CN113732552B - 基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法 - Google Patents

基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，其步骤依次包括：选用试验板为低碳微合金钢板；低碳微合金埋弧焊丝和碱性烧结焊剂配合使用；所述一对试验板进行平焊位置对接焊，其坡口形式为一侧直边的带钝边双V型坡口，且在坡口背面设置同质垫板，所述钝边向外偏折形成下V型坡口，下V型坡口向外偏折形成上V型坡口，下V型坡口与坡口中心轴线成角α，上V型坡口与坡口中心轴线成角β；采用多丝自动埋弧焊接的方式对试验板进行焊接，多丝包括前丝、中丝和后丝，多丝同时共熔池焊接；完成焊接后，观察和检测焊接接头的裂纹倾向以评估材料的工艺焊接性，并通过焊接接头的力学性能检测以评估材料的使用焊接性。

Description

基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法
技术领域
本发明涉及微合金钢焊接技术，特别涉及一种基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法。
背景技术
对于使用低碳微合金钢的重要工程结构，焊接是现场安装与施工的关键工序，焊接质量与效率也决定着工程项目的质量与效率，而低碳微合金钢材料的现场焊接性优劣将直接影响到焊接接头质量与安全服役。一般的，材料的焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性，前者主要是指焊接过程中避免焊接缺陷问题(包括各种类型的焊接裂纹敏感性)、得到连续完整焊接接头的能力，后者主要是指焊接接头的使用性能(包括强度、塑性、韧性等力学性能)。
在大量应用低碳微合金钢厚板的重要工业领域，比如船舶制造、海洋工程结构、压力容器、高等级建筑结构等，在制造施工过程中，为了提高焊接效率，热输入一般高于5.0kJ/mm，而焊接热输入对于一定规格的低碳微合金钢的焊接加热与冷却过程具有重要影响，从而影响到接头固态相变与微观组织演化，并最终决定了接头整体使用性能与服役安全。同时，对于厚壁低碳微合金钢板材，不同焊接热输入条件下，裂纹敏感性也有差别，表现出不同的工艺焊接性。鉴于此，对于低碳微合金钢厚板，需要一种与现场施工条件接近的安全、可靠、完备的可焊接性评估方法。
目前，针对钢铁材料工艺焊接性即焊接裂纹敏感性的评估方法很多，如：ISO17642-2标准提出了用于板材冷裂纹敏感性评估的TEKKEN试验，与GB 4675.1所述斜Y型坡口焊接裂纹试验方法类似，在高拘束条件下进行小尺度试验焊缝的焊接，以此评估材料在一定焊接条件下的冷裂纹敏感性，然而该种试验方法拘束条件过于苛刻，加之试验焊缝为不规则形状的单道焊缝，存在较高的焊接残余应力，更加有利于诱发冷裂纹，所以，这种方法较为保守，以此指导低碳微合金钢现场施工焊接将增加不必要的施工成本，不符合“合于使用”原则。GB/T 13817提供了一种刚性拘束焊接裂纹试验方法，其将试验钢板完全固定在一块厚度非常大的底板上，焊接过程中残余应力得不到释放，容易在接头区域诱发冷裂纹，这种方法同样偏保守，且焊接接头型式与低碳微合金钢结构常用接头型式也存在很大差异，不具有直接的现场施工焊接指导作用。中国专利201611208203.5公开的一种改进的斜Y型坡口焊接裂纹敏感性试验试件及其制造方法、中国专利201510012348.7公开的一种斜Y型坡口焊接裂纹试验拘束焊缝制造方法，均仅能解决一定条件下焊接性间接评估的问题。上述公开的专利与非专利文献均侧重于工艺焊接性的间接评估，对低碳微合金钢结构现场焊接施工具有一定的参考意义，但没有直接的指导作用，主要是其均无法顾及使用焊接性，与高热输入焊接条件差别较大，而且接头设计形式与焊接工艺方法实施细节与低碳微合金钢结构主流的施工焊接条件也存在较大差别。
中国专利201410516996.1公开了一种海洋平台用钢板焊接方法、中国专利201110181417.9公开了一种特厚钢板T型接头埋弧焊接工艺，两者均采用了一般的K型坡口形式，如果焊接工艺实施过程控制得当，焊后能够得到单侧具有一定直度的熔合线，并满足CGHAZ位置冲击与断裂韧性取样要求，但是其均为具体的特厚板(例如50～150mm)产品结构，对各个工业领域不具有普遍性。同时，它们没有涉及单侧直边熔合线直度的保证措施，当钢板较厚时，焊后熔合线直度容易得到保证，而钢板较薄时，焊接熔池很容易破坏熔合线直度。另外，中国专利201510385434.2公开了一种大厚板焊接返修接头的CTOD工艺试验方法、中国专利201510605044.1公开了一种焊接返修CTOD实验方法，两者虽然在板厚较厚时也具有一定的单侧直边熔合线特征，但均属于在成品焊接件中发现缺陷后的返修加工措施，不能满足具有普遍性的一定焊接热输入范围内低碳微合金钢同时评估工艺焊接性与使用焊接性的需求。
此外，在双丝或多丝自动埋弧焊接领域，中国专利201710439703.8公开了一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法、中国专利201410009083.0公开了一种海洋环境用高耐候多丝埋弧焊钢管制备方法，两者均是针对具体的工业领域与材料，采用非对称X型坡口，利用双丝或多丝埋弧焊接的技术优势，提供了具体产品制造的解决方案，同样也不能满足具有普遍性的一定焊接热输入范围内低碳微合金钢同时评估工艺焊接性与使用焊接性的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，在高热输入条件下，通过特殊的单侧直边坡口形式、构建并优化焊接工艺参数组合、焊枪位置设置以及焊接过程质量控制等得到单侧熔合线直度良好的焊接接头，通过观察和检测焊接接头以评估材料的工艺焊接性和使用焊接性。
本发明是这样实现的：
一种基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，步骤如下：
步骤一，选用试验板为低碳微合金钢板，所述钢板厚度t≥40mm；
步骤二，选用低碳微合金埋弧焊丝和碱性烧结焊剂，焊丝直径为4.0～6.0mm；
步骤三，所述一对试验板进行平焊位置对接焊，其坡口形式为一侧直边的带钝边双V型坡口，所述钝边向外偏折形成下V型坡口，下V型坡口向外偏折形成上V型坡口，下V型坡口与坡口中心轴线成角α，上V型坡口与坡口中心轴线成角β，且在坡口背面设置同质垫板，其中，α＝40～65°，β＝25～45°，钝边高度a为5～11mm，下V型坡口高度b为11～25mm且b小于钢板厚度t的1/3，垫板厚度c为12～25mm，垫板覆盖坡口的宽度d为80～400mm，所述试验板的组对间隙为0～1mm；
步骤四，采用多丝自动埋弧焊接的方式对试验板进行焊接，多丝包括前丝、中丝和后丝，多丝同时共熔池焊接，其中：
所用的焊接工艺参数为：焊接热输入E为5.0～10.0kJ/mm；前丝的焊接电流I前与前丝直径R前的关系为I前＝(150～250)R前；中丝的焊接电流I中与中丝直径R中的关系为I中＝(140～200)R中；后丝的焊接电流I后与后丝直径R后的关系为I后＝(110～180)R后；所述各丝的焊接电压分别与焊接电流、焊丝干伸长度相匹配，且各丝的焊接电流、焊接电压与焊接行走速度的组合能与试验所需的焊接热输入数值相匹配；
焊接过程中，沿着焊接方向，前丝焊枪向前的倾斜角度为δ1＝5～25°，中丝焊枪向后的倾斜角度为δ2＝0～10°，后丝焊枪向后的倾斜角度δ3＝10～30°；沿坡口宽度方向，前丝焊枪与坡口的直边侧形成夹角θ＝5～20°，中丝焊枪和后丝焊枪均竖直设置；各丝端头与坡口的直边侧的距离L为L＝E/1.5+2.0，L的单位为mm，E为焊接热输入；
步骤五，完成焊接后得到焊接接头，观察和检测焊接接头的裂纹倾向以评估材料的工艺焊接性，并通过焊接接头的力学性能检测以评估材料的使用焊接性。
所述步骤四的焊接工艺参数中：前丝的焊接电流为650～1500A，焊接电压为30～40V；中丝的焊接电流为600～1200A，焊接电压为33～42V；后丝的焊接电流为450～1000A，焊接电压为35～44V；各焊丝的焊接行走速度为700～1200mm/min，各焊丝的间距为20～40mm。
所述步骤五中，力学性能检测包括通过单侧直边熔合线邻近的焊接热影响区粗晶区低温冲击与断裂韧性检测。
本发明基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，首先，根据高热输入为5.0～10.0kJ/mm的条件下的焊接熔池与焊缝成型特征、并结合多丝埋弧焊接在该热输入范围内具备良好的适应性与焊缝成型质量的技术特点实现，虽然在这一焊接热输入范围内，实际的工业应用还包括气电立焊的方法，但由于气电立焊主要适用于实际产品或构件的制造焊接或更高的焊接热输入条件，从具有普适性要求的焊接性评估角度来看，多丝埋弧焊接具备良好的可操作性和热输入范围适应性，既能保证合理的焊缝成型和良好的焊接质量，又能有效提高焊接速度。其次，通过设计特殊的单侧直边的焊接接头坡口形式、构建并优化科学合理的焊接工艺参数组合(包括焊接电流、焊接电压、焊接行走速度、焊丝间距)和焊枪位置设置，以及焊接过程质量控制，特别是熔合线直度控制技术，能得到单侧熔合线直度良好的焊接接头。通过观察和检测焊接接头的裂纹倾向，可以评估材料的工艺焊接性。通过焊接接头的力学性能检测，特别是单侧直边熔合线邻近的焊接热影响区粗晶区(CGHAZ)低温冲击与断裂韧性检测，而且单侧直边熔合线直度能保证冲击韧性取样刻槽时80％位于CGHAZ，可以评估材料在高热输入条件下的使用焊接性。本发明能够同时用于评估工艺焊接性和使用焊接性，并考虑到重要工业领域低碳微合金钢厚板产品与结构现场生产高效焊接的实际情况以及多丝埋弧焊接对高热输入范围的适应性，具有高度的普遍性和代表性。同时，单侧直边熔合线特征保证了冲击韧性与断裂韧性取样过程中试验位置精确的位于焊接接头理论上最薄弱的CGHAZ，与实际的现场安装施工焊接条件相比，本发明具有高安全裕量，对现场的安全施工与运营具有重要的直接指导作用。本发明对不同领域低碳微合金钢厚板在高热输入条件下的现场焊接施工中的可焊接性评估具有重要的、直接的指导意义和实用价值。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：具有普遍适用性，能同时满足高热输入条件下工艺焊接性和使用焊接性的评估需求，且实施方便、操作灵活，对硬件装备要求低、实施成本低、可重现性好。
附图说明
图1为本发明基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法的焊接接头坡口形式的结构示意图；
图2为本发明的各丝焊枪在焊接方向上的倾斜角度示意图；
图3为本发明的前丝焊枪在沿坡口宽度方向上的倾斜角度示意图；
图4为本发明的中丝焊枪在沿坡口宽度方向上的倾斜角度示意图；
图5为本发明的实施例采用的具体的焊接接头坡口形式示意图。
图中，1试验板，2垫板，3前丝焊枪，4中丝焊枪，5后丝焊枪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1～图4，一种基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，主要针对重要工业领域产品与结构制造过程中涉及的5.0～10.0kJ/mm较高焊接热输入范围的场合，应用直径为4.0～6.0mm低碳微合金钢埋弧焊丝与常用烧结焊剂，结合高热输入条件下焊接电弧与熔池特征，通过特殊设计的适应该焊接条件的单侧直边焊接接头的坡口形式，构建并优化焊接工艺参数组合，焊枪位置设置以及焊接过程质量控制，特别是熔合线直度控制技术等，得到质量良好无缺陷的焊接接头，其步骤如下：
步骤一，选用试验板1为低碳微合金钢板，所述钢板厚度t≥40mm。
步骤二，选用低碳微合金埋弧焊丝和常用碱性烧结焊剂配合使用，焊丝直径为4.0～6.0mm。
步骤三，参见图1，所述一对试验板1进行平焊位置对接焊，其坡口形式为一侧直边的带钝边双V型坡口，所述钝边向外偏折形成下V型坡口，下V型坡口向外偏折形成上V型坡口，下V型坡口与坡口中心轴线成角α，上V型坡口与坡口中心轴线成角β，且在坡口背面设置同质垫板2，其中，α＝40～65°，β＝25～45°，钝边高度a为5～11mm，下V型坡口高度b为11～25mm且b小于钢板厚度t的1/3，垫板2厚度c为12～25mm，垫板2覆盖坡口的宽度d为80～400mm，所述试验板1的组对间隙为0～1mm。采用这种优化设计的焊接接头坡口形式，在保证单侧直边设计要求的同时，并采用坡口背面添加同质垫板2辅助成型根焊方法，垫板2尺寸厚度要求适中，既保证根焊时不出现烧穿，又不能因垫板2过厚增加操作难度。钝边尺寸较大，能够充分利用多丝埋弧焊接熔透能力强的优点。坡口的开口宽度能满足焊枪根据需要优化的设置要求，从而保证单侧直边充分熔透，同时坡口的开口宽度不宜过宽从而导致焊接效率的降低。
步骤四，采用多丝自动埋弧焊接的方式对试验板1进行焊接，多丝包括前丝、中丝和后丝，多丝同时共熔池焊接。
根据5.0～10.0kJ/mm焊接热输入范围内多丝埋弧焊接需要，结合多丝埋弧焊接熔透深度大、坡口边缘熔合能力强的特点，构建并优化所用的焊接工艺参数，包括：
当焊接热输入E为5.0～10.0kJ/mm时，前丝的焊接电流I前与前丝直径R前的关系为I前＝(150～250)R前；中丝的焊接电流I中与中丝直径R中的关系为I中＝(140～200)R中；后丝的焊接电流I后与后丝直径R后的关系为I后＝(110～180)R后；所述各丝的焊接电压分别与焊接电流、焊丝干伸长度相匹配，且各丝的焊接电流、焊接电压与焊接行走速度的组合能与试验所需的焊接热输入数值相匹配。
当前丝直径R前、中丝直径R中和后丝直径R后为4.0～6.0mm时，前丝的焊接电流为650～1500A，焊接电压为30～40V；中丝的焊接电流为600～1200A，焊接电压为33～42V；后丝的焊接电流为450～1000A，焊接电压为35～44V。各焊丝的焊接行走速度为700～1200mm/min，各焊丝的间距为20～40mm。在焊接过程中，根据实际需要，前丝、中丝和后丝可以选择相同直径，也可以采用不同直径焊丝组合。
参见图2，在多丝埋弧焊接过程中，由于前丝对熔透深度作主要贡献，为了保证较大尺寸的钝边充分熔透，前丝焊枪3设置为沿焊接方向向前倾斜角度为δ1＝5～25°，由于后丝主要起到填充坡口的作用，后丝焊枪5设置为沿焊接方向向后倾斜角度δ3＝10～30°，由于中丝的作用是增加熔池能力，既需要促进熔透深度，又需要保证坡口的充分填充，中丝焊枪4设置为沿焊接方向向后倾斜角度为δ2＝0～10°。
参见图3和图4，鉴于单侧直边坡口形式的直边侧未熔合缺陷的敏感性，沿坡口的宽度方向上，前丝焊枪3与坡口的直边侧形成夹角θ＝5～20°，而在高热输入条件下，多丝埋弧焊接熔池尺寸较大，对坡口边缘的熔合能力较强，前丝焊枪3与坡口的直边侧的夹角角度不宜过大，否则会破坏焊后熔合线直度，另外，焊接过程中为多丝共熔池，因而中丝焊枪4和后丝焊枪5均为竖直设置，中丝焊枪4和后丝焊枪5不需要倾斜，不影响直边侧的熔合。
另外，考虑到不同焊接热输入时，熔池尺寸的变化及其对坡口边缘熔合行为的影响，当焊接热输入E在5.0～10.0kJ/mm范围内变化时，各丝端头与坡口的直边侧的距离L满足关系式：L＝E/1.5+2.0，L的单位为mm，E的单位为kJ/mm。在一定的焊接热输入范围内，当焊丝端头与坡口直边侧距离适当时，使得直边侧熔合良好，且不会破坏焊后直边侧熔合线直度，能得到质量良好无缺陷的焊接接头，其单侧直边熔合线直度能保证冲击韧性取样刻槽时80％位于CGHAZ。
步骤五，完成焊接后得到焊接接头，观察和检测焊接接头的裂纹倾向，以评估材料的工艺焊接性，并通过焊接接头的力学性能检测，特别是单侧直边熔合线邻近的焊接热影响区粗晶区低温冲击与断裂韧性检测，以评估材料的使用焊接性。
实施例
参见图5，试验板1选用典型的厚度为t＝50mm的EH36造船用钢，坡口背面添加同质垫板2辅助成型根焊方法，基于焊接热输入为5.0～10.0kJ/mm范围内的多丝埋弧焊接，进行可焊接性评估试验，具体的焊接接头形式为：α＝50°，β＝35°，a＝5～11mm，b＝15mm，c＝16mm，d＝100mm。应用的焊丝与焊剂匹配为AWS F9A4-EG，焊丝直径为5.0mm。
表1列出了实施例1～6的具体的焊接工艺参数组合，如下所示：
Figure BDA0002511434160000071
表2列出了实施例1～6的具体的焊枪位置设置、各丝端头与坡口的直边侧的距离L、相应的热输入值以及获得的焊接质量评估结果，如下所示：
Figure BDA0002511434160000072
Figure BDA0002511434160000081
由表1和表2可见，所有的实施例焊接过程稳定，焊接质量良好，能够用于典型低碳微合金钢厚板焊接热输入范围为5.0～10.0kJ/mm的具有单侧直边熔合线特征的焊接性评估。这里所述的焊接质量主要包括焊缝外观成型质量和内部成型质量，评判标准参考ANSI/AWS D1.1：钢结构焊接规范。
本发明基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，兼顾了材料在焊接过程中的工艺焊接性以及焊后的使用焊接性，在给定的高焊接热输入范围内，对不同行业与领域使用的低碳微合金钢厚板焊接性评估具有普适性和通用性，对低碳微合金钢厚板工业应用中具有高安全性要求的焊接性快速准确评估具有重要应用价值。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，其特征在于：其步骤如下：
步骤一，选用试验板为低碳微合金钢板，所述钢板厚度t≥40mm；
步骤二，选用低碳微合金埋弧焊丝和碱性烧结焊剂，焊丝直径为4.0～6.0mm；
步骤三，一对所述试验板进行平焊位置对接焊，其坡口形式为一侧直边的带钝边双V型坡口，所述钝边向外偏折形成下V型坡口，下V型坡口向外偏折形成上V型坡口，下V型坡口与坡口中心轴线成角α，上V型坡口与坡口中心轴线成角β，且在坡口背面设置同质垫板，其中，α＝40～65°，β＝25～45°，钝边高度a为5～11mm，下V型坡口高度b为11～25mm且b小于钢板厚度t的1/3，垫板厚度c为12～25mm，垫板覆盖坡口的宽度d为80～400mm，所述试验板的组对间隙为0～1mm；
步骤四，采用多丝自动埋弧焊接的方式对试验板进行焊接，多丝包括前丝、中丝和后丝，多丝同时共熔池焊接，其中：
所用的焊接工艺参数为：焊接热输入E为5.0～10.0kJ/mm；前丝的焊接电流I前与前丝直径R前的关系为I前＝(150～250)R前；中丝的焊接电流I中与中丝直径R中的关系为I中＝(140～200)R中；后丝的焊接电流I后与后丝直径R后的关系为I后＝(110～180)R后；所述各丝的焊接电压分别与焊接电流、焊丝干伸长度相匹配，且各丝的焊接电流、焊接电压与焊接行走速度的组合能与试验所需的焊接热输入数值相匹配；
焊接过程中，沿着焊接方向，前丝焊枪向前的倾斜角度为δ1＝5～25°，中丝焊枪向后的倾斜角度为δ2＝0～10°，后丝焊枪向后的倾斜角度δ3＝10～30°；沿坡口宽度方向，前丝焊枪与坡口的直边侧形成夹角θ＝5～20°，中丝焊枪和后丝焊枪均竖直设置；各丝端头与坡口的直边侧的距离L为L＝E/1.5+2.0，L的单位为mm，E为焊接热输入；
步骤五，完成焊接后得到焊接接头，观察和检测焊接接头的裂纹倾向以评估材料的工艺焊接性，并通过焊接接头的力学性能检测以评估材料的使用焊接性。
2.根据权利要求1所述的基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤四的焊接工艺参数中：前丝的焊接电流为650～1500A，焊接电压为30～40V；中丝的焊接电流为600～1200A，焊接电压为33～42V；后丝的焊接电流为450～1000A，焊接电压为35～44V；各焊丝的焊接行走速度为700～1200mm/min，各焊丝的间距为20～40mm。
3.根据权利要求1所述的基于多丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤五中，力学性能检测包括通过单侧直边熔合线邻近的焊接热影响区粗晶区低温冲击与断裂韧性检测。
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