的焊接。

背景技术

焊接钢桥以自重轻、寿命长、节能环保等独特优势，在桥梁建设中得到广泛应用，并且展现出向大跨度、高强度级发展的趋势。我国桥梁用钢实现工程应用的最高强度等级仅为Q500qE（抗拉强度≥630Mpa），由武钢率先研制并首发应用于沪通长江大桥。而

美日桥梁板最高使用屈服强度690MPa级，并广泛使用了耐候钢。桥梁钢在很大程度上制约着桥梁结构的发展，从某种意义上说桥梁用钢技术水平也代表着桥梁建造水平。高强钢的研发作为国家重点课题，由宝武集团牵头进行，并首次推出超低碳贝氏体高强度桥梁用钢Q690qE（抗拉强度≥820Mpa），并在武汉江汉七桥示范性工程中获得推广，目前也是首次将Q690qE钢运用到桥梁工程中。

武汉江汉七桥为全长为672m，主桥结构为钢桁拱，双向6车道的重载公路桥，其主桁两侧墩顶拱肋下弦部分杆件节点板采用Q690qE和Q500qE高强度桥梁钢，钢桥主桁桥位环缝采用栓焊结合的连接方式，杆件盖腹板均采用焊接连接。桥位弦杆环对拼以及厂内腹杆与节点板对拼存在Q690qE钢和Q500qE钢不同强度材质的焊接。

在桥梁制造领域暂无相关超低碳贝氏体桥梁钢Q500qE和Q690qE不同强度接头焊接经验可以借鉴。Q500qE和Q690qE钢中添加了一定量的微合金元素，以提高钢板的强度。因此，钢板的碳当量和冷裂纹敏感指数相对较高，属于难焊钢种。无论是焊接材料选择，还是焊接工艺的制定，均具有极大的难度。

本发明解决了超低碳贝氏体桥梁钢Q500qE和Q690qE异种对接接头的焊接难题，使的焊接接头的力学性能能够满足设计和标准要求。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法,在满足标准要求的力学性能的前提下，提出一种焊接超低碳贝氏体不同强度桥梁钢接头的焊接方法和匹配的焊接材料。

为实现上述目的，本发明技术方案是：一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于依次包括如下步骤：

（1）在材质分别为Q500qE和Q690qE的两块不等厚钢板中的厚钢板的对拼处进行减厚加工，先在厚钢板的加工出过渡斜边，使两块钢板厚度一致，过渡斜边的坡度比为1:（8—10）；

（2）在两块钢板对拼处加工出V型坡口，坡口角度为20°—22°，组装间隙为6—8mm，在组装间隙一侧放置陶瓷垫块；

（3）焊接前将钢板预热温度至于75—85℃，再采用混合气体保护焊在坡口内底部，先采用实心焊丝焊接1—2道打底焊缝，然后再采用实心焊丝进行逐层填充焊接并填满坡口；焊接过程中进行层间清理，焊道层间温度在140—160℃；焊道层间温度在140-160℃，可避免合金元素烧损的同时，有利于改善焊缝金相组织，促使焊缝中针状铁素体的形成；

（4）焊接完成后采取保温措施，覆盖保温棉保温，缓慢冷却至常温。

其优选方案是钢板的材质分别为Q500qE和Q690qE，对应的钢板板厚分别为32mm和48mm，过渡斜边的坡度比为1:8。

预热时，采用电磁感应加热设备预热钢板。

作为本发明的进一步改进在于，所述实心焊丝组分及重量百分比为：

C 0.066—0.07%，

Mn 1.70—1.74%，

Si 0.35—0.39%，

P 0.09—0.11%，

S 0.003—0.005%，

Cu 0.08—0.1%，

Cr 0.40—0.44%，

Ni 2.7—3%，

Mo 0.44—0.46%，

余量为Fe。

采用上述组分的实心焊丝，焊丝配合混合气体熔敷金属力学性能为ReL为755MPa，Rm为890MPa，低温-40℃KV2为112J。施焊后，焊缝组织为针状铁素体，热影响区组织为贝氏体，焊接接头有良好的抗拉强度和低温韧性，能够在两种不同材质之间形成紧密结合的过渡合金，保证焊接牢靠。

优选方案是，所述实心焊丝组分及重量百分比为：

C 0.068%，

Mn 1.72%，

Si 0.37%，

P 0.01%，

S 0.004%，

Cu 0.09%，

Cr 0.42%，

Ni 2.8%，

Mo 0.45%，

余量为Fe。

作为本发明的进一步改进在于，可选择评为焊接或立位焊接；平位焊接时，打底焊道焊接电流为190—210A、焊接电压20—22V、焊接速度180—200mm/min；填充和盖面焊道焊接电流250—270A、焊接电压25—28V、焊接速度320—340mm/min。立位焊接时，打底、填充和盖面焊接电流130—140A、焊接电压18—20V、焊接速度60—70mm/min。

所述混合气体的组分及体积含量为：

CO₂ 18—22%，

Ar 78—82%，

气体纯度≥99.9%；气流量22—25L/min。采用混合气体焊接电弧集中，加热面积小，焊后变形较小，同时焊缝成型好。气流量22—25L/min，焊丝干伸长15—18mm，可防止焊接电弧外部空气进行熔池，氧化合金元素。焊接时采用多层多道的焊接方法，防止焊丝中杂质元素在焊缝中心析出，降低焊缝的力学性能；

本发明中，钢板的材质分别为Q500qE和Q690qE，其中，Q690qE钢，屈服强度ReL≥690MPa，抗拉强度Rm≥810MPa，延伸率A≥14%，-40℃KV2冲击功≥120J，母材组织为超低碳贝氏体； Q500qE钢，屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥630MPa，延伸率A≥20%，-40℃KV2冲击功≥120J，母材金相组织为超低碳贝氏体。不同强度材质不等厚对拼，所匹配的焊丝抗拉强度Rm为890MPa，屈服强度为ReL为755MPa，冲击值-40℃KV₂为112J；选取与不同强度接头高强钢匹配的实心焊丝和焊接工艺，设计合理的对拼接头坡口型式，最终解决了超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接难题。

本发明经过大量试验选择的焊接工艺参数，并进行超声波探伤，未发现焊接缺陷，焊接接头的抗拉强度大于母材标准值，接头-40℃低温冲击功高达86—232J，远高于设计对拼头三区低温冲击功要求-40℃KV2≥54J的要求，焊接接头低温冲击韧性富裕量大，完全能够满足桥梁工程中超低碳贝氏体Q690qE钢和Q500qE钢异种对接接头的焊接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明采用高强匹配焊接原则，保证焊缝的力学性能，Q690qE和Q500qE高强钢中加入了大量的合金元素，选取了与母材合金元素相当的实心焊丝，并采用混合气体保护焊接工艺，减少合金元素的烧损，提高了焊缝的强度。同时焊丝中Ni含量高达2.7%以上，在保证低强度的前提下，提高焊缝低温冲击韧性。焊接接头的抗拉强度高于母材标准值，断裂位置在低材质Q500qE侧；焊缝抗拉强度Rm≥680MPa，焊缝冲击功-40℃KV2大于83J，Q500qE侧热影响区（1mm）-40℃KV₂大于86J，Q690qE热影响区（1mm）-40℃KV₂大于118J。焊缝强度满足要求，接头三区低温冲击富裕量较大。

（2）本发明对按照GB 4675.1《焊接性试验斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》的规定，对32mm和50mm钢板进行试验小铁研试验，小铁研试验焊接材料为实心焊丝，直径为Φ1.2。对不同温度下焊接接头部位表面和断面的开裂的倾向，进行了研究，确定采用实心焊丝气体保护焊焊接Q690qE钢，需预热至75℃以上，可避免裂纹产生。

（3）本发明实现了超低碳贝氏体桥梁钢Q500qE和Q690qE异种对接接头的焊接，其具有优良的工艺性能，且操作简便、高效，能够满足于工程桥位环缝对拼及厂内荒料对拼中的低碳贝氏体钢Q500qE和Q690qE不同强度材质的焊接。

附图说明

图1是对拼处坡口结构示意图，图1中，1为陶瓷衬垫。

图2是平位焊缝处焊接顺序示意图，图中1、2、3-8、9-20、20-24为焊接道次。

图3是立位焊缝处焊接顺序示意图，图中1、2-6、9、10为焊接道次。

具体实施方式

实例1

采用基材试板试板：32mmx200mmx800mm，材质为Q690qE，44mmx 200mmx800mm材质为Q500qE，不同强度材质不等厚平位对拼；焊接时，按如下步骤进行：

（1）在材质分别为Q500qE和Q690qE的两块不等厚钢板中的厚钢板的对拼处进行减厚加工，先在厚钢板的加工出过渡斜边，使两块钢板厚度一致，过渡斜边的坡度比为1:8；

（2）在两块钢板对拼处加工出V型坡口，坡口角度为20°—22°，组装间隙为6—8mm，在组装间隙一侧放置陶质衬垫1；如图1所示。

（3）焊接前，采用电磁感应加热设备预热钢板，钢板预热温度为75—85℃，再采用混合气体保护焊在坡口内底部，先采用实心焊丝焊接1—2道打底焊缝，然后采用实心焊丝进行逐层填充焊接并填满坡口；焊接过程中进行层间清理，焊道层间温度在140—160℃；焊接时，采用平位焊接，打底焊道焊接电流为190—210A、焊接电压20—22V、焊接速度180—200mm/min；填充和盖面焊道焊接电流250—270A、焊接电压25—28V、焊接速度320—340mm/min；如图2所示；

（4）焊接完成后采取保温措施，覆盖保温棉保温，缓慢冷却至常温，避免由于冷却速度较快产生淬硬组织。

所述实心焊丝组分及重量百分比为：

C 0.068%，

Mn 1.72%，

Si 0.37%，

P 0.01%，

S 0.004%，

Cu 0.09%，

Cr 0.42%，

Ni 2.8%，

Mo 0.45%，

余量为Fe。

混合气体的组分及体积含量为：

CO₂ 20% ，

Ar 80%，

气体纯度≥99.9%；气流量22—25L/min。

实心焊丝直径为1.2mm，焊接时，焊丝干伸长15—18mm。

焊接完成后，经测试，焊缝对拼接头的抗拉强度为682MPa，断裂位置为低材质Q500qE侧；焊缝的屈服强度为841MPa，焊缝抗拉强度841Mpa，断后伸长率为20.5；焊接接头三区最高硬度HV₁₀为325，焊缝-40℃低温冲击值分别为83J，90J，84J，Q500qE侧热影响区-40℃低温冲击值分别为232J，216J，201J，Q690qE侧热影响区-40℃低温冲击值分别为174J，207J，223J；对拼接头弯曲试验未发现裂纹；焊接接头力学性能良好，能够满足设计及相关标准要求，焊缝及热影响区低温冲击有较大的富裕量，焊缝三区硬度小于HV₁₀ 380，未产生淬硬组织。

实例2

采用基材试板试板：32mmx200mmx800mm，材质为Q690qE，44mmx 200mmx800mm材质为Q500qE，不同强度材质不等厚立位对拼。

（1）在材质分别为Q500qE和Q690qE的两块不等厚钢板中的厚钢板的对拼处进行减厚加工，先在厚钢板的加工出过渡斜边，使两块钢板厚度一致，过渡斜边的坡度比为1:10；

（2）在两块钢板对拼处加工出V型坡口，坡口角度为20°—22°，组装间隙为6mm，在组装间隙一侧放置陶质衬垫1；如图1所示；

（3）焊接前，采用电磁感应加热设备预热钢板，钢板预热温度为75—85℃，再采用混合气体保护焊在坡口内底部，先采用实心焊丝焊接2道打底焊缝，然后采用实心焊丝进行逐层填充焊接并填满坡口；焊接过程中进行层间清理，焊道层间温度在140—160℃；焊接时，采用立位焊接，打底、填充和盖面焊接电流130—140A、焊接电压18—20V、焊接速度60—70mm/min；如图3所示；

（4）焊接完成后采取保温措施，覆盖保温棉保温，缓慢冷却至常温，避免由于冷却速度较快产生淬硬组织。

其中，实心焊丝组分及重量百分比为：

C 0.066%，

Mn 1.74%，

Si 0.35%，

P 0.11%，

S 0.003%，

Cu 0.1%，

Cr 0.40，

Ni 3%，

Mo 0.44%，

余量为Fe。

混合气体的组分及体积含量为：

CO₂ 18% ，

Ar 82%，

气体纯度≥99.9%；气流量22—25L/min。

实心焊丝直径为1.2mm，焊接时，焊丝干伸长15—18mm。

经测试，焊焊接接头的性能：焊缝对拼接头的抗拉强度为710MPa，断裂位置为低材质Q500qE侧；焊缝的屈服强度为796MPa，焊缝抗拉强度939Mpa，断后伸长率为18.5；焊接接头三区最高硬度HV₁₀为325；焊缝-40℃低温冲击值分别为87J，87J，127J；Q500qE侧热影响区-40℃低温冲击值分别为184J，217J，86J；Q690qE侧热影响区-40℃低温冲击值分别为213J，217J，118J；对拼接头弯曲试验未发现裂纹；高强钢焊接接头力学性能良好，能够满足设计及相关标准要求，焊缝及热影响区低温冲击有较大的富裕量，焊缝三区硬度小于HV₁₀ 380，未产生淬硬组织。

实施例3

（1）在材质分别为Q500qE和Q690qE的两块不等厚钢板中的厚钢板的对拼处进行减厚加工，先在厚钢板的加工出过渡斜边，使两块钢板厚度一致，过渡斜边的坡度比为1:9；

（2）在两块钢板对拼处加工出V型坡口，坡口角度为20°—22°，组装间隙为8mm，在组装间隙一侧放置陶质衬垫；

（3）焊接前，采用电磁感应加热设备预热钢板，钢板预热温度为75—85℃，再采用混合气体保护焊在坡口内底部，先采用实心焊丝焊接2道打底焊缝，然后采用实心焊丝进行逐层填充焊接并填满坡口；焊接过程中进行层间清理，焊道层间温度在140—160℃；焊接时，采用立位焊接，打底、填充和盖面焊接电流130—140A、焊接电压18—20V、焊接速度60—70mm/min；

（4）焊接完成后采取保温措施，覆盖保温棉保温，缓慢冷却至常温，避免由于冷却速度较快产生淬硬组织。

其中，实心焊丝组分及重量百分比为：

C 0.07%，

Mn 1.70%，

Si 0.39%，

P 0.09%，

S 0. 005%，

Cu 0.08%，

Cr 0.44%，

Ni 2.7%，

Mo 0.46%，

余量为Fe。

混合气体的组分及体积含量为：

CO₂ 22% ，

Ar 78%，

气体纯度≥99.9%；气流量22—25L/min。

实心焊丝直径为1.2mm，焊接时，焊丝干伸长15—18mm。

经测试，焊接接头抗拉强度大于630MPa,屈服强度大于500MPa，伸长率大于18%，低温冲击大于54J，硬度HV₁₀不大于380，接头弯曲无裂纹，符合相关要求。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于依次包括如下步骤：

（1）在材质分别为Q500qE和Q690qE的两块不等厚钢板中的厚钢板的对拼处进行减厚加工，先在厚钢板的加工出过渡斜边，使两块钢板厚度一致，过渡斜边的坡度比为1:（8—10）；

（2）在两块钢板对拼处加工出V型坡口，坡口角度为20°—22°，组装间隙为6—8mm，在组装间隙一侧放置陶质衬垫；

（3）焊接前将钢板预热温度至于75—85℃，再采用混合气体保护焊在坡口内底部，先采用实心焊丝焊接1—2道打底焊缝，然后再采用实心焊丝进行逐层填充焊接并填满坡口；焊接过程中进行层间清理，焊道层间温度在140—160℃；

（4）焊接完成后采取保温措施，覆盖保温棉保温，缓慢冷却至常温。

2.根据权利要求1所述的一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于，钢板的材质分别为Q500qE和Q690qE，所对应的钢板板厚分别为32mm和48mm，过渡斜边的坡度比为1:8.5。

3.根据权利要求1所述的一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于，预热时，采用电磁感应加热设备预热钢板。

4.根据权利要求1—3任意一项所述的一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于，所述实心焊丝组分及重量百分比为：

C 0.066—0.07%，

Mn 1.70—1.74%，

Si 0.35—0.39%，

P 0.09—0.11%，

S 0.003—0. 005%，

Cu 0.08—0.1%，

Cr 0.40—0.44%，

Ni 2.7—3%，

Mo 0.44—0.46%，

余量为Fe。

5.根据权利要求4所述的一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于，所述实心焊丝组分及重量百分比为：

C 0.068%，

Mn 1.72%，

Si 0.37%，

P 0.01%，

S 0.004%，

Cu 0.09%，

Cr 0.42%，

Ni 2.8%，

Mo 0.45%，

余量为Fe。

6.根据权利要求1—3任意一项所述的一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于，平位焊接时，打底焊道焊接电流为190—210A、焊接电压20—22V、焊接速度180—200mm/min；填充和盖面焊道焊接电流250—270A、焊接电压25—28V、焊接速度320—340mm/min。

7.根据权利要求1—3任意一项所述的一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于，立位焊接时，打底、填充和盖面焊接电流130—140A、焊接电压18—20V、焊接速度60—70mm/min。

8.根据权利要求1—3任意一项所述的一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于，所述混合气体的组分及体积含量为：

CO₂ 18—22%，

Ar 78—82%，

气体纯度≥99.9%；气流量22—25L/min。

9.根据权利要求1—3任意一项所述的一种Q500qE和Q690qE超低碳贝氏体钢异种对接接头的焊接方法，其特征在于，所述实心焊丝直径为1.2mm，焊接时，焊丝干伸长15—18mm。