CN110076430B - 一种厚度≥40mm的1000MPa钢板的气保护焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种厚度≥40mm的1000MPa钢板的气保护焊接方法：基材力学性能：抗拉强度R_m≥1000MPa，延伸率A≥12%，‑20℃KV₂冲击功≥42J；厚度不低于40mm的机械工程用钢等厚对接焊接；坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边1～2mm；实芯焊丝；焊接工艺：先对工件预热；填充及盖面气保护焊接；焊后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。本发明焊缝成形良好，接头抗拉强度大于1000MPa，焊缝冲击功‑20℃KV₂不低于母材，热影响区（熔合线外0.5mm）不低于90J，焊接接头强韧性匹配优良，其完全满足要求。

Description

一种厚度≥40mm的1000MPa钢板的气保护焊接方法

技术领域

本发明涉及一种钢板的气体保护焊接方法，特别是指一种抗拉强度1000MPa级工程机械低合金高强钢厚板的富氩气体保护焊方法。

背景技术

在机械装备的主体结构制造中，选用高强度级别替代低级别钢板对于提高装备的能力和效率，延长使用寿命，减轻设备自重，降低能耗，方便安装和运输，提高机械设备的综合性能有着重大作用。上世纪九十年代，国内所需高强度钢均在600MPa级左右，而到本世纪初，已经开始大规模使用600MPa～900MPa级高强度钢，目前国内对1000MPa级及以上超高强度钢年需求量大幅增涨。为满足国内制造部门的需要，先后开发了Q890、Q960、Q1100等超高强度结构钢，主要用于煤矿液压支架、起重机吊臂、载重车辆等工程机械领域。

目前，工程机械高强钢好的焊接，普遍采用熔化极气体保护焊（GMAW）方法，其具有焊材熔敷效率高、易于实现自动化、实芯焊丝扩散氢含量低等特点，特别适合Q890级别以上高强度钢的焊接。为避免线能量过高造成热影响区组织粗大而发生脆化和软化等问题，一般需要控制焊接线能量。同时，对于高强钢厚板而言，由于焊接过程中热影响区容易淬硬，很容易产生焊接冷裂纹。为避免焊接冷裂纹的产生，通常采用焊前预热以及焊后热处理等手段，对于厚板（厚度≥40mm）来说，其预热温度一般超过250℃，且焊接过程中还需选择低强度高韧性焊丝打底，不仅浪费能源，还造成劳动条件恶化，不利于施工，积极开发低预热焊接工艺对1000MPa级高强钢推广应用十分有必要。

中国专利申请号为201610823595.X的文献，公开了一种1000MPa级工程机械高强钢厚板的气体保护焊接方法，焊前不预热，其采用强度为700MPa级的实芯气保焊丝打底，填充及盖面焊丝采用1000MPa级的实芯气保焊丝，保护气体为80%Ar+20%CO₂，线能量为10.7～15.6kJ/cm。该技术适应于1000MPa级别高强钢的焊接，涉及到两种焊接材料，给实际操作带来不便。

中国专利申请号为CN201410125452.2的文献，公开了1000MPa高强钢不预热组合焊接方法，焊前不预热，打底层焊道采用“低强匹配”690MPa高韧性焊丝，提高焊缝根部韧性，增强抗裂性。填充层采用等强匹配900MPa高强高韧焊丝，保证焊缝的强度和韧性，盖面层采用760MPa碱性药性焊丝。该技术适应于1000MPa级别高强钢的焊接，涉及到三种焊接材料和两种焊接保护气体，且焊接过程中需要清根，给实际操作带来不便。采用900MPa高强高韧焊丝，对于1000MPa级高强钢而言属于低匹配，不利于充分发挥高强度钢的高强优势。

现有焊接方法凡涉及1000MPa级高强钢板的焊接均采用了低强匹配，适用钢板厚度较小（基本在20mm以下），且使用焊接方法、焊接材料种类多，增加焊接气体、设备、焊丝的更换频次，不利于现场实际操作。

发明内容

本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种针对1000MPa级高强钢厚板的低预热，无后热，保证接头强韧性，一种焊接气体、及设备和焊丝无需更换，并能充分发挥高强度钢的高强优势，且可操作性强的工程机械高强钢厚板的气体保护焊接方法。

实现上述目的的措施：

一种厚度≥40mm 的1000MPa钢板的气保护焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：抗拉强度R_m≥1000MPa，延伸率A≥12%，-20℃KV₂冲击功≥42J；厚度不低于40mm的机械工程用钢等厚对接焊接；

2）气保护焊坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边1～2mm；

3）匹配的实芯焊丝：焊丝熔敷金属的力学性能为抗拉强度R_m≥1000MPa，延伸率A≥15%，断面收缩率Z≥60%，-20℃KV₂冲击功≥56J；焊丝直径Ф1.2mm；保护气体为80%Ar+20%CO₂混合气体；

4）焊接工艺：

a) 先对工件进行预热，预热温度在90~160℃；

b）进行填充及盖面气保护焊接，采用抗拉强度R_m≥1000MPa，直径Ф1.2mm的实芯焊丝进行多层多道连续施焊直至焊缝填满；其焊接电流在250~280A，焊接电压在27~29V，焊接速度在28~32cm/min，焊接线能量在13~16kJ/cm采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，层间温度控制在100~200℃；单面焊后接头反面无需清根重复正面操作；

c) 焊后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。

其在于：所述实芯焊丝的熔敷金属化学成分按重量百分比为：C:0.05~0.08%，Si：0.28~0.56%，Mn：1.62~1.90%，Ni：2.90~3.5%，Cr：0.40~0.60%，Cu：0. 10~0.25%，Mo：0.40~0.60%， B：0.002~0.005%，P≤0.015%, S≤0.010%，Ti 0.05%～0.15%；其余为铁及不可避免的杂质，-20°C夏比V型缺口冲击吸收功KV₂≥56J。

本发明中主要工艺的作用及机理

本发明在工艺中，之所以

（1）1000MPa超高强度钢厚板（厚度≥40mm）一般焊前预热温度均超过200℃，否则焊后出现裂纹或明显下降，接头性能达不到要求。本发明之所以控制工件预热温度在90~160℃，焊接前适当预热，主要作用是减少工作量，改善工人焊接劳动环境，减少能源消耗。

（2）采用等强匹配焊丝打底，主要作用是充分发挥超高强钢强度优势。

（3）焊接过程中对称连续施焊，控制层间焊接温度在100-200℃，其主要在于充分利用前一道焊缝的预热作用，避免层温过低、冷速过快导致冷裂纹；不高于200ºC是避免层温过高，高温停留时间长，过热区晶粒严重粗化，对于韧性不利。

（4）焊接完成后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温，目的是降低冷速，使扩散氢充分逸出。

本发明与现有技术相比：

其一，焊前低预热，无需打底，采用等强匹配，焊接过程中连续对称施焊，焊缝组织为细小贝氏体和高密度板条马氏体，在获得高强度的同时保证了焊缝韧性。焊后进行缓冷，有效的避免了焊接冷裂纹，焊接过程中无需更换焊丝，焊接保护气体、设备均相同，工艺简单，实用性强。

其二，通过焊接材料和焊接工艺的匹配，焊缝成形良好，焊接接头强韧性匹配优良，接头抗拉强度大于1000MPa，焊缝冲击功-20℃KV₂不低于母材，热影响区（熔合线外0.5mm）不低于90J。其完全满足了抗拉强度R_m≥1000Mpa，屈服强度R_eL≥890Mpa，厚度大于40mm等厚焊接的性能要求。

附图说明

图1为本发明双面V型对称坡口示意图；

图中：a—表示角度，

—表示钝边。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

说明：以下各实施例的实芯焊丝成分均在：C≤0.09%，Si：0.30~60%，Mn：1.60~1.95%，Ni：2.5~3.5%， Cr：0.40~0.80%，Cu≤0. 30%，Mo：0.40~0.80%， B≤0.005%，P≤0.015%, S≤0.01%；其余为铁及不可避免的杂质范围内任一取值；且其焊丝熔敷金属的力学性能均在为抗拉强度Rm≥1000MPa，延伸率A≥15%，断面收缩率Z≥60%，-20℃KV2冲击功≥42J范围内；焊丝直径均为Ф1.2mm；

实施例1

采用基材试板尺寸为500mm×300mm×50mm的等厚机械工程钢板进行气保护焊接；

其焊接步骤：

1）基材力学性能：工程机械用钢Q960，板厚为50mm等厚对接；其力学性能为：屈服强度R_el≥980MPa，抗拉强度R_m≥1020 MPa，延伸率A≥12%，-20℃冲击功为52J；采用20%CO₂+80%Ar（体积百分比）富氩气体保护进行焊接；

2）气保护焊坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边1.2mm；

3）匹配的实芯焊丝：焊丝熔敷金属的力学性能为：屈服强度R_el≥930MPa，抗拉强度R_m≥1000 MPa，-20℃KV2冲击功≥42J，延伸率A≥15%；焊丝直径Ф1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先对工件进行预热，预热温度在90~98℃；

b）进行填充及盖面气保护焊接，采用所选实芯焊丝在其焊接电流250~280A，焊接电压27~29V，焊接速度28~32(cm/min)，焊接线能量13.5kJ/cm采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，层间温度控制在101~108℃；

c) 焊接完成后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。

经检测，本实施例接头的抗拉强度Rm为1044 MPa，冷弯性能合格，焊缝冲击功-20℃KV2为52J，热影响区（熔合线外0.5mm）为107J。

实施例2

采用基材试板尺寸为500mm×300mm×40mm的等厚机械工程钢板进行气保护焊接；

其焊接步骤：

1）基材力学性能：工程机械用钢Q960，板厚为40mm等厚对接；其力学性能为：屈服强度R_el≥980MPa，抗拉强度R_m≥1020 MPa，延伸率A≥12%，-20℃冲击功为48J；采用20%CO₂+80%Ar（体积百分比）富氩气体保护进行焊接；

2）气保护焊坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边1.5mm；

3）匹配的实芯焊丝：焊丝熔敷金属的力学性能为：屈服强度R_el≥930MPa，抗拉强度R_m≥1000 MPa，-20℃KV2冲击功≥42J，延伸率A≥15%；焊丝直径Ф1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先对工件进行预热，预热温度在107~115℃；

b）进行填充及盖面气保护焊接，采用所选实芯焊丝在其焊接电流250~280A，焊接电压27~29V，焊接速度28~32(cm/min)，焊接线能量13~16kJ/cm采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，层间温度控制在112~119℃；

c) 焊接完成后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。

经检测，本实施例接头的抗拉强度Rm为1056 MPa，冷弯性能合格，焊缝冲击功-20℃KV2为64J，热影响区（熔合线外0.5mm）为96J。

实施例3

采用基材试板尺寸为500mm×300mm×50mm的等厚机械工程钢板进行气保护焊接；

其焊接步骤：

1）基材力学性能：工程机械用钢Q890，板厚为50mm等厚对接；其力学性能为：屈服强度R_el≥890MPa，抗拉强度R_m≥980 MPa，延伸率A≥12%，-20℃冲击功为60J；采用20%CO₂+80%Ar（体积百分比）富氩气体保护进行焊接；

2）气保护焊坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边1.6mm；

3）匹配的实芯焊丝：焊丝熔敷金属的力学性能为：屈服强度R_el≥930MPa，抗拉强度R_m≥1000 MPa，-20℃KV2冲击功≥42J，延伸率A≥15%；焊丝直径Ф1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先对工件进行预热，预热温度在152~160℃；

b）进行填充及盖面气保护焊接，采用所选实芯焊丝在其焊接电流250~280A，焊接电压27~29V，焊接速度28~32(cm/min)，焊接线能量13~16kJ/cm采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，层间温度控制在175~185℃；

c) 焊接完成后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。

经检测，本实施例接头的抗拉强度Rm为1020 MPa，冷弯性能合格，焊缝冲击功-20℃KV2为71J，热影响区（熔合线外0.5mm）为113J。

实施例4

采用基材试板尺寸为500mm×300mm×40mm的等厚机械工程钢板进行气保护焊接；

其焊接步骤：

1）基材力学性能：工程机械用钢Q890，板厚为40mm等厚对接；其力学性能为：屈服强度R_el≥890MPa，抗拉强度R_m≥980 MPa，延伸率A≥12%，-20℃冲击功为65J；采用20%CO₂+80%Ar（体积百分比）富氩气体保护进行焊接；

2）气保护焊坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边2mm；

3）匹配的实芯焊丝：焊丝熔敷金属的力学性能为：屈服强度R_el≥890MPa，抗拉强度R_m≥1000 MPa，-20℃KV2冲击功≥42J，延伸率A≥15%；焊丝直径Ф1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先对工件进行预热，预热温度在120~128℃；

b）进行填充及盖面气保护焊接，采用所选实芯焊丝在其焊接电流250~280A，焊接电压27~29V，焊接速度28~32(cm/min)，焊接线能量13~16kJ/cm采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，层间温度控制在130~142℃；

c) 焊接完成后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。

经检测，本实施例接头的抗拉强度Rm为1032 MPa，冷弯性能合格，焊缝冲击功-20℃KV2为74J，热影响区（熔合线外0.5mm）为121J。

本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (3)

1.一种厚度≥40mm 的1000MPa钢板的气保护焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：工程机械用钢Q960，板厚为50mm等厚对接；其力学性能为：屈服强度R_el≥980MPa，抗拉强度R_m≥1020 MPa，延伸率A≥12%，-20℃冲击功为52J；采用体积百分比20%CO₂+80%Ar的富氩气体保护进行焊接；

2）气保护焊坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边1.2mm；

3）匹配的实芯焊丝：焊丝熔敷金属的力学性能为：屈服强度R_el≥930MPa，抗拉强度R_m≥1000 MPa，-20℃KV2冲击功≥42J，延伸率A≥15%；焊丝直径Ф1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先对工件进行预热，预热温度在90~98℃；

b）进行填充及盖面气保护焊接，采用所选实芯焊丝在其焊接电流250~280A，焊接电压27~29V，焊接速度28~32cm/min，焊接线能量13.5kJ/cm采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，层间温度控制在101~108℃；

c) 焊接完成后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。

2.一种厚度≥40mm 的1000MPa钢板的气保护焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：工程机械用钢Q960，板厚为40mm等厚对接；其力学性能为：屈服强度R_el≥980MPa，抗拉强度R_m≥1020 MPa，延伸率A≥12%，-20℃冲击功为48J；采用体积百分比20%CO₂+80%Ar 的富氩气体保护进行焊接；

2）气保护焊坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边1.5mm；

3）匹配的实芯焊丝：焊丝熔敷金属的力学性能为：屈服强度R_el≥930MPa，抗拉强度R_m≥1000 MPa，-20℃KV2冲击功≥42J，延伸率A≥15%；焊丝直径Ф1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先对工件进行预热，预热温度在107~115℃；

b）进行填充及盖面气保护焊接，采用所选实芯焊丝在其焊接电流250~280A，焊接电压27~29V，焊接速度28~32cm/min，焊接线能量13~16kJ/cm采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，层间温度控制在112~119℃；

c) 焊接完成后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。

3.一种厚度≥40mm 的1000MPa钢板的气保护焊接方法，其步骤：

1）基材力学性能：工程机械用钢Q890，板厚为50mm等厚对接；其力学性能为：屈服强度R_el≥890MPa，抗拉强度R_m≥980 MPa，延伸率A≥12%，-20℃冲击功为60J；采用体积百分比20%CO₂+80%Ar 的富氩气体保护进行焊接；

2）气保护焊坡口采用双面V型对称坡口，坡口角度为50°，钝边1.6mm；

3）匹配的实芯焊丝：焊丝熔敷金属的力学性能为：屈服强度R_el≥930MPa，抗拉强度R_m≥1000 MPa，-20℃KV2冲击功≥42J，延伸率A≥15%；焊丝直径Ф1.2mm；

4）焊接工艺：

a) 先对工件进行预热，预热温度在152~160℃；

b）进行填充及盖面气保护焊接，采用所选实芯焊丝在其焊接电流250~280A，焊接电压27~29V，焊接速度28~32cm/min，焊接线能量13~16kJ/cm采用多层多道连续施焊直至焊缝填满，层间温度控制在175~185℃；

c) 焊接完成后随即将焊件放入保温炉中随炉冷却至室温或立即在焊缝两侧300mm范围内的接头区域进行覆盖，并辅助加热至200℃时冷却至室温。

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