CN110076425B - 一种耐候钢的组合焊缝及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐候钢的组合焊缝及其焊接方法，其包括内部的填充层和外部的盖面层和/或封底层；所述填充层的焊材为低合金钢，盖面层和/或封底层的焊材为不锈钢。本焊缝采用低合金钢和不锈钢组合焊缝，其内部的低合金钢填充层具有优良的力学性能，其外部的不锈钢盖面层（封底层）具有良好的耐腐蚀性能，可使焊接接头兼有良好的力学性能和耐腐蚀性能，同时成本不会明显增加。本焊缝能够在不明显增加成本的前提下解决耐候钢焊缝耐腐蚀性能与母材不匹配的问题，保证焊缝具有与母材匹配的力学性能及优于母材的耐腐蚀性能，避免焊缝成为耐腐蚀性能短板提高建筑的整体寿命。

Description

一种耐候钢的组合焊缝及其焊接方法

技术领域

本发明属于焊接领域，尤其是一种耐候钢的组合焊缝及其焊接方法。

背景技术

近年来国家大力提倡装配式建筑，与现有的钢筋混凝土建筑相比钢结构装配式建筑具有自重轻、工期快、环境友好的优势，同时在抗震性能、产品质量和得房率等方面也优于钢筋-混凝土建筑。将高强度耐候钢应用于装配式建筑，则可使装配式建筑具有更长的寿命，发挥装配式建筑绿色环保的优势，在长期来看可进一步降低成本。

对于装配式建筑用耐候钢的焊接，保证其焊缝区域的耐候性能是其关键也是难点所在。若焊缝区域达不到与母材一致的耐候性能，将在焊缝处首先产生锈蚀并影响建筑的整体使用寿命，使耐候钢的优势无法发挥出来。目前常用的方法是选择与耐候钢母材耐候系数相近或者更高的焊丝进行耐候钢的焊接，而在焊接过程中会存在元素的烧蚀，同时焊缝区域会存在一定的应力，即使选用耐候性较好的焊材其焊缝耐候性能也难以保障。不锈钢耐腐蚀性远远优于耐候钢，但不锈钢焊材的成本较高，若大量使用必定会造成成本的增加，同时不锈钢与耐候钢在成分和组织上有很大差异，接头力学性能难以保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种与母材性能匹配的耐候钢的组合焊缝；本发明还提供了一种耐候钢组合焊缝的焊接方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其包括内部的填充层和外部的盖面层和/或封底层；所述填充层的焊材为低合金钢，盖面层和/或封底层的焊材为不锈钢。

本发明所述盖面层最大宽度大于填充层最大宽度1.4～4.8mm，填充层总厚度为焊接板厚的70～92％，沿焊缝竖直垂直方向填充层截面面积占焊缝截面面积的51％～68％。

本发明所述填充层每道次焊缝的焊缝宽度4.5～7mm，焊缝计算厚度3.2～5.8mm，焊缝成形系数1.17～1.47；所述盖面层每道次焊缝的焊缝宽度为8～11mm，焊缝计算厚度1.1～2.3mm，余高0.2～1.5mm，焊缝成形系数4.4～7.5；所述封底层的焊缝宽度2.6～4mm，焊缝计算厚度0.7～1.5mm，余高0.2～0.5mm，焊缝成形系数2.1～3.8。

本发明方法为：采用低合金钢焊丝进行CO₂气体保护焊焊接，形成填充层；采用不锈钢焊条进行手工电弧焊焊接，形成盖面层；采用不锈钢焊丝进行钨极氩弧焊焊接，形成封底层。

本发明方法在施焊前对板材开坡口。

本发明方法所述CO₂气体保护焊的焊接工艺为：焊接电流200～220A、焊接电压21～23V、焊接速度29～43cm/min、热输入6～10.5KJ/cm；

所述手工电弧焊的焊接工艺为：焊接电流105～130A、焊接电压27～38V、焊接速度25～38cm/min、热输入5.7～10.7kJ/cm；

所述钨极氩弧焊的焊接工艺为：焊接电流110～130A、焊接电压12～15V、焊接速度7～10cm/min、热输入10～12kJ/cm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：焊缝的腐蚀主要发生在焊缝的表面，对于中心部位焊缝合金的耐候性能则没有太过的要求。对此本发明采用低合金钢和不锈钢组合焊缝。填充层的焊接按照等强度匹配原则选用低合金钢焊丝进行，与耐候钢母材具有良好的焊接相容性，可使内部焊缝合金具有良好的力学性能，同时与使用耐候焊丝相比降低了成本。暴露在外部环境的盖面层(封底层)的焊接选用不锈钢焊材，可使直接暴露在环境中的表面焊缝合金具有优良的耐候性能。

本发明对组合焊缝不同道次的焊缝成形做出规定。填充层总厚度为焊接板厚的70～92％，可保证焊缝整体的力学性能。盖面层焊缝宽度大于填充层焊缝宽度1.4～4.8mm可保证耐腐蚀性能较差的内部焊缝不会随焊接母材的腐蚀而裸露。低合金钢在焊缝中占比51％～68％，不锈钢在焊缝中占比32～49％，该比例范围综合考虑了低合金钢对内部焊缝的填充、不锈钢对外部焊缝的覆盖以及焊接成本三个因素，达到了三者之间的平衡。

本发明方法对不同的焊接道次采用了相匹配的焊接方法。CO₂气体保护焊成本低生产效率高，适用于填充层焊焊接；手工电弧焊熔宽大，熔深小，焊缝成形系数高，使用手工电弧焊进行盖面焊利于对填充层的覆盖；填充层焊缝底部尺寸较小，钨极氩弧焊熔宽及熔深均比较小，使用钨极氩弧焊进行封底焊可在覆盖填充层底部前提下节省不锈钢焊丝。本发明方法通过不同种类焊材及焊接方式的组合，可以在不明显增加成本的前提下解决耐候钢焊缝耐腐蚀性能与母材不匹配的问题，使焊接接头具备与母材匹配的力学性能以及优于母材的耐候性能；保证了耐候钢用于装配式建筑时建筑的质量和整体寿命，推进了耐候钢在装配式建筑领域的应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是8mm及以下钢板焊接坡口形式；

图2是8mm及以下钢板焊接焊道布置示意图；

图3是8mm以上钢板焊接坡口形式；

图4是8mm以上钢板焊接焊道布置示意图。

图中：填充层1；盖面层2；封底层3。

具体实施方式

本耐候钢的组合焊缝及其焊接方法如下所述：(1)本方法适用于Q390及以上级别装配式建筑用耐候板材的焊接，板材厚度4～12mm，其化学成分为(wt)：C 0.06％～0.12％、Si 0.1％～0.5％、Mn 1.0％～1.5％、P≤0.02％、S≤0.01％、Cr 0.4％～0.6％、Al 0.03％～0.05％、Nb0.02％～0.05％、Ni 0.1％～0.3％、Cu 0.2％～0.4％、V≤0.02％、Ti≤0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质；屈服强度≥390MPa，耐候指数I≥6.0。所述耐候钢板材的力学性能如表1所示。

表1：耐候钢板材的力学性能

(2)采用下述步骤进行焊接：A、根据耐候钢板厚度开V形或X形坡口；图1所示，8mm及以下钢板开V形焊接坡口，坡口角度55～70°，钝边厚度0.5～2mm；图3所示，8mm以上钢板开X形焊接坡口，坡口角度55～70°，钝边厚度0～1mm。

B、对焊接板材坡口及两侧20～30mm范围进行打磨至露出金属光泽。

C、对焊接板材进行定位焊，预留坡口间隙0.5～2mm。

D、使用CO₂气体保护焊进行低合金钢焊丝填充焊，采用的低合金钢焊丝符合国标GB/T 8110-2008要求，焊丝型号选自ER49系列、ER50系列。焊接工艺为：焊接电流200～220A、焊接电压21～23V、焊接速度29～43cm/min、热输入6～10.5KJ/cm。

E、使用手工焊条电焊焊进行不锈钢焊丝盖面焊，采用的不锈钢焊条符合国标GB/T983-2012要求，焊条型号选自E307系列、E308系列、E309系列、E310系列、E316系列。焊接工艺为：焊接电流105～130A、焊接电压27～38V、焊接速度25～38cm/min、热输入5.7～10.7kJ/cm。

使用钨极氩弧焊进行不锈钢焊丝封底焊，采用的不锈钢焊条符合国标YB/T5092要求,焊丝型号选自H08Cr21Ni10Si、H08Cr19Ni12Mo2Si、H12Cr24Ni13Mo2等型号。焊接工艺为：焊接电流110～130A、焊接电压12～15V、焊接速度7～10cm/min、热输入10～12kJ/cm。

F、8mm及以下钢板焊接焊道布置如图2所示，中间为填充层1、上部为盖面层2、下部为封底层3；8mm以上钢板焊接焊道布置如图4所示，中间两道次均为填充层1、上部和下部均为盖面层2。所述盖面层宽度大于填充层宽度2～5mm，填充层总厚度不小于焊接板厚的70％；沿焊缝竖向垂直方向填充层截面面积占焊缝截面面积的50％～70％，即填充层的总体积占焊缝总体积的50％～70％。填充层每道次焊缝的焊缝宽度4.5～7mm，焊缝计算厚度3.2～5.8mm，焊缝成形系数1.17～1.47；所述盖面层每道次焊缝的焊缝宽度为8～11mm，焊缝计算厚度1.1～2.3mm，余高0.2～1.5mm，焊缝成形系数4.4～7.5；所述封底层的焊缝宽度2.6～4mm，焊缝计算厚度0.7～1.5mm，余高0.2～0.5mm，焊缝成形系数2.1～3.8。

实施例1－10：本耐候钢的组合焊缝及其焊接方法具体如下所述。

(1)各实施例所采用的钢板厚度以及坡口的结构参数见表1。

实施例1－5开V型坡口，如图1所示；实施例6－10开X型坡口，如图3所示。

表1：钢板厚度以及坡口的结构参数

(2)使用CO₂气体保护焊进行低合金钢焊丝填充焊，使用手工焊条电焊焊进行不锈钢焊条盖面焊，使用钨极氩弧焊进行不锈钢焊丝封底焊。其中实施例1－5依次进行一个道次的填充焊焊接、一个道次封底焊和一个道次的盖面焊，焊道分布如图2所示，各实施例采用的焊丝型号、牌号以及焊接参数见表2；实施例6－10依次进行两个道次的填充焊焊接和两个道次的盖面焊，焊道分布如图4所示，各实施例采用的焊丝型号、牌号以及焊接参数见表3。

表2：实施例1-5的焊丝型号、牌号和焊接参数

表3：实施例6-10的焊丝型号、牌号和焊接参数

(3)对焊缝截面在体式显微镜下进行拍照，并对各道次焊缝成形的相关参数进行测量，焊缝的具体指标见表4和表5。

表4：实施例1-5的焊缝具体指标(mm)

表4中，焊缝宽度为每道次焊缝的焊缝宽度。

表5：实施例6-10的焊缝具体指标(mm)

表5中，焊缝宽度为每道次焊缝的焊缝宽度。

(4)对焊接接头的力学性能进行检验。其中实施例2－7的焊接接头加工为5×10×55mm规格冲击试样，实施例2－3焊接接头在焊缝中心及偏离中心5mm位置(热影响区)开冲击坡口，实施例4－5焊接接头在焊缝中心及偏离中心6mm位置(热影响区)开冲击坡口，进行-40℃冲击试验，实施例6－7焊接接头在焊缝中心开冲击坡口，进行室温冲击试验。实施例8－10焊接接头加工为10×10×55mm规格冲击试样，在焊缝中心位置开坡口，进行室温冲击试验。检验结果见表6。

表6：焊接接头力学性能

结果分析：

1、对焊缝成形进行观察，焊缝成形良好，无焊瘤、咬边、烧穿、未焊透缺陷。不锈钢焊层实现了对内部焊缝的完全覆盖，无低合金钢填充层裸露。

2、对焊缝截面进行观察，焊接质量良好，无气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷。盖面层及封底层焊缝宽度分别大于填充层上下端长度，对填充层有良好的包覆，可保证焊缝的耐腐蚀性能；填充层总厚度达到焊接板材厚度的70％以上，可保证焊缝力学性能；实施例中低合金钢填充层占比为50％～70％，可降低焊接成本。

3、通过拉伸试验，焊接接头均断裂在母材，表明焊缝位置的强度较母材有所增强。焊接接头力学性能良好，与母材相比屈服强度有所升高，抗拉强度有所下降，伸长率降低，力学性能基本与母材匹配。可达到相应级别钢种的力学性能要求，可满足实际生产应用需要。

4、通过冲击试验，焊接接头冲击韧性较母材有所提高。

5、焊接接头通过弯心直径为厚度2倍的弯曲试验后未产生裂纹，弯曲试验合格。

6、焊接接头热影响区最高硬度远低于350HV，无产生焊接裂纹倾向。

Claims (6)

1.一种耐候钢的组合焊缝，其特征在于：其包括内部的填充层和外部的盖面层和/或封底层；所述填充层的焊材为低合金钢，盖面层和/或封底层的焊材为不锈钢；所述焊缝在焊接时，先形成填充层、再形成盖面层和/或封底层；所述耐候钢为Q390及以上级别。

2.根据权利要求1所述的一种耐候钢的组合焊缝，其特征在于：所述盖面层最大宽度大于填充层最大宽度1.4～4.8mm，填充层总厚度为焊接板厚的70～92%，沿焊缝竖直垂直方向填充层截面面积占焊缝截面面积的51%～68%。

3.根据权利要求1或2所述的一种耐候钢的组合焊缝，其特征在于：所述填充层每道次焊缝的焊缝宽度4.5～7mm，焊缝计算厚度3.2～5.8mm，焊缝成形系数1.17～1.47；所述盖面层每道次焊缝的焊缝宽度为8～11mm，焊缝计算厚度1.1～2.3mm，余高0.2～1.5mm，焊缝成形系数4.4～7.5；所述封底层的焊缝宽度2.6～4mm，焊缝计算厚度0.7～1.5mm，余高0.2～0.5mm，焊缝成形系数2.1～3.8。

4.一种如 权利要求1、2或3所述耐候钢组合焊缝的焊接方法，其特征在于：采用低合金钢焊丝进行CO₂气体保护焊焊接，形成填充层；采用不锈钢焊条进行手工电弧焊焊接，形成盖面层；采用不锈钢焊丝进行钨极氩弧焊焊接，形成封底层。

5.根据权利要求4所述的一种耐候钢组合焊缝的焊接方法，其特征在于：在施焊前对板材开坡口。

6.根据权利要求4或5所述的一种耐候钢组合焊缝的焊接方法，其特征在于，所述CO₂气体保护焊的焊接工艺为：焊接电流200～220A、焊接电压21～23V、焊接速度29～43cm/min、热输入6～10.5KJ/cm；

所述手工电弧焊的焊接工艺为：焊接电流105～130A、焊接电压27～38V、焊接速度25～38cm/min、热输入5.7～10.7kJ/cm；

所述钨极氩弧焊的焊接工艺为：焊接电流110～130A、焊接电压12～15V、焊接速度7～10cm/min、热输入10～11.7kJ/cm。

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