CN113732555B - 基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，其步骤依次包括：选用试验板为低碳微合金钢板；选用直径为3.2mm的低氢型焊条；所述一对试验板进行平焊位置对接焊，其坡口形式为正面的一侧为带钝边的U形坡口，U形坡口的直边侧底部带圆弧倒角，正面的另一侧为带钝边的V形坡口，当钢板厚度t＞20mm时，V形坡口的坡口面向外偏折构成双V形坡口；采用小电流弧线摆动搭接过渡单面焊双面成型完成根焊；采用短电弧焊条倾斜直线摆动进行多层多道填充盖面焊接；完成焊接后，观察和检测焊接接头裂纹倾向以评估材料工艺焊接性，并通过焊接接头力学性能检测以评估材料使用焊接性。

Description

基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法

技术领域

本发明涉及微合金钢焊接技术，特别涉及一种基于低氢型焊条手工焊接的具有单侧直边熔合线特征的低碳微合金钢焊接性评估方法。

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)。

近期，国外高等级管线管用户提出了基于低氢型焊条手工焊接的管线钢管现场焊接性评估要求，包括工艺焊接性和使用焊接性，特别是要求焊后接头低温冲击与断裂韧性试验位置要精确的位于理论上最薄弱的焊接热影响区粗晶区 (CGHAZ)，从而系统评估材料在一定焊接条件下的脆化倾向，这就对焊后单侧熔合线直度提出了很高的要求，需要在焊前对焊接接头坡口形式作单侧直边设计，并在焊接过程中保证单侧直边熔合线直度，同时避免直边侧焊接缺陷的产生。

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，且焊接接头形式与低碳微合金钢结构常用接头形式也存在很大差异，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。中国专利201110253869.3公开了一种异种钢再热裂纹敏感性试验方法、中国专利200910205754.X公开了一种用于确定再热裂纹敏感性的方法，均主要应用于需要焊后热处理的基于沉淀强化机理的碳钢或合金钢。美国专利4,763,521公开了一种奥氏体不锈钢焊接热裂纹倾向的评估方法。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，而且接头设计形式与低碳微合金钢结构主流的施工焊接条件相比，也存在较大差别，也不具有单侧直边熔合线特征。

中国专利201410516996.1公开了一种海洋平台用钢板焊接方法，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，但其针对的是具体的特厚板(例如50～150mm)产品结构，对各个工业领域不具有普遍性，而且没有涉及单侧直边熔合线直度的保证措施，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。中国专利201510385434.2公开了一种大厚板焊接返修接头的CTOD试验方法、中国专利201510605044.1公开了一种焊接返修CTOD试验方法，两者虽然在板厚较厚时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低碳微合金钢同时评估工艺焊接性与使用焊接性的需求，也不涉及单侧直边坡口形式条件下焊接缺陷产生几率较高的手工焊接方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，通过优化设计单侧直边的坡口形式、构建焊接工艺参数组合、焊条运行方式和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：

一种基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，其步骤如下：

步骤一，选用试验板为低碳微合金钢板；

步骤二，选用低氢型焊条，焊条直径r为3.2mm；

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：正面的一侧为带钝边的U形坡口，U形坡口的坡口面与坡口中心轴线平行构成直边侧，直边侧底部带圆弧倒角，圆弧的一端与直边侧垂直，圆弧的另一端与直边侧相切，正面的另一侧为带钝边的V形坡口，V形坡口的坡口面与坡口中心轴线成角α₁，其中，圆弧半径R为2～6mm，α₁＝30～55°，试验板钝边间隙a为3.5～5.5mm，钝边高度b为0～1.5mm；当所述钢板厚度t＞20mm时，V形坡口的坡口面与坡口中心轴线成角α₂，V形坡口的坡口面向外偏折并与坡口中心轴线成角β构成双V形坡口，其中，α₂＝40～65°，β＝25～45°，双V形坡口的下侧坡口高度c与钢板厚度t 满足关系式：t*1/4≤c≤t*1/2；

步骤四，采用小电流弧线摆动搭接过渡单面焊双面成型完成根焊，焊接工艺参数为：焊接电流为110～160A，焊接电压为15～20V，焊接速度为50～150mm/min；所述焊条在焊接方向上向后方弧形摆动，依次实现坡口两侧搭接过渡焊接；

步骤五，采用短电弧焊条倾斜直线摆动进行多层多道填充盖面焊接，焊接电弧长度L控制在L＝0.5r～1.5r，其中r为焊条直径，焊接工艺参数为：焊接电流为 120～180A，焊接电压为17～23V，焊接速度为90～160mm/min；进行直边侧焊接时，所述焊接电流、焊接电压与焊接速度的组合需满足焊接热输入控制在 0.6～1.0kJ/mm，且焊条沿坡口宽度方向上与直边侧形成夹角δ＝20～45°；

步骤六，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。

所述步骤六中，力学性能检测包括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。

所述步骤四中，所述焊条的两次摆动循环焊接宽度W_R＝0.8r～2.5r，其中r为焊条直径。

所述步骤四中，沿焊接方向，焊条向前的倾斜角度为θ＝5～30°。

所述步骤五中，焊条为直线之字形摆动，焊条摆动宽度W_F＝0～2.0r，其中r为焊条直径。

所述步骤五中，进行直边侧焊接时，焊条摆动宽度W_F＝0，即直拉焊接方式。

所述步骤五中，同一焊层的焊道排布均从U形坡口的直边侧开始依次向V形坡口的斜边侧进行焊接。

本发明基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，首先，低氢型焊条手工焊接在各个工业领域的结构件安装与施工中具有代表性和普遍性，对于不同领域的焊接性评估具有直接的指导意义。其次，通过优化设计特殊的单侧直边的焊接接头坡口形式、构建并匹配科学合理的焊接工艺参数组合(包括焊接电流、焊接电压、焊接速度)、焊条运行方式、焊条倾斜角度和焊接过程质量控制得到单侧熔合线直度良好的焊接接头，特别是：坡口形式能保证根焊缝成型质量，坡口直边侧圆弧倒角能保证过渡位置熔合质量，避免尖角过渡形成未熔合和夹渣缺陷；小电流弧线摆动搭接过渡单面焊双面成型根焊技术和短电弧焊条倾斜直线摆动填充盖面焊接技术，既能够保证焊后单侧直边熔合线直度不被破坏，又能够避免直边侧焊接缺陷的产生。

本发明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，可以评估材料在一定焊接工艺条件下的使用焊接性，即同时兼顾了工艺焊接性和使用焊接性的评估需求，评估效率高，对不同行业与领域使用的低碳微合金钢焊接性评估具有普适性。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参考价值。

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，能同时满足一定焊接工艺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为本发明基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法的钢板厚度不超过20mm的焊接接头坡口形式的结构示意图；

图2为本发明的钢板厚度超过20mm的焊接接头坡口形式的结构示意图；

图3为本发明在根焊时焊条弧线摆动路径和倾斜角度示意图；

图4为本发明在填充盖面焊接时焊条倾斜角度示意图；

图5为本发明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焊条。

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4，一种基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，主要针对具有单侧直边熔合线要求的高安全裕量焊接性评估，应用直径为 3.2mm低氢型焊条，通过优化设计单侧直边焊接接头的坡口形式，构建并匹配焊接工艺参数组合(包括焊接电流、焊接电压、焊接速度)、焊条运行方式、焊条倾斜角度以及焊接过程质量控制，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。

步骤二，选用低氢型焊条2，焊条直径r为3.2mm。

步骤三，所述一对试验板1进行平焊位置对接焊：

参见图1，当所述钢板厚度t≤20mm时，其坡口形式为：正面的一侧为带钝边的U形坡口，U形坡口的坡口面与坡口中心轴线平行构成直边侧，直边侧底部带圆弧倒角，圆弧的一端与直边侧垂直，圆弧的另一端与直边侧相切，正面的另一侧为带钝边的V形坡口，V形坡口的坡口面与坡口中心轴线成角α₁，其中，圆弧半径R为2～6mm，α₁＝30～55°，试验板钝边间隙a为3.5～5.5mm，钝边高度b 为0～1.5mm。

参见图2，当所述钢板厚度t＞20mm时，其坡口形式为：正面的一侧为带钝边的U形坡口，U形坡口的坡口面与坡口中心轴线平行构成直边侧，直边侧底部带圆弧倒角，圆弧的一端与直边侧垂直，圆弧的另一端与直边侧相切，正面的另一侧为带钝边的双V形坡口，双V形坡口的下侧坡口面与坡口中心轴线成角α₂，双 V形坡口的上侧坡口面与坡口中心轴线成角β，其中，圆弧半径R为2～6mm，α₂＝40～65°，β＝25～45°，试验板钝边间隙a为3.5～5.5mm，钝边高度b为0～1.5mm，双V形坡口的下侧坡口高度c与钢板厚度t满足关系式：t*1/4≤c≤t*1/2。

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，有利于实现小电流弧线摆动搭接过渡单面焊双面成型，并保证根焊缝成型质量。同时，直边侧圆弧倒角设计能够保证该过渡位置熔合质量，避免尖角过渡形成未熔合与夹渣缺陷。

步骤四，采用小电流弧线摆动搭接过渡单面焊双面成型完成根焊，焊接工艺参数包括：焊接电流为110～160A，焊接电压为15～20V，焊接速度为50～150mm/min。在焊接过程中，焊条运行方式为：焊条2采用在焊接方向上向后方弧线摆动的方式，依次实现坡口两侧搭接过渡焊接，两次摆动循环焊接宽度W_R＝0.8r～2.5r，其中 r为焊条直径、单位为mm，参见图3，图中的曲线箭头为焊条弧线摆动路径。在这一步骤，焊条运动方向与焊接熔池凝固次序基本保持一致，既保证了焊缝成型与铺展均匀，又有利于焊渣上浮与排出，避免了焊接缺陷。另外，沿焊接方向，焊条2向前的倾斜角度θ＝5～30°，有利于搭接过渡焊道充分熔合与焊缝成型质量。

步骤五，采用短电弧焊条倾斜直线摆动进行多层多道填充盖面焊接，具体为：

焊接电弧长度L控制在L＝0.5r～1.5r，其中r为焊条直径、单位为mm，充分利用短电弧边缘熔合和道间熔透能力，从而克服低氢型焊条电弧吹力小、熔透能力差的弱点。

利用直径为3.2mm低氢型焊条，根据其电弧特征与焊缝成型特点，构建焊接工艺参数组合，包括：焊接电流为120～180A，焊接电压为17～23V，焊接速度为 90～160mm/min，其中，焊接电压由焊接电弧长度L控制，对焊缝的铺展与成型质量有重要影响。为了保证坡口直边侧直度不被椭圆形熔池所破坏，进行直边侧焊接时，所述焊接电流、焊接电压与焊接速度的组合需满足焊接热输入控制在 0.6～1.0kJ/mm，而在其他位置焊道的焊接热输入不做强制规定，或者是根据具体需求进行限制。

焊条运行方式为直线“之”字形摆动实现短电弧工艺条件下焊道充分铺展，焊条摆动宽度W_F＝0～2.0r，其中r为焊条直径、单位为mm。进行直边侧焊接时，优选的，焊条摆动宽度W_F＝0，即直拉焊接方式。另外，多层多道填充盖面焊接，同一焊层的焊道排布均从U形坡口的直边侧开始依次向V形坡口的斜边侧进行焊接，有利于保证整体焊接质量。

参见图4，鉴于单侧直边坡口形式的直边侧未熔合缺陷的敏感性，进行直边侧焊接时，焊条沿坡口宽度方向上与直边侧形成夹角δ＝20～45°。当进行直边侧以外位置焊道的焊接时，焊条无需向坡口直边侧倾斜。

步骤六，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

试验板1选用典型的厚度为t＝22mm的X70管线钢，基于直径为3.2mm低氢型焊条手工焊接，进行可焊接性评估试验。参见图5，具体的焊接接头坡口形式为：正面的一侧为带钝边的U形坡口，U形坡口的直边侧底部带圆弧倒角，正面的另一侧为带钝边的双V形坡口，其中：R＝3mm，α₂＝45°，β＝30°，a＝3.5～5.5mm， b＝0.5mm，c＝8mm。

表1列出了实施例1～5的具体的钝边间隙、以及根焊时的相应的焊接工艺参数、焊条运行方式和倾斜角度，如下所示：

表2列出了实施例1～5的具体的填充与盖面焊接时的相应的焊接工艺参数、焊条运行方式、焊接电弧长度和焊条倾斜角度，如下所示：

由表1和表2可见，不同的实施例所表现出的X70管线钢焊接过程稳定、焊接质量良好，能够用于典型低碳微合金钢(管)基于低氢型焊条手工焊接的具有单侧直边熔合线特征的焊接性评估。

本发明基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，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，在一定焊接工艺条件下，对不同行业与领域使用的低碳微合金钢的可焊接性评估具有普适性和通用性。

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 (7)

1.一种基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，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；

步骤二，选用低氢型焊条，焊条直径r为3.2mm；

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：正面的一侧为带钝边的U形坡口，U形坡口的坡口面与坡口中心轴线平行构成直边侧，直边侧底部带圆弧倒角，圆弧的一端与直边侧垂直，圆弧的另一端与直边侧相切，正面的另一侧为带钝边的V形坡口，V形坡口的坡口面与坡口中心轴线成角α₁，其中，圆弧半径R为2～6mm，α₁＝30～55°，试验板钝边间隙a为3.5～5.5mm，钝边高度b为0～1.5mm；当所述钢板厚度t＞20mm时，V形坡口的坡口面与坡口中心轴线成角α₂，V形坡口的坡口面向外偏折并与坡口中心轴线成角β构成双V形坡口，其中，α₂＝40～65°，β＝25～45°，双V形坡口的下侧坡口高度c与钢板厚度t满足关系式：t*1/4≤c≤t*1/2；

步骤四，采用小电流弧线摆动搭接过渡单面焊双面成型完成根焊，焊接工艺参数为：焊接电流为110～160A，焊接电压为15～20V，焊接速度为50～150mm/min；所述焊条在焊接方向上向后方弧形摆动，依次实现坡口两侧搭接过渡焊接；

步骤五，采用短电弧焊条倾斜直线摆动进行多层多道填充盖面焊接，焊接电弧长度L控制在L＝0.5r～1.5r，其中r为焊条直径，焊接工艺参数为：焊接电流为120～180A，焊接电压为17～23V，焊接速度为90～160mm/min；进行直边侧焊接时，所述焊接电流、焊接电压与焊接速度的组合需满足焊接热输入控制在0.6～1.0kJ/mm，且焊条沿坡口宽度方向上与直边侧形成夹角δ＝20～45°；

步骤六，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所述的基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤六中，力学性能检测包括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。

3.根据权利要求1或2所述的基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤四中，所述焊条的两次摆动循环焊接宽度W_R＝0.8r～2.5r，其中r为焊条直径。

4.根据权利要求1或2所述的基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤四中，沿焊接方向，焊条向前的倾斜角度为θ＝5～30°。

5.根据权利要求1或2所述的基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤五中，焊条为直线之字形摆动，焊条摆动宽度W_F＝0～2.0r，其中r为焊条直径。

6.根据权利要求5所述的基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤五中，进行直边侧焊接时，焊条摆动宽度W_F＝0，即直拉焊接方式。

7.根据权利要求1或2所述的基于低氢型焊条手工焊接的低碳微合金钢焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤五中，同一焊层的焊道排布均从U形坡口的直边侧开始依次向V形坡口的斜边侧进行焊接。

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