CN110722251A - 钢板间缝隙的填充方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供钢板间缝隙的填充方法，属于金属材料技术领域，包括以下步骤：清洁待填充钢板间缝隙；在150‑250℃下对缝隙填充区域进行预加热；使用焊接填料焊接填充钢板间缝隙形成接头；其中，接头强度匹配为等强匹配，焊接填料包括26‑33％重量的铁、12‑15％重量的铬、0.15‑0.18％重量的碳、0.05‑0.1％重量的硒、2.1‑2.7％重量的锰、0.8‑1.2％重量的硅、0.1‑0.5％重量的钇。本发明填充方法不仅使获得接头的强度达到钢板强度的98.3％以上，而且使得接头焊缝组织以强韧性较好的针状铁素体为主，提高接头的韧性，提高钢板间缝隙的填充质量。

Description

钢板间缝隙的填充方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及钢板间缝隙的填充方法。

背景技术

随着钢结构生产技术的不断革新和建筑产业的迅猛发展，钢结构凭借其强度高、韧性好、抗震性能好等优点广泛应用于房建、桥梁及一些大跨度的工程项目中，在实际施工及使用中起到了显著的效果，因此获得了国家的大力支持，使我国成为了钢结构生产及加工大国，钢结构产业也进入了一个蓬勃发展的阶段。在钢结构不断的研究发展过程中，新的钢材及其生产加工技术不断革新。随着城市化的飞速发展，大量高层及大跨度建筑不断涌现，普通钢材很难满足建设的需求，对于钢材的强度及韧性性能要求不断提高，因此新的高强度钢材不断出现。相较于普通钢，高强钢其屈服强度、极限强度更高，主要指的是屈服强度大于460MPa的钢材，在相同截面下能够抵抗的荷载越大，承受同等荷载时可以减小截面尺寸，适用于大跨度及承受荷载较大的结构中，降低了建造成本，提高了经济效益。同时，高强钢结构具有灵活多变、可预制、运输方便、可回收利用的优点，是一种绿色的建筑结构材料，符合国家可持续发展的社会目标。对于钢结构来说，钢板间缝隙填充技术在工程中是普遍存在的，尤其对于高强钢，一个好的钢板间缝隙填充技术标准、工艺是保证建筑结构质量的重要要素。大量钢板间缝隙填充结构的破坏结果显示，钢板间缝隙填充部位是易发生断裂破坏的薄弱部位。然而对于高强度钢板间缝隙填充而言，只要使用以往的钢板间缝隙填充技术，疲劳强度就不会提高。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种使用焊接填料焊接填充钢板间缝隙形成接头，提高钢板间缝隙的填充质量的钢板间缝隙的填充方法，该填充方法不仅使获得接头的强度达到钢板强度的98.3％以上，而且使得接头焊缝组织以强韧性较好的针状铁素体为主，提高接头的韧性。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：钢板间缝隙的填充方法，包括以下步骤：

S1：清洁待填充钢板间缝隙；

S2：在50-150℃下对缝隙填充区域进行预加热；

S3：使用焊接填料焊接填充钢板间缝隙形成接头，并对接头进行多层焊接；

其中，接头强度匹配为等强匹配。

本发明钢板间缝隙的填充方法，通过填充前待填充钢板间缝隙、对缝隙填充区域进行预加热、对接头进行多层多道焊接等措施，不仅得到的接头不存在的气孔、未熔合、裂纹等明显的焊接缺陷，焊缝成形美观，而且提高接头的强度，使得接头强度匹配为等强匹配。本发明钢板间缝隙的填充方法还能抑制先共析铁素体的形成，使得接头焊缝组织以强韧性较好的针状铁素体为主，焊缝及热影响区均未出现恶化接头性能的组织，从而提高接头的韧性，降低焊接接头的冷裂纹敏感性；此外，本发明钢板间缝隙的填充方法也使得接头的弯曲、冲击性能满足要求，提高了钢板间缝隙的填充质量。

根据本发明一实施方式，焊接填料包括，26-33％重量的铁、12-15％重量的铬、0.15-0.18％重量的碳、0.05-0.1％重量的硒、2.1-2.7％重量的锰、0.8-1.2％重量的硅、0.1-0.5％重量的钇。本发明用焊接填料具有良好的焊接工艺性能，如电弧稳定性、熔池流动性好，熔渣渣壳覆盖均匀，脱渣容易，焊缝成型平整。本发明用焊接填料依靠硒和钇的联合强化作用，同时配合本发明的填充方法，对焊缝中组织的变化起到了重要的作用，能够更好的抑制先共析铁素体等的形成，提高焊缝组织中针状铁素体含量，在不降低焊缝韧性的条件下提高接头的强度，并且具有良好的焊缝抗裂性，能保持焊态；且还能够消除焊接接头的微裂缝，延迟或缓和碳迁移、扩散，从而降低接头的残余等效应力，延长焊接接头的寿命。

根据本发明一实施方式，硒和钇的比率为2.0-5.0。

根据本发明一实施方式，接头的强度达到钢板强度的98.3％以上。

根据本发明一实施方式，S3中焊接采用半自动混合气体保护焊。

根据本发明一实施方式，焊接保护气体为He、Ar和CO₂的混合气体保护。氩气具有稳弧的作用，氦气可以增加熔透率，适量的CO₂可以改善熔滴过渡，使电弧燃烧更加稳定。

根据本发明一实施方式，He、Ar和CO₂的体积比例为1:1-1.35:0.06-0.2。

根据本发明一实施方式，焊接保护气体的流量为15-30L/min。

根据本发明一实施方式，S3中每层焊接为2-5道焊接。

根据本发明一实施方式，在焊接期间，接头的焊道间温度保持在20-100℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明钢板间缝隙的填充方法得到的接头不存在的气孔、未熔合、裂纹等明显的焊接缺陷，焊缝成形美观，接头的强度达到钢板强度的98.3％以上，接头强度匹配为等强匹配；本发明钢板间缝隙的填充方法能抑制先共析铁素体等的形成，使得接头焊缝组织以强韧性较好的针状铁素体为主，焊缝及热影响区均未出现恶化接头性能的组织，从而提高接头的韧性，降低焊接接头的冷裂纹敏感性；本发明钢板间缝隙的填充方法也使得接头的弯曲、冲击性能满足要求，提高了钢板间缝隙的填充质量。

本发明采用了上述技术方案提供钢板间缝隙的填充方法，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。

附图说明

图1是本发明试验例1中接头焊缝部位显微组织的扫描电镜照片；

图2是本发明试验例1中接头焊缝中针状铁素体的含量；

图3是本发明试验例1中接头的显微硬度测试结果；

图4是本发明试验例1中接头的冲击试验结果。

具体实施方式

本发明允许各种修改及变形，其特定实施例进行了举例，下面进行详细说明。但并非要把本发明限定于公开的特别形态之意，相反，本发明包括与由权利要求项所定义的本发明思想一致的所有修改、均等及替代。

这些实施例只用于更具体地说明本发明，根据本发明的要旨，本发明的范围并非限定于这些实施例，这是所属技术领域的技术人员不言而喻的。

本发明一实施方式提供了钢板间缝隙的填充方法，包括以下步骤：

S1：清洁待填充钢板间缝隙，去除其上的氧化皮，挂渣、水、锈、油污等杂物，以保证焊缝周边的清洁度，避免焊接缺陷的产生；

S2：在50-150℃(例如60℃、65℃、70℃、80℃、90℃、100℃、116℃、120℃、130℃等)下对缝隙填充区域进行预加热；

S3：使用焊接填料焊接填充钢板间缝隙形成接头，并对接头进行3-5层焊接；

其中，接头强度匹配为等强匹配。

钢板母材和焊缝的强度匹配设计中的强度匹配系数表示为M(即焊材的抗拉强度与母材的抗拉强度的比值)，当M＝1时，称为“等强匹配”；当M>1时，称为“超强匹配”；当M<1，称为“低强匹配”。本发明钢板间缝隙的填充方法，通过填充前待填充钢板间缝隙、对缝隙填充区域进行预加热、对接头进行多层多道焊接等措施，不仅得到的接头不存在的气孔、未熔合、裂纹等明显的焊接缺陷，焊缝成形美观，而且提高接头的强度，使得接头强度匹配为等强匹配。本发明钢板间缝隙的填充方法还能抑制先共析铁素体(Proeutectoid Ferrite，简称PF)的形成，使得接头焊缝组织以强韧性较好的针状铁素体(Acicular Ferrite，简称AF)为主，焊缝及热影响区均未出现恶化接头性能的组织，从而提高接头的韧性，降低焊接接头的冷裂纹敏感性；此外，本发明钢板间缝隙的填充方法也使得接头的弯曲、冲击性能满足要求，提高了钢板间缝隙的填充质量。

于本发明一实施方式中，接头包括(但不局限于)填角焊接头、对焊接头、搭焊接头、角焊接头和边缘焊接头。可采用本领域已知的任何方法实现这种焊接填料对钢件的焊接，其中可传递足够的热量来熔融焊接填料，以促进钢件熔合。

于本发明一实施方式中，焊接填料包括，26-33％重量的铁、12-15％重量的铬、0.15-0.18％重量的碳、0.05-0.1％重量的硒、2.1-2.7％重量的锰、0.8-1.2％重量的硅、0.1-0.5％重量的钇。本发明用焊接填料具有良好的焊接工艺性能，如电弧稳定性、熔池流动性好，熔渣渣壳覆盖均匀，脱渣容易，焊缝成型平整。本发明用焊接填料依靠硒和钇的联合强化作用，同时配合本发明的填充方法，对焊缝中组织的变化起到了重要的作用，能够更好的抑制先共析铁素体等的形成，提高焊缝组织中针状铁素体含量，在不降低焊缝韧性的条件下提高接头的强度，并且具有良好的焊缝抗裂性，能保持焊态；且还能够消除焊接接头的微裂缝，延迟或缓和碳迁移、扩散，从而降低接头的残余等效应力，延长焊接接头的寿命。更优选的，焊接填料包括，28-31％重量的铁、13.8-14.7％重量的铬、0.16-0.18％重量的碳、0.07-0.08％重量的硒、2.3-2.6％重量的锰、0.9-1.0％重量的硅、0.2-0.4％重量的钇。

于本发明一实施方式中，硒和钇的重量比为1:2.0-5.0，例如1:2.1、1:2.25、1:2.5、1:3.0、1:3.2、1:3.4、1:3.6、1:3.78、1:4.0、1:4.1、1:4.5等。

于本发明一实施方式中，焊接填料可以各种形式供给，例如裸焊丝或焊条、焊条、熔剂、焊粉或其组合。在裸焊丝、焊条、熔剂或粉末之间的选择取决于使用的焊接技术的类型。其中，焊丝或焊条可通过本领域已知的任何方法制备，例如通过冲模挤出熔融的填料物质，其中冲模的形状和大小影响焊丝或焊条的截面形状和直径。可使用任何合适的截面形状。焊丝或焊条的直径或厚度可根据所需的熔融速率而变，较厚的焊丝或焊条的熔融速率较慢。其中，焊粉可通过本领域已知的任何方法制备，例如通过球磨粉碎，然后加热至熔融态，搅拌，再将搅拌后的混合物磨球，即得到平均粒径为0.05-3μm的焊粉。

于本发明一实施方式中，接头的强度达到钢板强度的98.3％以上。

于本发明一实施方式中，S3中焊接采用半自动混合气体保护焊。

于本发明一实施方式中，焊接保护气体为He、Ar和CO₂的混合气体保护。氩气具有稳弧的作用，氦气可以增加熔透率，适量的CO₂可以改善熔滴过渡，使电弧燃烧更加稳定。

于本发明一实施方式中，He、Ar和CO₂的体积比例为1:1-1.35:0.06-0.2，更优选为1:1.1-1.3:0.1-0.2，进一步优选为1:1.2:0.15。

于本发明一实施方式中，焊接保护气体的流量为15-30L/min。

于本发明一实施方式中，S3中每层焊接为2-5道焊接。

于本发明一实施方式中，在焊接期间，接头的焊道间温度保持在20-100℃。

以下通过实施例来进一步阐明本发明。但是应该理解，所述实施例只是举例说明的目的，并不意欲限制本发明的范围和精神。

实施例1：

钢板间缝隙的填充方法，包括以下步骤：

S1：清洁待填充钢板间缝隙，钢板为低合金高强度钢，其成分如表1，力学性能如表2；

S2：在70℃下对缝隙填充区域进行预加热；

S3：使用焊接填料焊接填充钢板间缝隙形成接头，并对所述接头进行3层焊接，每层进行3道焊接，下一层焊接前要打磨焊缝；

本实施例焊接采用半自动混合气体保护焊，焊接保护气体为He、Ar和CO₂的混合气体保护，He、Ar和CO₂的体积比例为1:1.2:0.15，电源极性为极性反接；焊缝成型方式为单面焊，双面成型，焊接工艺参数详见表3。线能量计算公式为：线能量＝(热效率×电流×电压)/(100×焊接速度)；其中，线能量单位为KJ/cm，电流单位为A；电压单位为V；焊接速度单位为mm/s；热效率质为0.8-0.85。

本实施例用焊接填料包括，28％重量的铁、14％重量的铬、0.16％重量的碳、0.08％重量的硒、2.4％重量的锰、1.0％重量的硅、0.2％重量的钇。

表1钢板的化学成分(wt％)

C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	S	P	Fe
									0.089	0.237	1.47	0.426	0.258	0.323	0.009	0.021	Balance

表2钢板的力学性能

抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	伸长率(％)	冲击吸收功(J)
				840	≥690	18	≥40(-20℃)

表3焊接工艺参数

实施例2：

钢板间缝隙的填充方法，包括以下步骤：

S1：清洁待填充钢板间缝隙，钢板为实施例1用低合金高强度钢；

S2：在85℃下对缝隙填充区域进行预加热；

S3：使用焊接填料焊接填充钢板间缝隙形成接头，并对接头进行4层焊接，每层进行4道焊接，下一道焊接前要打磨焊缝；

本实施例焊接采用半自动混合气体保护焊，焊接保护气体为He、Ar和CO₂的混合气体保护，He、Ar和CO₂的体积比例为1:1.2:0.15，电源极性为极性反接；焊缝成型方式为单面焊，双面成型，焊接工艺参数详见表4。

本实施例用焊接填料包括，30％重量的铁、14.5％重量的铬、0.17％重量的碳、0.08％重量的硒、2.5％重量的锰、0.9％重量的硅、0.3％重量的钇。本实施例用焊接填料为焊丝。

表4焊接工艺参数

对比例1：

与实施例2的不同之处在于：焊接填料不包括硒。

对比例2：

与实施例2的不同之处在于：焊接填料不包括钇。

对比例3：

与实施例2的不同之处在于：焊接填料不包括硒和钇。

试验例1：

1.接头显微组织分析

由于焊缝金属中除了碳元素之外，还含有较多合金元素，这对焊缝组织造成一定的影响，因此低合金高强度钢焊缝金属的金相显微组织相对复杂。本试验例采用扫描电镜分别观察实施例1-2及对比例1-3接头焊缝区的显微组织。

1.1金相试样制备：使用线切割机沿垂直于焊接方向截取厚度为15mm的包含钢板母材、焊缝和热影响区的金属。用100#的水砂纸粗磨试样，磨去试样表面线切割痕迹并且保证试样平整，然后依次用240#、500#、800#、1000#水砂纸逐级打磨。1000#水砂磨完的试样，经水冲洗后，用金丝绒抛光布抛光，抛光过程中使用1.5μm粒度的金刚石喷雾抛光剂磨去试样表面划痕，然后用清水抛光至表面光亮无划痕。

1.2试样腐蚀：由于采用的焊接填料与钢板母材差异较大，因此腐蚀试样时钢板母材和焊缝要分开腐蚀。首先用2％的硝酸酒精溶液腐蚀母材，腐蚀时间约为10s，腐蚀完成后用水和酒精冲洗，吹干，然后用VHX-1000E正置式光学金相显微镜对钢板母材及热影响区部位进行组织观察；钢板母材及热影响区观察完成后，对焊缝进行电解腐蚀，腐蚀时间约为3-4min，腐蚀完成后用水和酒精冲洗，吹干，再用金相显微镜对焊缝部位进行组织观察。

金相显微镜对焊缝部位进行组织观察如图1(图中1-实施例1，2-实施例2，3-对比例1，4-对比例2，5-对比例3)，并利用Image-Pro Plus图象处理软件统计焊缝中针状铁素体的含量(如图2)。从图1中可以看出，实施例1和实施例2的焊缝组织主要为存在大量细小、相互交叉、强韧性较好的针状铁素体；对比例1-3的焊缝组织中的由针状铁素体和先共析铁素体组成，且其中的针状铁素少于实施例1和实施例2。由图2可见，实施例1-2焊缝组织中的针状铁素体含量达到92％以上，远远高于对比例1-3。以上结果说明焊接填料依靠硒和钇的联合强化作用，同时配合本发明的填充方法，对焊缝中组织的变化起到了重要的作用，能够更好的抑制先共析铁素体等的形成，提高焊缝组织中针状铁素体含量，从而能有效的阻止接头焊缝部位裂纹的扩展，进而提高接头的冲击韧性。

2.接头的力学性能

2.1显微硬度测试

显微硬度测试过程是根据标准GB/T2654-2008《焊接接头硬度试验方法》进行金属维氏硬度试验。焊接接头为拍完宏观形貌的金相试样，在显微硬度仪HV-1000Microhardness Tester上进行测试，实验选择的负荷0.5kg，加载时间为20s。对堆焊接头的焊缝、热影响区和母材进行显微硬度测试。测量结果如图3所示，由图可见，从焊缝到母材，实施例1-2、对比例1-3中均是热影响区的硬度最高，而实施例1和实施例2的焊缝硬度和钢板母材基本一致，对比例1、对比例2和对比例3的焊缝硬度远远低于钢板母材。这说明，焊接填料依靠硒和钇的联合强化作用，同时配合本发明的填充方法，能够提高接头的强度。

2.2接头的室温拉伸试验

焊接接头的拉伸试验取样按照机械标准JB/T4708-2005《承压设备焊接工艺评定》取样，拉伸试样加工按照GB/T2651-2008《焊接接头试验方法》进行加工。试验温度在室温23±5℃的环境温度下进行，试验机为为Zwick/Roell Z100。实验过程中记录应力-应变曲线，并且给出焊接接头的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断裂位置。结果如表5所示，实施例1和实施例2接头的屈服强度、抗拉强度均大于对比例1、对比例2和对比例3；而实施例1和实施例2接头的延伸率低于对比例1、对比例2和对比例3；同时实施例1和实施例2接头的断裂位置在热影响区，对比例1、对比例2和对比例3接头的断裂位置在焊缝区。以上结果说明本发明用焊接填料能够提高接头的力学性能，使得接头的抗拉强度达到钢板强度的98.3％以上，为等强匹配。

表5接头的室温拉伸试验结果

	屈服强度(MPa)	抗拉强度(MPa)	延伸率(％)	断裂位置
					实施例1	723	826	10.2	热影响区
实施例2	731	829	10.0	热影响区
					对比例1	689	763	13.87	焊缝
对比例2	692	766	14.02	焊缝
					对比例3	687	767	14.06	焊缝

2.3夏比系列冲击试验

冲击试验采用夏比摆锤冲击试验方法，缺口方式为V型。焊缝冲击试样与热影响区冲击试样按照GB/T2650-2008《焊接接头冲击试验方法》进行取样与加工。焊缝冲击试样V型缺口为T位置(缺口面垂直于试件表面)，并且保证V型缺口位于焊缝中心；热影响区冲击试样V型缺口同样为为T位置，且保证V型缺口位于热影响区。确定热影响区冲击试样缺口位置的选取需要腐蚀。试验温度为20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃。结果如图4所示，在任何温度下，实施例1和实施例2焊接接头的焊缝区的均冲击韧性更优于对比例1、对比例2和对比例3，这主要是因为实施例1和实施例2中存在更多的针状体铁素体。

上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.钢板间缝隙的填充方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：清洁待填充钢板间缝隙；

S2：在50-150℃下对缝隙填充区域进行预加热；

S3：使用所述焊接填料焊接填充所述钢板间缝隙形成接头，并对所述接头进行多层焊接；

其中，所述接头强度匹配为等强匹配。

2.根据权利要求1所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：所述焊接填料包括，26-33％重量的铁、12-15％重量的铬、0.15-0.18％重量的碳、0.05-0.1％重量的硒、2.1-2.7％重量的锰、0.8-1.2％重量的硅、0.1-0.5％重量的钇。

3.根据权利要求2所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：所述硒和钇的重量比为1:2.0-5.0。

4.根据权利要求1所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：所述接头的强度达到钢板强度的98.3％以上。

5.根据权利要求1所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：所述S3中焊接采用半自动混合气体保护焊。

6.根据权利要求5所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：所述焊接保护气体为He、Ar和CO₂的混合气体保护。

7.根据权利要求6所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：所述He、Ar和CO₂的体积比例为1:1-1.35:0.06-0.2。

8.根据权利要求5所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：所述焊接保护气体的流量为15-30L/min。

9.根据权利要求1所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：所述S3中每层焊接为2-5道焊接。

10.根据权利要求1所述的钢板间缝隙的填充方法，其特征在于：在所述焊接期间，接头的焊道间温度保持在20-100℃。

Images