CN114713940A - 成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.04~0.06%、Si 0.35~0.45%、Mn 1.4~2.0%、Ni 2.0~3.5%、Ti 0.06~0.10%、B 0.006~0.008%、Mg 0.005~0.010%、O 0.030~0.045%，其余为Fe及不可避免的杂质；氧化物夹杂指数={11[Ti]+85[Mg]}/[O]=30~50。通过对化学成分及含量的合理设计，打破了大热输入气电立焊工艺形成的焊缝强度低、冲击韧性差的限制，使焊缝金属具有优良的强度和优异的低温冲击韧性，满足大型化、重载荷制造结构件的应用要求。

Description

成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝。

背景技术

随着制造业向高效、智能化方向发展，大型化、重载荷制造结构件的应用也越来越广泛。许多大型构件由厚钢板及超厚钢板焊接而成。

为了节约大型构件的建造成本、提高建造效率，通常对厚板及超厚板的焊接首选具有较高焊接效率的焊接技术，但是现有的高效焊接技术在焊接过程中，焊缝区域温度高、高温阶段持续的时间较长，容易导致所形成的焊缝金属中粗大的柱状晶所占比例较大，使得焊接接头的低温冲击韧性差，焊接形成的焊缝无法满足大型化、重载荷制造结构件的应用要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，该焊缝不仅可以成型于屈服强度400MPa级的钢板，而且在焊接热输入>400kJ/cm的情况下所形成的该焊缝，兼具优良的强度和优异的低温冲击韧性。

为实现上述发明目的，本发明一实施方式提供了一种成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.04~0.06%、Si 0.35~0.45%、Mn 1.4~2.0%、Ni 2.0~3.5%、Ti 0.06~0.10%、B 0.006~0.008%、Mg 0.005~0.010%、O 0.030~0.045%，其余为Fe及不可避免的杂质；其中，氧化物夹杂指数={11[Ti]+85[Mg]}/[O]，氧化物夹杂指数为30~50。

其中，[Ti]表示Ti的质量百分比，[Mg]表示Mg的质量百分比，[O]表示O的质量百分比。

对化学成分中各个元素的具体说明如下：

C含量的增加可以有效提升焊缝金属强度，但含量过高时使焊接冷裂纹敏感性增加，低温冲击韧性和焊接性能差；采用0.04~0.06%的C含量可以降低焊缝金属的淬透性，从而降低马氏体转变倾向，即使生成马氏体，该C含量也可降低马氏体的硬度，从而改善低温冲击韧性，还能降低焊接冷裂纹敏感性，提高焊接质量。

Si为焊接过程中的主要脱氧元素，但含量过高时会增加焊缝金属的热裂纹倾向，促进焊缝金属中晶界铁素体和侧板条铁素体的生成倾向，从而损坏低温冲击韧性，因此控制其含量为0.35~0.45%。

Mn是焊缝金属中的主要脱氧元素之一，同时也是提高钢板和焊缝金属强度最有效的元素之一，但过高的Mn含量会显著降低焊缝金属低温冲击韧性，因此，控制Mn含量为1.4~2.0%。

Ni的主要作用是通过韧化铁素体基体来提高焊缝金属低温韧性，同时也利用其固溶强化作用来提高焊缝金属强度，但其含量过高会导致焊缝金属的抗热裂性下降且焊接成本增加，因此控制Ni含量为2.0~3.5%，以使焊缝金属具有优异的低温冲击性能。

Ti的氧化物可促进晶内针状铁素体形核，有利于细化焊缝的有效晶粒尺寸，使焊缝强韧性提升，因此控制其含量为0.06~0.10%。

B是有效提高焊缝金属淬透性和强度的元素之一，控制其含量为0.006~0.008%，可以利用其易于偏聚晶界的特点来促进焊缝金属中晶内组织的形成，同时抑制晶界形核生成的贝氏体和马氏体类组织，从而提高焊缝金属的低温韧性。

Mg的氧化物高温稳定性较好，不仅可以在采用大热输入焊接时有效阻止奥氏体晶粒长大而提高HAZ韧性，也能充当焊后冷却相转变过程中晶内铁素体形核质点，从而有效抑制粗大晶界铁素体和侧板条铁素体的生成，提高HAZ韧性，因此，控制Mg含量为0.005~0.010%。

O含量过高时容易在焊缝中生成粗大的铁素体，O含量过低时焊缝中的针状铁素体较少，导致焊缝金属的低温韧性差，因此控制O含量为0.030~0.045%。

另外，通过控制氧化物夹杂指数={11[Ti]+85[Mg]}/[O]=30~50，可以保证焊缝金属中具有足够的TiO-MgO复合夹杂物，以促进晶内形核，并抑制奥氏体晶粒长大，减少晶界铁素体，提高针状体的占比，从而可在大热输入的焊接条件下，使焊缝金属具有优异的冲击韧性。

通过对化学成分及含量进行合理设计，并结合对氧化物夹杂指数的管控，不仅使得该焊缝可在大热输入的焊接条件下成型于屈服强度400MPa级钢板，而且形成的焊缝金属具有优良的强度和优异的低温冲击韧性，抗拉强度可达545MPa及以上，-40℃冲击功可达150J及以上。

优选地，所述成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝中，尺寸为0.2~1.0μm的氧化夹杂物密度为0.5×10⁹~3.5×10⁹个/mm³。尺寸为0.2~1.0μm的氧化夹杂物不仅可以促进晶内针状铁素体形核，提高焊缝的强韧性和低温冲击韧性，而且避免了过大的夹杂物存在于焊缝金属中而导致焊缝裂纹，进一步地，氧化夹杂物的密度在该范围内，不仅可以形成足够数量的针状铁素体形核，使焊缝金属具有优异的低温冲击韧性，而且避免了过多的氧化夹杂物聚集而形成较大的夹杂物，从而引起焊缝裂纹。

优选地，所述成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，焊接热输入>400kJ/cm时，所述焊缝的组织为针状铁素体、贝氏体和珠光体的三相组织，其中，针状铁素体的比例>85%，从而使焊缝金属具有优良的强度和优异的低温冲击韧性。

优选地，所述成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，焊接热输入>400kJ/cm时，所述焊缝的抗拉强度≥545MPa，-40℃冲击吸收功Ak≥150J，从而可以满足大型化、重载荷制造结构件的应用要求。

优选地，所述成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝采用如下工序制备而成：

于两块待焊接钢板的待焊接端各自加工出子坡口，并将所述两块待焊接钢板的待焊接端朝向彼此装配在一起，使所述两块待焊接钢板的子坡口之间形成V形坡口，所述V形坡口的坡口角度为20°，根部间距为6~10mm，所述待焊接钢板的屈服强度≥400MPa；

采用双丝气电立焊对所述两块待焊接钢板之间的V形坡口进行焊接，形成所述焊缝。

其中，所述根部间距为所述两块待焊接钢板之间的最短距离，所述坡口角度为两个所述子坡口之间的夹角。

通过对焊缝的化学成分进行设计，使其可以采用双丝气电立焊，而且可以承受较大的焊接热输入，再结合对双丝气电立焊中的工艺参数进行设计，使得焊接接头具有优异的低温冲击韧性。

优选地，焊接时，前丝的焊接电流>后丝的焊接电流，前丝的焊接电压>后丝的焊接电压。

优选地，焊接时，前丝的焊接电流为350~450A，焊接电压为45~50V，后丝的焊接电流为300~400A，焊接电压为40~45V，焊接速度为4~5cm/min，焊接热输入>400kJ/cm。

双丝气电立焊工艺中，通过对位于所述V形坡口根部的前丝的焊接电流和电压的控制、以及对位于所述V形坡口远离根部的后丝的焊接电流和焊接电压的控制，再结合对焊接速度的控制，从而使焊接热输入可达400kJ/cm以上，满足大型构件对焊接效率的要求，而且可以保证焊接形成的焊缝金属中针状铁素体的占比达到85%以上。

优选地，焊接时，在所述两块待焊接钢板靠近所述V形坡口根部的一侧装配有第一水冷铜块，可以使单面焊接起到双面成型的效果。

优选地，所述第一水冷铜块沿垂直于所述焊缝的延伸方向的宽度>75mm，从而可以覆盖焊接热影响区，可以有效缩短焊接熔池在大热输入下的高温持续时间。

优选地，焊接时，在所述两块待焊接钢板远离所述V形坡口根部的一侧装配有第二水冷铜块，所述第二水冷铜块沿垂直于所述焊缝的延伸方向的宽度为85~90mm。这样，不仅可以使单面焊接起到双面成型的效果，而且可以有效缩短焊接熔池在大热输入下的高温持续时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）通过对化学成分及含量进行合理设计，不仅使得该焊缝可在大热输入的焊接条件下成型于屈服强度400MPa级钢板，而且形成的焊缝金属具有优良的强度和优异的低温冲击韧性，抗拉强度可达545MPa及以上，-40℃冲击功可达150J及以上；尤其是对氧化物夹杂指数的管控，可以保证焊缝金属中的氧化夹杂物的尺寸和密度，从而提高高温稳定性，阻止奥氏体晶粒长大，并在冷却过程中，使氧化夹杂物作为形核质点形成足够数量的针状铁素体，使焊缝金属具有优良的强度和优异的低温冲击韧性，满足大型化、重载荷制造结构件的应用要求；

（2）基于焊缝金属的化学成分设计，其在焊接时可适用双丝气电立焊，而且可以承受较大的焊接热输入，再结合对焊接工艺参数的设计，不仅可以保证焊接形成的焊缝金属中针状铁素体的占比达到85%以上，使得焊接接头具有优异的低温冲击韧性，打破了大热输入气电立焊工艺形成的焊缝强度低、冲击韧性差的限制。

附图说明

图1是本发明一实施方式的待焊接钢板与V形坡口的结构示意图；

图2是本发明实施例1的焊缝的金相组织图；

图3是本发明实施例2的焊缝的金相组织图；

图4是本发明实施例3的焊缝的金相组织图；

图5是本发明实施例4的焊缝的金相组织图；

图6是本发明实施例5的焊缝的金相组织图；

图7是本发明实施例6的焊缝的金相组织图；

图8是本发明对比例1的焊缝的金相组织图；

图9是本发明对比例2的焊缝的金相组织图；

图10是本发明对比例3的焊缝的金相组织图；

图11是本发明对比例4的焊缝的金相组织图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施例对本发明进行详细描述。

应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种部件或结构，但是这些被描述对象不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。

本发明一实施方式中，提供了一种成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.04~0.06%、Si 0.35~0.45%、Mn 1.4~2.0%、Ni 2.0~3.5%、Ti0.06~0.10%、B 0.006~0.008%、Mg 0.005~0.010%、O 0.030~0.045%，其余为Fe及不可避免的杂质；其中，氧化物夹杂指数={11[Ti]+85[Mg]}/[O]，氧化物夹杂指数为30~50。

所述成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，在焊接热输入>400kJ/cm时，焊缝中尺寸为0.2~1.0μm的氧化夹杂物密度为0.5×10⁹~3.5×10⁹个/mm³；焊缝的组织为针状铁素体、贝氏体和珠光体的三相组织，其中，针状铁素体的比例>85%；焊缝的抗拉强度≥545MPa，-40℃冲击吸收功Ak≥150J。

进一步地，所述成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝采用如下工序制备而成：

（1）参看图1，具体地，为便于描述和区分，将两块待焊接钢板分别用第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2进行表示，于第一待焊接钢板1的第一待焊接端11加工出第一子坡口12，于第二待焊接钢板2的第二待焊接端21加工出第二子坡口22，并将第一待焊接端11和第二待焊接端21朝向彼此装配在一起，使第一子坡口12和第二子坡口22之间形成V形坡口3，V形坡口3的坡口角度a为20°，根部间距b为6~10mm，第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2的屈服强度均≥400MPa。

具体地，V形坡口3的坡口深度与第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2的厚度相同。也就是说，第一待焊接板1、第二待焊接钢板2之间采用单侧焊接，不仅可以进一步提高焊接效率，而且本申请的焊缝可以满足对厚钢板的焊接接头要求。

（2）采用双丝气电立焊对第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2之间的V形坡口3进行焊接，形成所述焊缝。

优选地，焊接时，将一侧电极作为前丝置于V形坡口3中靠近根部31的一端，并首先起弧焊接，之后将另一侧电极作为后丝置于V形坡口3中远离根部31的一端起弧焊接，前丝的焊接电流>后丝的焊接电流，前丝的焊接电压>后丝的焊接电压。

具体地，焊接时，前丝的焊接电流为350~450A，焊接电压为45~50V，后丝的焊接电流为300~400A，焊接电压为40~45V，焊接速度为4~5cm/min，焊接热输入>400kJ/cm。

优选地，焊接时，在第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2靠近V形坡口3根部31的一侧装配有第一水冷铜块4。

更优选地，第一水冷铜块4沿垂直于所述焊缝的延伸方向的宽度>75mm。

优选地，焊接时，在第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2远离V形坡口3根部31的一侧装配有第二水冷铜块，所述第二水冷铜块沿垂直于所述焊缝的延伸方向的宽度为85~90mm。

以下通过具体序号1~6的6个实施例并结合序号1~4的4个对比例，进一步对本发明的具体实施方式予以介绍。

实施例1~6和对比例1~4均采用如下焊接工艺对两块待焊接钢板进行焊接：

（1）第一待焊接钢板1的长度、宽度、厚度分别为1000mm、350mm、50mm，同样地，第二待焊接钢板2的长度、宽度、厚度分别为1000mm、350mm、50mm，第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2的屈服强度均≥400MPa；于第一待焊接钢板1的第一待焊接端11加工出第一子坡口12，于第二待焊接钢板2的第二待焊接端21加工出第二子坡口22；之后将第一待焊接端11和第二待焊接端21朝向彼此装配在一起，使第一子坡口12和第二子坡口22之间形成V形坡口3，V形坡口3的坡口角度a为20°，根部间距b为10mm，坡口深度为50mm。

（2）采用双丝气电立焊对第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2之间的V形坡口3进行焊接，形成焊缝。

焊接时，将一侧电极作为前丝置于V形坡口3中靠近根部31的一端，并首先起弧焊接，之后将另一侧电极作为后丝置于V形坡口3中远离根部31的一端起弧焊接，前丝的焊接电流为410A，焊接电压48V，后丝的焊接电流为350A，焊接电压42V，焊接速度为4.42cm/min，焊接热输入为466kJ/cm。

焊接时，在第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2靠近V形坡口3根部31的一侧装配有第一水冷铜块4，第一水冷铜块4沿垂直于焊缝的延伸方向的宽度>75mm；焊接时，在第一待焊接钢板1和第二待焊接钢板2远离V形坡口3根部31的一侧装配有第二水冷铜块，第二水冷铜块沿垂直于焊缝的延伸方向的宽度为85~90mm，焊接时第二水冷铜块随后丝的焊接轨迹移动。

6个实施例及4个对比例各自根据上述焊接工艺进行焊接，形成成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，所形成的焊缝的化学成分及质量百分比（数值单位，%）如表1所示。

[表1]

沿平行于焊缝的方向对6个实施例及4个对比例的焊缝取样，并采用扫描电镜进行扫描测试，测得焊缝中尺寸为0.2~1.0μm的氧化夹杂物密度如表2所示；采用金相显微镜对焊缝的组织进行测试，实施例1~6的焊缝金相组织图如图2~7所示，对比例1~4的焊缝金相组织图如图8~11所示，所得焊缝的组织均为针状铁素体、贝氏体和珠光体的三相组织，其中，针状铁素体的比例如表2所示。

[表2]

沿平行于焊缝的方向对6个实施例及4个对比例的焊缝取样，并进行力学性能测试，得到焊缝的抗拉强度、-40℃冲击吸收功Ak如表3所示，其中，拉伸试验的拉伸方向平行于焊接方向。

[表3]

由上述表格可知，在化学成分及其质量百分比区别于本发明的情况下，4个对比例采用大热输入的气电立焊焊接工艺制备得到的焊缝的综合性能劣于本发明的6个实施例。4个对比例制备得到的焊缝的-40℃冲击吸收功Ak远小于本发明的6个实施例，甚至出现低温冲击韧性不稳定的情况，无法满足大型化、重载荷制造结构件的应用要求。另外，4个对比例中，对比例1、2、4的部分化学成分的含量、以及氧化物夹杂指数不符合本发明的化学成分及范围，制备得到的焊缝组织粗化，抗拉强度较小。

Claims (10)

1.一种成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，其化学成分以质量百分比计包括：C 0.04~0.06%、Si 0.35~0.45%、Mn 1.4~2.0%、Ni 2.0~3.5%、Ti 0.06~0.10%、B0.006~0.008%、Mg 0.005~0.010%、O 0.030~0.045%，其余为Fe及不可避免的杂质；其中，氧化物夹杂指数={11[Ti]+85[Mg]}/[O]，氧化物夹杂指数为30~50。

2.根据权利要求1所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，其中尺寸为0.2~1.0μm的氧化夹杂物密度为0.5×10⁹~3.5×10⁹个/mm³。

3.根据权利要求1所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，焊接热输入>400kJ/cm时，所述焊缝的组织为针状铁素体、贝氏体和珠光体的三相组织，其中，针状铁素体的比例>85%。

4.根据权利要求1所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，焊接热输入>400kJ/cm时，所述焊缝的抗拉强度≥545MPa，-40℃冲击吸收功Ak≥150J。

5.根据权利要求1所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，所述焊缝采用如下工序制备而成：

于两块待焊接钢板的待焊接端各自加工出子坡口，并将所述两块待焊接钢板的待焊接端朝向彼此装配在一起，使所述两块待焊接钢板的子坡口之间形成V形坡口，所述V形坡口的坡口角度为20°，根部间距为6~10mm，所述待焊接钢板的屈服强度≥400MPa；

采用双丝气电立焊对所述两块待焊接钢板之间的V形坡口进行焊接，形成所述焊缝。

6.根据权利要求5所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，焊接时，前丝的焊接电流>后丝的焊接电流，前丝的焊接电压>后丝的焊接电压。

7.根据权利要求6所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，焊接时，前丝的焊接电流为350~450A，焊接电压为45~50V，后丝的焊接电流为300~400A，焊接电压为40~45V，焊接速度为4~5cm/min，焊接热输入>400kJ/cm。

8.根据权利要求5所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，焊接时，在所述两块待焊接钢板靠近所述V形坡口根部的一侧装配有第一水冷铜块。

9.根据权利要求8所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，所述第一水冷铜块沿垂直于所述焊缝的延伸方向的宽度>75mm。

10.根据权利要求5所述的成型于屈服强度400MPa级钢板的焊缝，其特征在于，焊接时，在所述两块待焊接钢板远离所述V形坡口根部的一侧装配有第二水冷铜块，所述第二水冷铜块沿垂直于所述焊缝的延伸方向的宽度为85~90mm。

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