CN112388199B - 一种对包含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的方法、应用和仪器 - Google Patents

一种对包含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的方法、应用和仪器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的方法、应用和仪器。本发明的碳当量修正式CEs、Ceqs、Pcms，增加Ti、Nb对碳当量的负影响，用于优化微合金高强钢化学成分，预测焊接热影响区硬度，设置焊接预热温度，避免发生焊接裂纹，适用于微合金高强钢、超高强钢的产品设计开发及应用。本发明的碳当量预估方法可以更加准确地预测焊接区硬度值及软化倾向，指导品种开发及制定焊接工艺。

Description

一种对包含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的方法、应用 和仪器
技术领域
本发明属于高强钢技术领域，涉及一种对包含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的方法、应用和仪器。本发明的碳当量修正式CEs、Ceqs、Pcms，增加Ti、Nb对碳当量的影响，用于优化微合金高强钢化学成分，预测焊接热影响区硬度，设置焊接预热温度，避免发生焊接裂纹，适用于微合金高强钢、超高强钢的产品设计开发及应用。
背景技术
目前以传统碳当量公式指导设计高强钢、以冷裂敏感指数指导制定焊接工艺的传统理念，焊接接头强度控制技术，主要是依据经典传统的焊接冶金学、金属学及热处理理论，将焊接接头的强度控制（高强匹配、等强匹配、低强匹配）作为控制目标，不适应焊接接头在后续的塑性成形、动态服役、静态承载的综合要求。
通常用碳当量表示焊接热影响区的硬化倾向（式1，式2，式3）。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（式1）；
Figure 298218DEST_PATH_IMAGE002
（式2）；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（式3）；
以碳当量公式为基础，建立了热影响区硬度的经验公式，例如木原公式（式4）：
Figure 962549DEST_PATH_IMAGE004
（式4）。
随着能源工程、工程机械、特种车辆的大型化、安全性的提升，对500 -1000MPa高强度及1200-1700MPa系列超高强度微合金系列钢板的需求越来越多，通常添加Ti（质量分数0.015 ~0.15％）、 Nb（质量分数0.02~0.15%），以达到强烈的析出强化效果。这种析出强化，在实际焊接后会消失，降低焊接接头的局部硬度及强度，从而降低承载性能，安全危害性极大（见图1、图2）。
而依据传统的碳当量公式为基础的热影响区硬度的经验公式，例如木原公式（式4），会高估该类钢材的焊接接头强度，造成科技工作者对接头硬度和强度的误判，造成设计方向错误，需要进行修正。
发明内容
针对上述问题，本发明通过大量实验，建立了碳当量的修正式：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（式5）；
Figure 533339DEST_PATH_IMAGE006
（式6）。
纳入了碳化物形成元素Ti、Nb对碳当量的负影响，本预估式适合于添加Ti（质量分数0.015 ~0.15％）、Nb（质量分数0.02~0.15%）的钢材。将预估式代入木原公式（式4），可以更加准确地预测焊接区硬度值，指导品种开发。
本发明的第一方面在于提出了一种对含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的方法，包括以下步骤：
S1，用传统的公式计算得出碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm；
S2，用修正公式计算得出碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm的与Ti和/或Nb的含量呈线性比例的修正值；
S2，用计算传统的公式得到的碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm减去用修正公式计算得到的修正值；
其中，碳当量CE、Ceq的修正公式如下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，Nb和Ti分别为Nb和Ti的质量百分比，a为0.2~0.4，b为0.2~0.3；
其中，焊接敏感性Pcm的修正公式如下式：
Figure 915910DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，Nb和Ti分别为Nb和Ti的质量百分比，C为0.015~0.025。
在本发明的一些实施方式中，计算碳当量CE、Ceq的传统的公式为下列公式中的任一个：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
(式1)；
Figure 331979DEST_PATH_IMAGE010
（式2）。
在本发明的一些实施方式中，计算焊接敏感性Pcm的传统的公式为下列公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
(式3)。
在本发明的一些实施方式中，所述含钛铌元素钢材中，Ti的质量分数为0.015-0.15％，Nb的质量分数为0.02-0.15%。
本发明的第二方面在于提出了一种第一方面所述的方法在以传统的碳当量公式为基础的热影响区硬度的经验公式中的应用。
在本发明的一些实施方式中，所述传统的碳当量公式为基础的热影响区硬度的经验公式为木原公式。
本发明的第三方面在于提出了7、一种对含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的仪器，包括处理模块；
所述处理模块用于运行以下步骤：
S1，按照传统的公式计算得出碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm；
S2，用修正公式计算得出碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm的与Ti和/或Nb的含量呈线性比例的修正值；
S2，用计算传统的公式得到的碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm减去用修正公式计算得到的修正值。
在本发明的一些实施方式中，碳当量CE、Ceq的修正公式如下式：
Figure 381974DEST_PATH_IMAGE012
；
其中，Nb和Ti分别为Nb和Ti的质量百分比，a为0.2~0.4，b为0.2~0.3；
焊接敏感性Pcm的修正公式如下式：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
；
其中，Nb和Ti分别为Nb和Ti的质量百分比，C为0.015~0.025。
在本发明的一些实施方式中，还包括输出模块，用于输出
Figure 858086DEST_PATH_IMAGE014
和/或
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的计算结果。
在本发明的一些实施方式中，还包括输入模块，用于输入或获取含钛和/或铌元素钢材中的钛和/或铌的重量含量。
本发明的有益技术效果：
本发明的预估方法，纳入了碳化物形成元素Ti、Nb对碳当量的负影响，本预估式适合于添加Ti(质量分数0.015 ~0.15％)、Nb(质量分数0.02~0.15%)的钢材。将预估式代入木原公式（式4），可以更加准确地预测焊接区硬度值，指导品种开发。
本发明的预估式用于优化微合金高强钢化学成分，预测焊接热影响区硬度值及软化倾向，计算焊接预热温度，避免发生焊接裂纹，适用于高强钢、超高强钢的产品设计开发及制定焊接工艺。
附图说明
图1 为实际焊接不同热输入接头的打底焊道硬度；
图2 为实际焊接不同热输入接头的盖面焊道硬度。
具体实施方式
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。
除非特别指出，以下实施例和对比例为平行试验，采用同样的处理步骤和参数。
实施例1：Q700钢板，化学成分见表1，用（式1）计算得到CE=0.386，用（式2）计算得到Ceq=0.394，用（式3）计算得到Pcm=0.162。代入木原公式（式4），得到Hmax（式4）=302HV。
表1 试验Q700钢板化学成分（Wt%）
Figure 727953DEST_PATH_IMAGE016
而实际上焊接热影响区最高硬度仅为232HV~271HV（表2），预测值与实际值偏差很大。
表2 Q700热影响区最高硬度试验
Figure DEST_PATH_IMAGE017
使用预估公式（式5，式6）算得CEs=0.328~0.352，Ceqs=0.338~0.36，Pcms=0.158 ~0.159。代入木原公式（式4），得到Hmax（式4）=265HV~280HV，与实测值有较高的吻合度。
实施例2：Q600钢板，化学成分见表3，用（式1）计算得到CE=0.323，用（式2）计算得到Ceq=0.332，用（式3）计算得到Pcm=0.153。代入木原公式（式4），得到Hmax（式4）=261HV。
表3 试验钢板Q600化学成分（Wt%）
Figure 213292DEST_PATH_IMAGE018
而实际上焊接热影响区最高硬度仅为217HV~230HV（表4），预测值与实际值偏差很大。
表4 Q600最高硬度试验参数及结果
Figure DEST_PATH_IMAGE019
使用预估公式（式5，式6）算得CEs=0.269~0.29，Ceqs=0.278~0.299，Pcms=0.149 ~0.151。代入木原公式（式4），得到Hmax（式4）=225~239，与实测值有较高的吻合度。
实施例3：Q550D、Q690D钢板，化学成分见表3，Q550D用（式1）计算得到CE=0.434，用（式2）计算得到Ceq=0.43，用（式3）计算得到Pcm=0.19。代入木原公式（式4），得到Hmax（式4）=326HV。Q690D用（式1）计算得到CE=0.468，用（式2）计算得到Ceq=0.454，用（式3）计算得到Pcm=0.208。代入木原公式（式4），得到Hmax（式4）=342HV。
表5试验钢板Q550D、Q690D化学成分（Wt%）
Figure 852215DEST_PATH_IMAGE020
而实际上Q550D焊接热影响区最高硬度仅为233HV~276HV（表6）， Q690D焊接热影响区最高硬度为312HV~348HV（表7），预测值与实际值有一定偏差。
表6 Q550最高硬度实验结果
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表7 Q690D最高硬度试验结果
Figure 30387DEST_PATH_IMAGE022
使用预估公式（式5，式6）算得Q690D的CEs=0.441~0.453，Ceqs=0.427~0.440，Pcms=0.206。代入木原公式（式4），得到Hmax（式4）=324~330，与实测值更接近。
以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种对含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的方法，包括以下步骤：
S1，用传统的公式计算得出碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm；
S2，用修正公式计算得出碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm的与Ti和/或Nb的含量呈线性比例的修正值；
S2，用计算传统的公式得到的碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm减去用修正公式计算得到的修正值；
其中，碳当量CE、Ceq的修正公式如下式：
碳当量CE或Ceq修正值＝aNb+bTi；
其中，Nb和Ti分别为Nb和Ti的质量百分比，a为0.2～0.4，b为0.2～0.3；
其中，焊接敏感性Pcm的修正公式如下式：
焊接敏感性Pcm修正值＝C(Nb+Ti)；
其中，Nb和Ti分别为Nb和Ti的质量百分比，C为0.015～0.025。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算碳当量CE、Ceq的传统的公式为下列公式中的任一个：
Figure FDA0003403458250000011
Figure FDA0003403458250000012
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，计算焊接敏感性Pcm的传统的公式为下列公式：
Figure FDA0003403458250000013
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述含钛铌元素钢材中，Ti的质量分数为0.015-0.15％，Nb的质量分数为0.02-0.15％。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述含钛铌元素钢材中，Ti的质量分数为0.015-0.15％，Nb的质量分数为0.02-0.15％。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的方法在以传统的碳当量公式为基础的热影响区硬度的经验公式中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述传统的碳当量公式为基础的热影响区硬度的经验公式为木原公式。
8.一种对含钛铌元素钢材的焊接性能进行预估的仪器，包括处理模块；
所述处理模块用于运行以下步骤：
S1，按照传统的公式计算得出碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm；
S2，用修正公式计算得出碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm的与Ti和/或Nb的含量呈线性比例的修正值；
S2，用计算传统的公式得到的碳当量CE、Ceq或焊接敏感性Pcm减去用修正公式计算得到的修正值；
碳当量CE、Ceq的修正公式如下式：
碳当量CE或Ceq修正值＝aNb+bTi；
其中，Nb和Ti分别为Nb和Ti的质量百分比，a为0.2～0.4，b为0.2～0.3；
焊接敏感性Pcm的修正公式如下式：
焊接敏感性Pcm修正值＝C(Nb+Ti)；
其中，Nb和Ti分别为Nb和Ti的质量百分比，C为0.015～0.025。
9.根据权利要求8所述的仪器，其特征在于，还包括输出模块，用于输出碳当量CE或Ceq和/或焊接敏感性Pcm的计算结果。
10.根据权利要求8或9所述的仪器，其特征在于，还包括输入模块，用于输入或获取含钛和/或铌元素钢材中的钛和/或铌的重量含量。
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