CN114700584A - 屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，包括以下步骤：在钢板的焊口处使用高强焊丝进行气体保护焊接，所述气体保护焊接的焊接线能量根据所述钢板的厚度进行调整，所述钢板的厚度和所述焊接线能量之间的关系满足
其中，t8/5为所述焊口处的焊接热影响区温度从800℃冷却到500℃的时间，经过焊接热模拟试验获得的t8/5的最佳取值范围为10～30s，η为热效率系数，E为焊接线能量，T0为钢板预热温度，δ为板厚，F2为接头系数。本申请以热模拟试验获得的t8/5的最佳取值范围为依据，并结合钢板板厚和预热温度等来调整钢板处于不同厚度下的焊接线能量，从而获得较为合理的焊接线能量，以使得最后得到的焊接接头的强韧性更优，从而提高了焊接质量。
Description
技术领域
本申请属于金属冶炼技术领域，更具体地说，是涉及一种屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法。
背景技术
低合金高强钢因其具有高的强度和较好的塑韧性等优点，广泛应用于工程机械、港口机械、煤矿机械等领域。由于轻量化要求越来越高，在降低自重、提高承载能力、降低运输安装成本等方面，低合金高强钢有极大优势。
目前，焊接接头质量一直是影响低合金高强钢应用和推广的关键因素。经历焊接热循环后，焊接接头存在严重的软化、脆化等问题，从而严重影响焊接质量。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，以解决现有技术中低合金高强钢的焊接接头质量较差的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，包括以下步骤：
在钢板的焊口处使用高强焊丝进行气体保护焊接，所述气体保护焊接的焊接线能量根据所述钢板的厚度进行调整，所述钢板的厚度和所述焊接线能量之间的关系满足
其中，t8/5为所述焊口处的焊接热影响区温度从800℃冷却到500℃的时间，经过焊接热模拟试验获得的t8/5的最佳取值范围为10～30s，η为热效率系数，E为焊接线能量，T0为预热温度(，δ为板厚，F2为接头系数。
根据本申请的一个实施例，焊接参数根据所述焊接线能量进行调整，所述焊接参数包括焊接电流、焊接电压和焊接速度，所述焊接电流、所述焊接电压、所述焊接速度和所述焊接线能量之间的关系满足E＝60×U×I/v；
其中，U为焊接电压，I为焊接电流，v为焊接速度。
根据本申请的一个实施例，当所述焊接电流小于等于200A时，U＝0.05×I+14±1.5；当所述焊接电流大于200A时，U＝0.05×I+18±3。
根据本申请的一个实施例，所述钢板的厚度大于4mm时，在两块钢板的对接处，所述焊口位于其中一块钢板的朝向另一块钢板的边缘。
根据本申请的一个实施例，所述焊口为V形坡口，所述V形坡口的角度为30～45°，所述焊口的间隙为0～3mm。
根据本申请的一个实施例，当所述钢板的厚度大于4mm且小于等于8mm时，所述气体保护焊接包括在所述V形坡口依次进行打底层焊接以及盖面层焊接；当所述钢板的厚度大于8mm且小于等于12mm时，所述气体保护焊接包括在所述V形坡口依次进行打底层焊接、填充层焊接以及盖面层焊接。
根据本申请的一个实施例，当所述钢板的厚度大于4mm且小于等于8mm时，所述打底层焊接和所述盖面层焊接均设有一道焊道。
根据本申请的一个实施例，当所述钢板的厚度大于8mm且小于等于12mm时，所述填充层焊接至少焊接一层，每层所述填充层焊接均设有一或两道焊道，所述盖面层焊接具有两或三道焊道。
根据本申请的一个实施例，所述打底层焊接、所述填充层焊接与所述盖面层焊接之间的层间温度控制在80～120℃。
根据本申请的一个实施例，所述气体保护焊接之前，包括对所述焊口进行预处理，所述预处理包括打磨和贴焊接衬垫。
本申请提供的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法至少具有如下的有益效果：可以热模拟试验获得的t8/5的最佳取值范围为依据，并结合钢板板厚和预热温度等来调整钢板处于不同厚度下的焊接线能量，从而获得较为合理的焊接线能量，以使得最后得到的焊接接头的强韧性更优，从而提高了焊接质量。此外，整个焊接过程可采用同一种焊丝，无需来回切换焊丝。。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法的流程框图；
图2为本申请一实施例提供的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法的坡口的结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法的焊接层的结构示意图；
图4为本申请另一实施例提供的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法的焊接层的结构示意图
图5为本申请另一实施例提供的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法的结构示意图；
图6为本申请另一实施例提供的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法的焊接层的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
1-钢板；2-焊口；3-坡口；4-打底层焊接；5-盖面层焊接；6-填充层焊接；a-对口间隙；α-坡口角度；b-板厚。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
现有技术中的低合金高强钢的焊接，一般采用低强焊丝打底，高强焊丝中间层填充焊接，然后以低强焊丝进行盖面，甚至还需气刨清根后再焊一道。而且这样的方法，在焊接过程中需要多次更换焊丝；其次，采用复杂的焊接工艺，如焊前较高温度预热、焊后保温缓冷等；此外，针对不同板厚，采用同一个焊接热输入范围，导致薄板焊接热影响区在冷却过程中t8/5过长，焊接热影响区晶粒粗大，导致焊接接头软化严重，焊接接头强度与母材不是同一个强度等级。
屈服强度1300Mpa级的低合金高强钢成分为：C 0.21,Si 0.24,Mn 0.91,Cr 0.57,Ni 1.19,Mo 0.5,Nb 0.024,V 0.05,P 0.006,S 0.001。其性能如下：屈服强度1340MPa，抗拉强度1590MPa，延伸率11％，-40℃冲击功≥72J。其焊接方式为气体保护焊，保护气体为富氩气体。焊丝化学成分重量百分比为：C 0.09,Si 0.4,Mn 1.4,Cr 0.7,Ni 2.7,Mo 0.5,V0.21,Cu 0.08,P 0.006,S 0.007。
基于对于屈服强度1300Mpa的钢板，厚度小于12mm的钢板，其具有高的强度和较好的塑韧性等优点。但是该等级的低合金高强钢的焊接方式更为复杂，因而其生产效率更低。
为了克服上述问题，本申请提供了一种屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法。如图1和图2所示，本申请实施例提供的一种屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法包括以下步骤。
在钢板1的焊口2处使用高强焊丝进行气体保护焊接，气体保护焊接的焊接线能量根据钢板1的厚度进行调整，钢板1的厚度和焊接线能量之间的关系满足
其中，t8/5为焊口2处的焊接热影响区温度从800℃冷却到500℃的时间，经过焊接热模拟试验获得的t8/5的最佳取值范围为10～30s，η为热效率，E为焊接线能量，T0为钢板预热温度，δ为板厚b，F2为接头系数。
当t8/5的取值范围在10～30s内时，为最佳取值范围，在此冷却速度范围内，焊接热影响区可以获得较为细小的组织和优良的强韧性。至于热效率系数和接头系数，根据大量试验可知，气保焊时，热效率系数可取0.8，对接焊时，接头系数可取1。
不同厚度的钢板1在焊接时，如果一直不改变焊接线能量，那么不同厚度钢板1在焊接后，其焊口2处的强度必然不同。
本申请根据钢板1的厚度改变焊接线能量，以适应不同厚度的钢板1，从而确保各钢板1的焊口2处的强韧性处于较好的范围内，以尽可能减小焊接过程对焊口2处的影响。而且以经过焊接热模拟试验获得的t8/5最佳取值为依据，并结合钢板板厚和预热温度等来调整焊接线能量，从而获得较为合理的焊接线能量，以使得最后得到的焊接接头的强韧性更优，从而提高了焊接质量。
需要说明的是，上述整个焊接过程可采用同一种焊丝，无需来回切换焊丝。除极端天气或者钢板1板厚b较大，通常情况下，焊前无需预热，此时的T0为环境温度。而且焊后无需保温缓冷，操作简单，生产中易于执行。此外，还可推广到自动化机器人焊接领域，以进一步提高生产效率。
在一些实施例中，焊接参数根据焊接线能量调整，焊接参数还包括焊接电流、焊接电压和焊接速度，焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊接线能量之间的关系满足E＝60×U×I/v。其中，U为焊接电压，I为焊接电流，v为焊接速度。
焊接过程中，焊缝熔深与焊接电流成正比，电流小则熔深浅，电流大则熔深大。因此，薄板焊接或厚板打底焊时，一般选用较小的焊接电流，以防烧穿焊漏；填充层、盖面层焊接时可选用较大的焊接电流，以获得较高的生产效率。焊接电压依据焊接电流进行调整，因为一定的焊接电流需要一定的焊接电压来能保证焊接电弧的稳定燃烧。
如此，根据焊接线能量以及焊接电压与焊接电流的匹配关系来确定焊接参数，能够使得焊接参数的设计更为合理，使得所获得的焊接接头的强韧性更优。
在一些实施例中，当焊接电流小于等200A时，焊接电压和焊接电流之间的关系为U＝0.04×I+16±1.5。当焊接电流大于200A时，焊接电压和焊接电流之间的关系为U＝0.04×I+20±3。
如此设置，能够对各项焊接参数进行较为合理的调整，以使得焊后的焊口2区域具有较强的强度。
在一些实施例中，钢板1的厚度大于4mm时，在两块钢板的对接处，焊口2位于其中一块钢板1的朝向另一块钢板的边缘。当两块钢板1焊接时，只在其中一块钢板1的边缘开设坡口3，相对于在两个钢板1均开设坡口3，不仅减少了流程，降低了加工难度。
在一些实施例中，焊口2为V形坡口3，V形坡口3的角度为30～45°，焊口2的间隙为0～3mm。此处，焊口2的间隙实际指的是对口间隙a。其中，坡口角度α由板厚b决定，当板厚b增加，坡口角度α可减小，以减少熔敷金属量，并同时保证焊缝质量。此外，本方法加工的坡口3，无需留钝边，更容易焊透。而且因为焊前无需加热，所以只需清理待焊区域及周边的铁锈油污等。
如图3和图4所示，在一些实施例中，当钢板1的厚度大于4mm且小于等于8mm时，气体保护焊接包括在V形坡口3依次进行打底层焊接4以及盖面层焊接5；当钢板1的厚度大于8mm且小于等于12mm时，气体保护焊接包括在V形坡口3依次进行打底层焊接4、填充层焊接6以及盖面层焊接5。
基于焊丝一次焊接的面积有限，当所焊接的钢板1的厚度较大时，如果使用焊丝对焊口2一次性焊接，势必使得焊口2处所承受的热量较大，从而加剧焊口2处的软化程度。
为了保证焊口2处的强度，可根据钢板1的厚度在焊口2处进行打底层焊接4和盖面层焊接5或者打底层焊接4、填充层焊接6以及盖面层焊接5。也就是当板厚b较厚时，在打底层和盖面层之间添加填充层。通过合理分配焊接的层数，能够保证焊接的熔融效果以及效率，保证焊口2质量。
在一些实施例中，当钢板1的厚度大于4mm且小于等于8mm时，打底层焊接4和盖面层焊接5均设有一道焊道。
在打底层和盖面层均焊接一道焊道，以使得热影响区粗晶区获得较为细小的晶粒，保证焊缝获得良好的强韧性匹配，以减少焊接热影响区出现软化、脆化现象。
在一些实施例中，当钢板1的厚度大于8mm且小于等于12mm时，填充层焊接6至少焊接一层，每层填充层焊接6均设有一或两道焊道，盖面层焊接5具有两或三道焊道。
在填充层和盖面层设置不同数量的焊道，在对较厚的钢板1进行焊接时，也能够使得热影响区粗晶区获得较为细小的晶粒，以保证焊缝获得良好的强韧性匹配，并减少焊接热影响区出现软化、脆化现象。
在一些实施例中，打底层焊接4、填充层焊接6与盖面层焊接5之间的层间温度控制在80～120℃。示例性的，当层间温度可为100℃。将层间温度控制在适当范围内，能够保证组织和晶粒度，以使得焊缝获得良好的强韧性匹配。
本申请实施例
在一些实施例中，气体保护焊接之前，包括对焊口2进行预处理，预处理包括打磨和贴焊接衬垫。
上述焊接衬垫包括临时衬垫以及永久衬垫。设置临时衬垫时，应保证临时衬垫能够方便地与焊接后的材料分离。焊接衬垫可保证焊接后的焊口2背面成型平整美观，达到单面焊双面成型的效果；当然，也可以根据实际情况选择不加衬垫，例如进行手工气体保护焊接，如果焊接操作人员手法熟练，能保证不采用焊接衬垫也能实现单面焊双面成型时，可以不采用焊接衬垫。
下面采用三个具体实施例对本申请的方法做详细说明。
实施例一
采用7mm厚的屈服强度1300MPa钢板1，开单边45°V型坡口3，不留钝边。根部组的对口间隙不留，而且无需贴陶瓷衬垫。焊前打磨待焊部位及附近20mm。
环境温度为25℃，选择t8/5为21s，根据公式焊接线能量为11.47kJ/cm。由于气保焊的热效率系数为0.8，则焊接热输入为9.17kJ/cm。
打底焊时为防止焊漏，选择较小的焊接电流160A，根据焊接电流与焊接电压的关系式，U取(0.04×I+16±1.5)，即焊接电压22.4±1.5V，此处取21.5V。根据焊接线能量的公式，得出焊接速度为18cm/min。
盖面焊时为了获得较高的生产效率，选择较大的焊接电流为240A，根据焊接电流与焊接电压的关系式，U＝0.04×I+20±3，即焊接电压29.6±3V，此处取27V。层间温度取40℃，根据焊接线能量的公式，得出焊接速度为35cm/min。
盖面焊时，可适当摆动，保证焊缝与坡口3两侧熔合良好。
上述方法可以获得光滑的焊接接头，所获得的焊接接头无裂纹、气孔等缺陷，力学性能良好。焊缝金属的室温抗拉强度大于1235MPa，-40℃试验温度下焊缝金属的V形缺口冲击试验的冲击功大于47J，8a冷弯试验合格。
实施例二
如图3和图4所示，采用12mm厚的屈服强度1300MPa钢板1，开40°V型坡口3，留1mm钝边。根部组对口间隙a留1mm，无需贴陶瓷衬垫。焊前打磨待焊部位及附近20mm。
环境温度为25℃，选择t8/5为10s，根据公式焊接线能量为12.96kJ/cm。由于气保焊的热效率系数为0.8，则焊接热输入为10.37kJ/cm。
打底焊时为防止焊漏，选择较小的焊接电流160A，根据焊接电流与焊接电压的关系式，U取(0.04×I+16±1.5)，即焊接电压22.4±1.5V，此处取21V。根据焊接线能量的公式，得出焊接速度为15cm/min。
为了保证焊接生产高效性，填充层5、盖面层6均选择较大的焊接电流为240A。根据焊接电流与焊接电压的关系式，U＝0.04×I+20±3，即焊接电压为29.6±3V，填充层、盖面层焊接5电压取27V，层间温度取50℃。根据焊接线能量的公式，得出焊接速度为30cm/min。
上述方法可以获得光滑的焊接接头，所获得的焊接接头无裂纹、气孔等缺陷，力学性能良好。焊缝金属的室温抗拉强度大于1260MPa，-40℃试验温度下焊缝金属的V形缺口冲击试验的冲击功大于47J，8a冷弯试验合格。
实施例三
如图5和图6所示，采用3mm厚的屈服强度1300MPa钢板1，不开坡口3。根部组的对口间隙a为2mm，贴陶瓷衬垫，焊前打磨待焊部位及附近20mm。
环境温度为25℃，选择t8/5为20s，根据公式焊接线能量为4.8kJ/cm。由于气保焊的热效率系数为0.8，则焊接热输入为3.84kJ/cm。
由于板厚很小，为防止烧穿焊漏，选择焊接电流130A。根据焊接电流与焊接电压之间的关系式，可使得U取(0.04×I+16±1.5)V，即焊接电压21.2±1.5V，此处取19.7V；根据焊接线能量的公式，得出焊接速度为32cm/min。
上述方法可以获得光滑的焊接接头，所获得的焊接接头无裂纹、气孔等缺陷，力学性能良好。焊缝金属的室温抗拉强度大于1220MPa，-40℃试验温度下焊缝金属的V形缺口冲击试验的冲击功大于47J，8a冷弯试验合格。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
在钢板的焊口处使用高强焊丝进行气体保护焊接，所述气体保护焊接的焊接线能量根据所述钢板的厚度进行调整，所述钢板的厚度和所述焊接线能量之间的关系满足
其中，t8/5为所述焊口处的焊接热影响区温度从800℃冷却到500℃的时间，经过焊接热模拟试验获得的t8/5的最佳取值范围为10～30s，η为热效率系数，E为焊接线能量，T0为钢板预热温度，δ为板厚，F2为接头系数。
2.如权利要求1所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，焊接参数根据所述焊接线能量进行调整，所述焊接参数包括焊接电流、焊接电压和焊接速度，所述焊接电流、所述焊接电压、所述焊接速度和所述焊接线能量之间的关系满足E＝60×U×I/v；
其中，U为焊接电压，I为焊接电流，v为焊接速度。
3.如权利要求2所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，当所述焊接电流小于等于200A时，U＝0.05×I+14±1.5；当所述焊接电流大于200A时，U＝0.05×I+18±3。
4.如权利要求1所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，所述钢板的厚度大于4mm时，在两块钢板的对接处，所述焊口位于其中一块钢板的朝向另一块钢板的边缘。
5.如权利要求4所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，所述焊口为V形坡口，所述V形坡口的角度为30～45°，所述焊口的间隙为0～3mm。
6.如权利要求5所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，当所述钢板的厚度大于4mm且小于等于8mm时，所述气体保护焊接包括在所述V形坡口依次进行打底层焊接以及盖面层焊接；当所述钢板的厚度大于8mm且小于等于12mm时，所述气体保护焊接包括在所述V形坡口依次进行打底层焊接、填充层焊接以及盖面层焊接。
7.如权利要求6所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，当所述钢板的厚度大于4mm且小于等于8mm时，所述打底层焊接和所述盖面层焊接均设有一道焊道。
8.如权利要求6所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，当所述钢板的厚度大于8mm且小于等于12mm时，所述填充层焊接至少焊接一层，每层所述填充层焊接均设有一或两道焊道，所述盖面层焊接具有两或三道焊道。
9.如权利要求6所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，所述打底层焊接、所述填充层焊接与所述盖面层焊接之间的层间温度控制在80～120℃。
10.如权利要求1至9任一项所述的屈服强度1300MPa级低合金高强钢的焊接方法，其特征在于，所述气体保护焊接之前，包括对所述焊口进行预处理，所述预处理包括打磨和贴焊接衬垫。
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