CN113319465A - 一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝及其焊接方法，所述一套焊丝包括两种焊丝，所述焊接方法，第一，对超高强钢的待连接部位进行开坡口；第二，对超高强钢进行预热；第三，使用双丝气体保护焊设备进行多层焊接；第四，对超高强钢焊接构件进行焊后热处理。本发明提供的双丝气体保护焊焊丝及其焊接方法，能够方便的实现焊缝金属的复杂合金化，形成优良的组织结构，焊接效率高，焊接过程稳定，飞溅少，焊接接头应力和变形小，氢致裂纹敏感性低，能够有效控制各种裂纹的产生，焊缝化学成分均匀，热影响区小，能够实现焊缝和热影响区的强度和韧性的综合匹配，满足焊接接头力学性能要求。

Description

一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝及焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝及焊接方法。

背景技术

随着冶金、矿山、工程机械、电力、船舶、石油化工等工业的迅速发展，对高性能钢铁材料的需求越来越高，为了满足这一需求，钢铁企业通过采用微合金化技术、高纯净度熔炼技术、以快速冷却为核心的热机械控制工艺、热处理工艺等新技术开发了一系列回火马氏体和贝氏体超高强钢。然而，随着钢材的强度的提高，焊接的难度越来越大，与之匹配的焊接技术出现相对滞后的状况，限制了钢材的推广应用。

由于超高强钢化学成分中的合金系统复杂，大多数钢均具有较高的淬硬倾向，采用常规熔焊等焊接方法在焊接超高强钢时，尽管实现了焊接接头的超高强度要求，然而，焊缝金属易产生冷裂纹，焊接接头脆化，冲击韧性较低，严重制约着超高强度钢的推广使用，由于韧性和强度是一倒置关系，对组织特征的要求互相矛盾，采用传统焊接材料和焊接方法难以实现二者之间的综合匹配。

为防止焊接冷裂纹的产生和改进焊接接头性能，需要对待焊工件进行预热，层间温度控制、焊后消氢处理等工艺。中国发明专利CN109226941 A公开了一种低合金超高强钢Q1100E薄板的GMAW焊接方法，钢板厚度为8-12mm，采用V型坡口对接，通过严格控制预热温度、层间温度、热输入量、焊后消氢处理等工艺进行单面焊双面成型，焊接接头抗拉强度≥1000MPa，面弯和背弯均合格，焊缝、熔合区、热影响区-40℃冲击功≥27J。中国发明专利CN105522262 B公布了屈服强度1100MPa级低合金超高强钢的焊接方法，钢板厚度为4-30mm，对于厚度＞10mm的焊接母材的钢板对接接头处开双面对称X型坡口，厚度≤10mm的钢板对接接头处开V型坡口，通过选择合适的焊接线能量、焊前预热温度、施焊方式以及焊道层间温度、焊后缓冷、回火处理的方式，达到了有效避免超高强度钢的焊接冷裂纹的出现。

目前，如何提高焊接效率、防止超高强钢焊接冷裂纹产生和确保焊接接头具有优良的综合力学性能是超高强度钢焊接技术的关键，采用传统的焊接材料和焊接工艺对焊接接头的性能改进有限，很难综合调控强度和韧性的矛盾，为了彻底解决这一难题，必须开发新型焊接材料及配套的优质、高效的焊接新技术。

发明内容

针对超高强钢焊接用焊丝匹配困难，焊接效率低，焊接应力大，焊接过程中容易产生裂纹，氢致裂纹敏感性高，强度和韧性调控困难，焊接接头综合性能难以满足日益增长的市场需求，本发明提出了一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝及焊接方法。

本发明提出的一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝，包括两种焊丝，分别为焊丝1和焊丝2，焊丝1组分及其质量百分比为：45％≤Ni≤55％，17％≤Cr≤20％，18％≤Co≤25％，3％≤Mo≤6％，1％≤W≤3％，1％≤Nb≤3％，0.7％≤Si≤2％，0.02％≤B≤0.04％，0.01％≤Mg≤0.05％，0.04％≤Y≤0.14％，以上各组分的质量百分比总和为100％，焊丝2组分及其质量百分比为：36％≤Ni≤44％，24％≤Cr≤28％，5％≤Co≤10％，15％≤Ti≤20％，6％≤Al≤10％，0.40％≤Mn≤1.40％，0.01％≤Ca≤0.04％，0.05％≤C≤0.10％，以上各组分的质量百分比总和为100％。

本发明提供的一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝成分作用为：

Ni、Co、Cr、Mo、W主要是基体形成元素，使得基体形成FCC(γ)相，Ni为FCC相稳定元素，可与Fe固溶，Ni的主要作用是固溶强化基体；Co为FCC相稳定元素，可与Fe、Ni、Cr形成单一FCC相固溶体，固溶强化基体，降低Al、Ti在基体中的溶解度，从而增加L1₂(γ′)析出相的数量，能提高合金的高温耐蚀性能；Cr一般为BCC相稳定元素，可与Fe元素固溶，Cr的主要作用是固溶强化基体，以及形成碳化物强化晶界；Mo、W对FCC(γ)和L1₂(γ′)相都有很强的固溶强化效果，能使合金具有良好的高温性能；Al、Ti、Nb是形成纳米L1₂(γ′)析出相的主要合金元素，Al、Ti也容易形成纳米BCC析出相，L1₂(γ′)析出相和BCC析出相都具有沉淀强化作用，显著提高了焊缝的强度，Ti、Nb同时也是碳化物形成元素；Si、Mn主要固溶强化和净化焊缝作用；C、B主要形成碳化物和硼化物，是最重要的晶界和枝间强化元素；Y、Ca、Mg属于微量添加元素，目的是净化焊缝，清除有害杂质和气体，进一步净化和强化晶界。

优选地，所述焊丝1为实心焊丝和药芯焊丝中的一种，所述焊丝2为实心焊丝和药芯焊丝中的一种，便于实现焊丝成分的调配。

本发明提出的一种使用权利要求1～2任意一项的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

(1)对超高强钢进行坡口设计，加工坡口，清理坡口处的油污和杂质；

(2)焊接前对超高强钢进行预热；

(3)设定焊接工艺参数，通入焊接保护气体，引导焊丝采用所述的两种焊丝中的一种，跟随焊丝采用所述的两种焊丝中的另外一种，使用双丝气体保护焊设备进行多层焊接，焊接过程中控制层间温度，焊接过程中及其焊接结束后进行缓冷处理；

(4)设定焊后热处理参数，对超高强钢焊接构件进行焊后热处理。

一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝及焊接方法的基本原理为：

第一，采用设计的两种焊丝及双丝气体保护焊工艺实现焊缝金属复杂合金化，获得纳米析出强化合金。通过设计两根焊丝的成分、焊丝种类、焊丝直径和调节送丝速度来控制填充合金的成分，通过调节焊接速度、基值电流、峰值电流、脉冲宽度比、脉冲频率等参数来调节稀释率，从而实现所设计的焊缝合金成分和相结构；

第二，获得的焊缝组织强度韧性高。焊缝的基体组织为FCC(γ)相，增强相为纳米L1₂(γ′)析出相或纳米BCC析出相，在FCC基体上交替分布着纳米析出强化的L1₂(γ′)析出相或BCC析出相，能够实现焊缝金属强度和韧性的综合匹配，满足焊接接头强度和韧性要求；

第三，产生的焊接接头应力小，抗裂纹能力强。一方面，由于焊缝高温组织稳定性好，使得在焊接冷却过程中，主要形成基体FCC(γ)相和纳米L1₂(γ′)析出相或纳米BCC析出相，相变应力小，另一方面，热膨胀系数小，产生的温度应力小，使得总的焊接应力小，抗裂纹能力强；

第四，焊接接头热影响区氢致裂纹敏感性低。这是由于焊缝主要形成FCC(γ)基体相以及纳米L1₂(γ′)析出相或纳米BCC析出相，主要是面心结构，氢的溶解度大，不易向热影响区扩散，使得热影响区的氢致裂纹敏感性也低，因此，焊接接头的氢致裂纹敏感性低；

第五，通过控制焊接热过程，能够避免热影响区冷裂纹的形成。通过焊前预热、层间温度控制、焊后缓冷来调控热影响区的组织和性能，避免焊接过程中热影响区冷裂纹的形成；

第六，通过焊后热处理，进一步调控热影响区的组织和性能，进一步降低应力，促进氢的逸出，降低氢的含量，实现热影响区强度和韧性的良好匹配，同时，由于焊缝高温组织稳定，在热处理过程中焊缝性能受到的影响小，因此，焊后热处理能够方便的调控整个焊接接头的组织，满足焊接接头强韧性的要求。

具体地，在步骤(1)中，清理坡口处的油污和杂质，避免污染焊缝，提高焊缝的纯净度，避免焊接过程中焊缝热裂纹的形成。

步骤(2)中，焊接前对超高强钢进行预热，预热温度为100～300℃，预热宽度不小于100mm，合适的预热温度和预热范围能够降低焊接冷却速度，改善热影响区的组织和性能，避免淬硬组织的形成，降低焊接应力，从而有效地防止冷裂纹的产生。

步骤(3)中，焊接过程中控制层间温度，层间温度为150～300℃，焊接过程中及其焊接结束后采用岩棉垫覆盖进行缓冷处理，从而降低焊接冷却速度，降低焊接应力，改善热影响区的组织和性能，从而有效地防止冷裂纹的产生。

步骤(4)中，对超高强钢焊接构件进行焊后热处理，所述焊后热处理参数为：加热温度为300～450℃，加热宽度不小于60mm，保温时间为1～5h，降温速度不大于150℃/h，通过焊后热处理，降低焊接冷却速度，降低焊接应力，改善热影响区的组织和性能，降低焊接接头氢的含量，避免裂纹的形成。

进一步地，所述坡口形式为U型坡口或不对称双U型坡口，其中，U型坡口的坡口角度为5°～20°，坡口深度为3～14mm，根部间隙为0.5～2mm，钝边高度为1～2mm，坡口圆弧半径为1.5～5mm，不对称双U型坡口的上坡口角度为5°～20°，上坡口深度为5～14mm，上坡口圆弧半径为1.5～5mm，根部间隙为0.5～2mm，钝边高度为1～3mm，下坡口角度为5°～20°，下坡口深度为3～8mm，下坡口圆弧半径为1～4mm，通过采用U型坡口或不对称双U型坡口，精确调控焊缝的稀释率，确保焊缝的成分满足设计要求，获得合适的组织和性能，还能够提高焊接效率，降低焊接成本。

进一步地，当所述坡口形式选择U型坡口时，采用单面焊接，当所述坡口形式选择不对称双U型坡口时，采用双面焊接，先焊接坡口深度小的一面，再焊接坡口深度大的一面，有利于减小焊接应力和变形。

进一步地，所述焊接保护气体为He、Ar中的至少一种，一方面，焊接保护气体作为产生电弧的介质，维持电弧稳定燃烧，使焊接过程顺利进行，另一方面，焊接保护气体保护熔滴和熔池，避免焊接区金属被氧化和氮化，保证焊缝合金的质量。

进一步地，所述双丝气体保护焊工艺采用直流反接或直流正接，引导焊丝和跟随焊丝间的脉冲电流相位相差180°，焊丝间协同控制，电弧交替燃烧，能够克服电弧间的电磁干扰作用，焊接速度快，焊接效率高，热输入低，热影响区小，在高速焊接条件下能实现稳定的焊接过程。

进一步地，所述焊接工艺参数为：焊丝直径为0.8～2.0mm，基值电流为30～150A，峰值电流为200～700A，脉冲宽度比为10％～40％，脉冲频率为20～400Hz，送丝速度为3～20m/min，焊接速度为0.6～2.5m/min，气体流量为20～50L/min，采用双丝熔化极气体保护焊焊接工艺，通过调节焊接工艺参数，调节两根焊丝及母材的熔化量，进而调节焊缝金属的成分及含量，实现所设计的焊缝合金成分、含量及组织结构。

进一步地，每层焊缝的稀释率为10～30％，通过控制每层焊缝的稀释率的大小，实现所设计的焊缝合金成分、含量及相结构。

相对于现有技术，本发明提出的一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝及焊接方法的有益效果为：能够方便的实现焊缝金属的复杂合金化，形成优良的组织结构，焊接效率高，焊接过程稳定，飞溅少，焊接接头应力小，氢致裂纹敏感性低，能够有效控制各种裂纹的产生，焊缝化学成分均匀，热影响区小，能够实现焊缝和热影响区的强韧性的综合匹配，满足焊接接头力学性能要求。

附图说明

图1为超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法流程图。

图2为U型坡口图，其中，1-坡口深度，2-坡口角度，3-根部间隙，4-坡口圆弧半径，5-钝边高度。

图3为不对称双U型坡口图，其中，6-上坡口深度，7-下坡口深度，8-上坡口角度，9-下坡口角度，10-上坡口圆弧半径，11-下坡口圆弧半径，12-根部间隙，13-钝边高度。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1-5：一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝及其焊接方法如下所述。

1、焊丝种类、元素组成及含量的确定

本发明提出的一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝，包括两种焊丝，分别为焊丝1和焊丝2，焊丝1组分及其质量百分比为：45％≤Ni≤55％，17％≤Cr≤20％，18％≤Co≤25％，3％≤Mo≤6％，1％≤W≤3％，1％≤Nb≤3％，0.7％≤Si≤2％，0.02％≤B≤0.04％，0.01％≤Mg≤0.05％，0.04％≤Y≤0.14％，以上各组分的质量百分比总和为100％，焊丝2组分及其质量百分比为：36％≤Ni≤44％，24％≤Cr≤28％，5％≤Co≤10％，15％≤Ti≤20％，6％≤Al≤10％，0.40％≤Mn≤1.40％，0.01％≤Ca≤0.04％，0.05％≤C≤0.10％，以上各组分的质量百分比总和为100％。

各实施例所述的焊丝种类、元素组成及含量见表1，焊接所用超高强钢的屈服强度大于960MPa。

表1 各实施例所述焊丝种类、元素组成及含量

2、超高强钢双丝气体保护焊焊接方法

本发明实施例提供的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，具体按照以下步骤实施：

(1)对超高强钢进行坡口设计，各实施例所述坡口形式及尺寸见表2，加工坡口，然后清理坡口处的油污和杂质；

(2)焊接前对超高强钢进行预热，各实施例所述焊前预热温度及预热宽度参数见表3；

(3)设定焊接工艺参数，各实施例所述焊接工艺参数见表4，通入焊接保护气体，引导焊丝采用所述的两种焊丝中的一种，跟随焊丝采用所述的两种焊丝中的另外一种，使用双丝气体保护焊设备进行多层焊接，实施例1和实施例2采用U型坡口，采用单面焊接，实施例3、实施例4和实施例5采用不对称双U型坡口，采用双面焊接，先焊接坡口深度小的一面，再焊接坡口深度大的一面，实施例1、实施例2、实施例3和实施例4采用直流反接，实施例5采用直流正接，引导焊丝和跟随焊丝间的脉冲电流相位相差180°，焊接过程中控制层间温度，各实施例所述层间温度参数见表3，焊接过程中及其焊接结束后进行缓冷处理；

(4)设定焊后热处理参数，各实施例所述焊后热处理参数见表3，对超高强钢焊接构件进行焊后热处理。

表2 各实施例所述坡口形式及尺寸

表3 各实施例所述焊前预热、层间温度及其焊后热处理参数

表4 各实施例所述焊接工艺参数

各实施例方便的实现了焊缝金属的复杂合金化，形成了优良的组织结构，基体为FCC相，增强相为分布在基体上的纳米析出相，采用双丝焊接，焊接效率高，焊接过程稳定，飞溅少，获得的焊接接头应力和变形小，氢致裂纹敏感性低，没有裂纹，焊缝内部质量高，焊缝化学成分均匀，热影响区小，焊缝和热影响区的强度和韧性高，焊缝显微硬度小于330HV，-40℃冲击功大于80J，拉伸断裂于母材，焊接接头的各项力学性能满足技术要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝，其特征在于，包括两种焊丝，分别为焊丝1和焊丝2，焊丝1组分及其质量百分比为：45％≤Ni≤55％，17％≤Cr≤20％，18％≤Co≤25％，3％≤Mo≤6％，1％≤W≤3％，1％≤Nb≤3％，0.7％≤Si≤2％，0.02％≤B≤0.04％，0.01％≤Mg≤0.05％，0.04％≤Y≤0.14％，以上各组分的质量百分比总和为100％，焊丝2组分及其质量百分比为：36％≤Ni≤44％，24％≤Cr≤28％，5％≤Co≤10％，15％≤Ti≤20％，6％≤Al≤10％，0.40％≤Mn≤1.40％，0.01％≤Ca≤0.04％，0.05％≤C≤0.10％，以上各组分的质量百分比总和为100％。

2.根据权利要求1所述的一套用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊丝，其特征在于，所述焊丝1为实心焊丝和药芯焊丝中的一种，所述焊丝2为实心焊丝和药芯焊丝中的一种。

3.一种使用权利要求1～2任意一项的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

(1)对超高强钢进行坡口设计，加工坡口，清理坡口处的油污和杂质；

(2)焊接前对超高强钢进行预热；

(3)设定焊接工艺参数，通入焊接保护气体，引导焊丝采用所述的两种焊丝中的一种，跟随焊丝采用所述的两种焊丝中的另外一种，使用双丝气体保护焊设备进行多层焊接，焊接过程中控制层间温度，焊接过程中及其焊接结束后进行缓冷处理；

(4)设定焊后热处理参数，对超高强钢焊接构件进行焊后热处理。

4.根据权利要求3所述的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述坡口形式为U型坡口或不对称双U型坡口，其中，U型坡口的坡口角度为5°～20°，坡口深度为3～14mm，根部间隙为0.5～2mm，钝边高度为1～2mm，坡口圆弧半径为1.5～5mm，不对称双U型坡口的上坡口角度为5°～20°，上坡口深度为5～14mm，上坡口圆弧半径为1.5～5mm，根部间隙为0.5～2mm，钝边高度为1～3mm，下坡口角度为5°～20°，下坡口深度为3～8mm，下坡口圆弧半径为1～4mm。

5.根据权利要求4所述的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，当所述坡口形式选择U型坡口时，采用单面焊接，当所述坡口形式选择不对称双U型坡口时，采用双面焊接，先焊接坡口深度小的一面，再焊接坡口深度大的一面。

6.根据权利要求3所述的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊接保护气体为He、Ar中的至少一种。

7.根据权利要求3所述的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述双丝气体保护焊工艺采用直流反接或直流正接，引导焊丝和跟随焊丝间的脉冲电流相位相差180°。

8.根据权利要求3所述的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊接工艺参数为：焊丝直径为0.8～2.0mm，基值电流为30～150A，峰值电流为200～700A，脉冲宽度比为10％～40％，脉冲频率为20～400Hz，送丝速度为3～20m/min，焊接速度为0.6～2.5m/min，气体流量为20～50L/min。

9.根据权利要求3所述的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊前预热温度为100～300℃，预热宽度不小于100mm，层间温度为150～300℃。

10.根据权利要求3所述的用于超高强钢焊接的双丝气体保护焊焊接方法，其特征在于，所述焊后热处理参数为：加热温度为300～450℃，加热宽度不小于60mm，保温时间为1～5h，降温速度不大于150℃/h。

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