CN114762907B - 用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，其步骤包括：选用相同的高强钢板组合对接，所述钢板的壁厚T≥13mm且屈服强度小于等于690MPa；采用X型坡口，上坡口角度为50～100°，下坡口角度为60～110°，上坡口和下坡口的深度比例为1.1～1.5，组对间隙为0～0.5mm；钝边高度R为4～10mm且R≤T/3；采用平焊或船型位置进行一次单道双面埋弧焊接；焊接热输入和坡口角度、坡口深度满足一定条件，焊接热输入和焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊丝直径满足一定条件，且焊接电流和焊丝直径、钝边高度具有相关性。本发明能得到整体质量良好、焊道铺展均匀、焊趾过渡平滑的一次单道双面埋弧焊接成型焊缝，能够提高焊接接头疲劳性能和延长服役寿命。
Description
技术领域
本发明涉及低合金高强钢焊接技术，特别涉及一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法。
背景技术
低合金高强钢因其良好的强韧性与焊接性在很多工业领域得到广泛应用，特别是工程机械、海洋结构、轨道车辆、重型能源装备等，由低合金高强钢制造的焊接结构多应用在这些领域的交变动载场合。焊接是现场生产制造的关键技术与主要工序，由于焊接过程本身的非平衡加热与冷却以及由此引起的非平衡固态相变，使得焊接接头往往成为整个结构的薄弱环节，制造与服役过程中的各种结构失效也经常与焊接接头的性能弱化有关，其中焊接接头疲劳失效是结构失效的主要形式，焊接接头动载疲劳性能是业界非常关注的技术指标。
金属材料基体的疲劳失效过程包括了疲劳裂纹萌生、稳定扩展与失稳断裂，其中第一阶段的裂纹萌生占据了疲劳寿命的大部分。然而，焊接接头的疲劳行为与金属材料基体最大的区别在于焊接过程中产生了大量宏观或微观不连续成为初始疲劳裂纹源，特别是表面焊趾部位的微观缺陷，无需裂纹萌生直接进入扩展阶段。同时，焊接过程产生的残余拉应力、由焊趾几何因素产生的应力集中促进了初始疲劳裂纹的扩展，加速了疲劳失效过程，主要表现为疲劳强度和疲劳寿命的降低。
当前，针对低合金钢焊接结构疲劳性能的改善与优化已有很多比较成熟的技术。中国专利200980130008.7公开了一种改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法，中国专利201280058280.0公开了一种焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，两者均公开了以超声冲击为主的焊接接头疲劳性能改善技术。中国专利200710159341.3公开了一种成熟应用的焊趾TIG重熔技术，通过调整焊趾区残余应力场与几何形貌，以改善焊接接头疲劳性能。从上述专利来看，针对动载场合工业结构焊接接头疲劳性能的改进方法主要涉及两方面：第一、改善焊趾几何形貌，消除焊趾附近由于焊接过程形成的微小冶金缺陷，提高焊趾与母材金属均匀过渡程度，从而降低动载疲劳服役过程中应力集中度，以提高疲劳性能；第二、改变接头附近残余应力特征，减小或消除焊接残余拉应力，或在焊趾附近表面形成残余压应力层，提高焊趾附近局部塑性变形能力，以改善疲劳性能。这些方法基本上都属于焊后处理技术，需要在建造施工现场、结构件车间完成主体结构组装与焊接后，在线或离线进行焊接接头后处理，增加了产品生产周期和成本。而且，如不能有效控制后处理技术细节，反而会导致焊接接头疲劳性能下降，例如焊趾部位超声冲击处理，很容易使该部位形成附加微裂纹或使原有咬边尺寸增大，成为服役过程中的疲劳裂纹源而加速失效。
中国专利01130810.9公开的用于提高焊接接头疲劳强度的焊条，通过焊接材料合金成分设计，在低温下焊条产生较大相变膨胀量，使焊缝金属的残余拉伸应力降低或产生残余压缩应力，用于提高疲劳强度。但这类焊材需要高Cr、Ni以及超低碳合金成分，成本非常高，批量应用前景尚不明确。另外，合金含量提高后，盖面焊道铺展性变差，不利于焊趾均匀平滑过渡，反而会造成疲劳性能下降。
鉴于此，亟待开发一种适合大多数工业结构现场建造施工焊接的高性价比技术方法，在无需大幅度改变现有生产硬件装备条件的前提下，能实现稳定的焊接质量，以保证焊接接头的疲劳性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，通过合理设置焊接接头坡口形式，并构建焊接工艺参数的优化组合，以及焊接过程的质量控制，能得到整体质量良好、焊道铺展均匀、焊趾过渡平滑的一次单道双面埋弧焊接成型焊缝。
本发明是这样实现的：
一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，包括以下步骤：
步骤一，选用相同的高强钢板组合对接，所述钢板的壁厚T≥13mm且屈服强度小于等于690MPa；
步骤二，采用X型坡口，上坡口角度为50～100°，下坡口角度为60～110°，上坡口和下坡口的深度比例为1.1～1.5，组对间隙为0～0.5mm；钝边高度R为4～10mm且R≤T/3；
步骤三，采用平焊或船型位置进行一次单道双面埋弧焊接，焊接热输入E和坡口角度θ、坡口深度t满足如下条件：
当E≤2.0时，
当2.0＜E≤4.0时，
当E＞4.0时，
同时，焊接热输入E和焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝直径满足如下条件：
当采用单丝时，焊接电流为I、焊接电压为U、焊接速度为v、焊丝直径为r，满足下列关系式：E的单位为kJ/mm，其中I＝(100～250)r，U＝28～40V，v＝250～700mm/min，r＝2.5～6.0mm，且钝边高度R＝I/120+(0～1)mm；
当采用双丝时，前丝焊接电流为I前，前丝焊接电压为U前，前丝直径为r前，后丝焊接电流为I后，后丝焊接电压为U后，后丝直径为r后，焊接速度为v，满足下列关系式：E的单位为kJ/mm，其中I前＝(100～250)r前，I后＝(100～250)r后，I前-I后＝200～450A，U前＝28～40V，U后-U前＝2～6V，v＝250～700mm/min，r前和r后均为2.5～6.0mm，且双丝间距为15～30mm，钝边高度R＝I前/120+(0～1)mm。
所述步骤一中，钢板组对后的错边量小于壁厚T的1/6且不超过3mm。
所述步骤三中，在进行埋弧焊接前先去除坡口内部及其附近20～60mm范围内的污染物。
所述步骤三中，先对下坡口进行焊接，再对上坡口进行焊接。
所述步骤三中，埋弧焊接采用直流平特性焊接电源。
所述步骤三中，将引弧弧坑、熄弧弧坑和成型不稳定区域引出焊接接头的主体结构或进行修磨处理。
所述步骤三中，对焊接结构中交叉焊缝部位两侧不小于50mm范围内的焊缝余高进行机械修磨和平整处理，修磨处表面粗糙度不超过12.5。
本发明用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，针对屈服强度690MPa以下级别且壁厚超过13mm较厚钢板，能得到整体质量良好、焊道铺展均匀、焊趾过渡平滑的一次单道双面埋弧焊接成型焊缝。
首先，通过焊接接头坡口形式和焊接工艺参数的合理配置，保证了焊趾位置的低粗糙度平滑过渡，减少了局部咬边、尖锐夹角与其他表面微观缺陷产生，从而降低了焊接接头在动载疲劳载荷条件下演变成初始疲劳裂纹的几率，消除了潜在的疲劳裂纹源，能有效抑制结构服役过程中疲劳裂纹的萌生和扩展。同时，均匀平滑过渡的焊趾，降低了疲劳加载过程中焊趾位置应力集中程度，有助于提高疲劳性能、延长焊接结构疲劳寿命。
其次，通过一次成型埋弧焊接得到的焊接接头，其残余拉应力水平显著降低，能够有效降低服役过程中主应力方向实际承受的疲劳载荷，特别是针对较厚钢板的双面埋弧焊接，减少了焊接热输入，并能够控制焊接变形，部分消除了焊接残余拉应力，有助于焊接结构在动载疲劳条件下的安全服役。
最后，本发明的焊接方法基于当前相关工业领域制造与施工现场主流焊接工艺方法，通过改进坡口形式、焊接工艺参数组合和焊接质量控制来保证焊接接头动载疲劳性能，不改变制造厂施工焊接硬件条件，无需进行复杂的焊后处理，具有良好的行业代表性和普遍性，适用性强。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：针对高强钢应用的动载场合具有普遍适用性，能够提高焊接接头疲劳性能和延长服役寿命，且无需增加焊后处理工序，实施灵活方便、综合成本低。
附图说明
图1为本发明用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法的焊接接头坡口形式的结构示意图；
图中，1钢板。
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。
一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，针对应用于动载场合的壁厚大于等于13mm、屈服强度690MPa以下级别的高强钢，基于当前工业结构生产中主流的埋弧焊接(单丝或双丝)，利用埋弧焊接坡口填充效率高、焊缝铺展均匀、一次成型效果好的特点，并结合双面焊接能够在钢板壁厚增加的情况下减少热输入、控制焊接变形、消除部分焊接残余拉应力的特点，通过合理设置焊接接头坡口形式的形状和尺寸，并优化设计埋弧焊接工艺参数组合(包括焊接热输入、焊接电流、焊接电压，焊接速度和焊丝直径)，以及在焊接过程中采取多个质量控制手段，并能够在施工制造现场进行平焊或船型位置的双面埋弧焊接，具备实施可行性。
一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，包括以下步骤：
步骤一，选用相同的高强钢板组合对接，所述钢板的壁厚T≥13mm且屈服强度小于等于690MPa。
步骤二，钢板1组合对接采用X型坡口，参见图1，上坡口角度α为50～100°，下坡口角度β为60～110°，上坡口深度为a，下坡口深度为b，上坡口和下坡口的深度比例为a:b＝1.1～1.5，组对间隙为0～0.5mm。下坡口为先进行焊接的一面，上坡口为后进行焊接的一面，针对双面埋弧焊接的特点，将坡口形式设计为下坡口略小于上坡口，有利于控制焊接变形，并能局部消除焊接残余拉应力。可选的坡口加工方式包括氧-乙炔火焰切割、等离子切割、机械加工等。
钝边高度R为4～10mm且R≤T/3，同时钝边高度R和焊接电流I满足关系式：R＝I/120+(0～1)mm，如埋弧焊接采用双丝，I为前丝的焊接电流。由于双面埋弧焊接一次成型方法可以适用于较大的钝边尺寸，能够在双面焊接时保证充分熔透，并减少实际的焊接填充量，考虑到焊接电流是熔透钝边的关键工艺因素，因此，钝边尺寸与焊接电流需遵循上述匹配关系。如果钝边尺寸太小，在对下坡口进行焊接时容易发生烧穿，并导致坡口实际填充量增加，而如果钝边尺寸太大，则容易引起双面未焊透缺陷。
优选地，钢板组对后的错边量小于壁厚T的1/6且不超过3mm，这样有利于在服役过程中最大限度地降低主应力方向焊趾处应力集中程度。
通过采用上述优化设计的双面坡口形式，设置合适的形状和尺寸，兼顾钝边尺寸与焊接电流的数量关系，并结合步骤三的埋弧焊接工艺参数组合设计，实现坡口开口宽度在一定范围内精确可控，辅以焊接过程质量控制措施，能够实现单丝或双丝双面埋弧焊接一次成型，并在批量生产条件下保证焊接质量特别是焊趾质量稳定与均匀过渡以及焊缝余高的均匀化，最终保证焊接接头疲劳性能整体稳定可靠。
步骤三，采用平焊或船型位置进行一次单道双面埋弧焊接，埋弧焊接采用直流平特性焊接电源，在设计焊接工艺参数组合时需考虑焊接热输入、焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊丝直径之间的关系。在对上坡口和下坡口分别进行埋弧焊接时，可采用单丝或双丝。
由于焊接过程中坡口填充需要一定数量的熔化金属来保证，且熔化金属量与焊接热输入为正相关关系，如果焊接热输入量太小，容易出现坡口未填满，如果焊接热输入太大，一次成型焊缝余高太高并会影响焊趾位置的均匀过渡成型，对焊接接头疲劳性能不利，因此，针对不同的焊接坡口尺寸，焊接热输入E和坡口角度θ、坡口深度t满足如下条件：
当E≤2.0时，
当2.0＜E≤4.0时，
当E＞4.0时，
具体地，在对下坡口进行焊接时，Eb为下坡口的焊接热输入，则：
当Eb≤2.0时，
当2.0＜Eb≤4.0时，
当Eb＞4.0时，
具体地，在对上坡口进行焊接时，Ea为上坡口的焊接热输入，则：
当Ea≤2.0时，
当2.0＜Ea≤4.0时，
当Ea＞4.0时，
同时，焊接热输入E和焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝直径还需满足如下条件：
当埋弧焊接采用单丝时，焊接电流为I、焊接电压为U、焊接速度为v、焊丝直径为r，满足下列关系式：E的单位为kJ/mm，其中I＝(100～250)r，U＝28～40V，v＝250～700mm/min，r＝2.5～6.0mm，且钝边高度R＝I/120+(0～1)mm；
当埋弧焊接采用双丝时，前丝焊接电流为I前，前丝焊接电压为U前，前丝直径为r前，后丝焊接电压为U后，后丝焊接电流为I后，后丝直径为r后，焊接速度为v，满足下列关系式：E的单位为kJ/mm，其中I前＝(100～250)r前，I后＝(100～250)r后，I前-I后＝200～450A，U前＝28～40V，U后-U前＝2～6V，v＝250～700mm/min，r前和r后均为2.5～6.0mm，且双丝间距为15～30mm，钝边高度R＝I前/120+(0～1)mm。
通过采用上述双面埋弧焊接工艺参数组合设计，特别是焊接热输入与坡口尺寸建立一定关系条件，且焊接热输入与焊接电流、焊接电压、焊接速度建立一定关系条件，同时焊接电流与焊丝直径、钝边高度具有严格相关性，使得焊接过程中坡口填充所需的熔化金属量能匹配不同的坡口尺寸，有利于焊趾位置的均匀过渡成型，有利于焊接接头疲劳性能，能保证焊接接头整体疲劳性能的稳定性和重现性。而且，本发明采用的埋弧焊接为单道一次成型，与常用的手工焊、气体保护焊、钨极氩弧焊等方法采用的多层多道焊接成型相比，坡口填充效率高，焊缝铺展均匀，接头残余拉应力水平更低，降低了焊接结构在疲劳服役过程中实际承受的主应力，能提高焊接结构疲劳性能和延长服役寿命，同时针对较厚钢板的双面埋弧焊接，与单面焊接相比，能够减少焊接热输入并控制焊接变形，部分消除了焊接残余拉应力，有利于焊接结构在动载疲劳条件下的安全服役。
另外，优选地，在焊接过程中采取多个质量控制手段，用于保证焊接质量，使得焊接接头能满足其服役条件下的疲劳性能要求。所述质量控制手段包括：焊接前去除坡口内部及其附近20～60mm范围内水分、锈蚀、油污等污染物；双面焊接时，先对下坡口进行焊接，再对上坡口进行焊接；焊接过程中，引弧弧坑、熄弧弧坑和成型不稳定区域需要引出焊接接头的主体结构或进行修磨处理，修磨过程中不能产生额外的机械损伤；焊接过程中保证行走精度，不能在坡口以外区域起弧，尤其是不能出现电弧烧损或破坏焊趾的情况；焊接结束后需要将残留在焊趾部位的焊渣清理干净，但不能损伤焊趾；焊接结构中如有交叉焊缝，需要将交叉焊缝部位两侧不小于50mm范围内的焊缝余高进行机械修磨和平整处理，修磨处表面粗糙度不超过12.5。
实施例
选用典型的壁厚为20mm热轧态Q550E钢板组对对接，下坡口为单丝埋弧焊接，上坡口为双丝埋弧焊接，完成一次成型双面焊接，由此得到实施例1～4并对它们进行焊接接头疲劳验证性试验，通过与当前动载服役场合常用的Q345B焊接接头疲劳性能水平进行比对，以验证本发明所述焊接方法在保证焊接接头疲劳性能方面的可行性。
表1列出了实施例1～4具体的下坡口尺寸、单丝埋弧焊接工艺参数和得到的焊接质量，表2列出了实施例1～4具体的上坡口尺寸、双丝埋弧焊接工艺参数和得到的焊接质量。其中，单丝埋弧焊接所使用的焊丝直径为4.0mm，双丝埋弧焊接所使用的前丝直径为4.0mm，后丝直径为3.2mm，实施例1～4采用埋弧焊丝牌号均为H10Mn2，并匹配SJ101烧结焊剂，焊前在350℃恒温下烘干2小时。实施例1～4的焊接过程稳定可控，无论对下坡口的单丝埋弧焊接一次成型，还是对上坡口的双丝埋弧焊接一次成型，焊缝整体质量良好，焊趾均匀平滑过渡，没有明显可见缺陷与尖角，内部钝边位置也能完全熔透。
表1
表2
为了验证实施例1～4的焊接接头疲劳性能，进行应力比为0.1的疲劳比对试验。当前普遍应用于动载场合的Q345B焊接接头疲劳极限为210MPa左右，将该疲劳极限值的1.1倍(230MPa)作为比对试验疲劳加载峰值。试验结果表明：实施例1～4均具有良好的疲劳性能。表3列出了实施例1～4的焊接接头疲劳性能试验结果。
表3
另外，从实施例1～4中任意选择一个焊接接头进行疲劳极限试验，在应力比为0.1、设定循环次数为500万次的条件下，疲劳极限值为270MPa，由此可见，应用本发明所述焊接方法得到的高强钢对接焊接接头，在上述试验条件下具有良好的动载疲劳性能。
本发明用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，不同于当前普遍采用焊后处理的焊接接头疲劳性能优化技术和方法，例如焊后消除残余应力热处理、焊趾TIG熔修、焊趾高频超声冲击等，焊态下即可保证焊接接头疲劳性能，降低了工序成本。本发明能够应用于工程机械、海洋结构、轨道车辆、重型能源装备等使用低合金高强钢对接焊接施工的工业领域并满足交变动载场合服役要求，对提高结构焊接接头质量、保证动载疲劳性能具有直接的指导意义和重要的实用价值。
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 (6)
1.一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，选用相同的高强钢板组合对接，所述钢板的壁厚T≥13mm且屈服强度小于等于690MPa；
步骤二，采用X型坡口，上坡口角度为70～100°，下坡口角度为80～110°，上坡口和下坡口的深度比例为1.1～1.5，组对间隙为0～0.5mm；钝边高度R为4～10mm且R≤T/3；
步骤三，采用平焊或船型位置进行一次单道双面埋弧焊接，埋弧焊接采用直流平特性焊接电源，焊接热输入E和坡口角度θ、坡口深度t满足如下条件：
当E≤2.0时，
当2.0＜E≤4.0时，
当E＞4.0时，
同时，焊接热输入E和焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝直径满足如下条件：
当采用单丝时，焊接电流为I、焊接电压为U、焊接速度为v、焊丝直径为r，满足下列关系式：E的单位为kJ/mm，其中I＝(100～250)r，U＝28～40V，v＝250～700mm/min，r＝2.5～6.0mm，且钝边高度R＝I/120+(0～1)mm；
当采用双丝时，前丝焊接电流为I前，前丝焊接电压为U前，前丝直径为r前，后丝焊接电流为I后，后丝焊接电压为U后，后丝直径为r后，焊接速度为v，满足下列关系式：E的单位为kJ/mm，其中I前＝(100～250)r前，I后＝(100～250)r后，I前-I后＝200～450A，U前＝28～40V，U后-U前＝2～6V，v＝250～700mm/min，r前和r后均为2.5～6.0mm，且双丝间距为15～30mm，钝边高度R＝I前/120+(0～1)mm。
2.根据权利要求1所述的用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤一中，钢板组对后的错边量小于壁厚T的1/6且不超过3mm。
3.根据权利要求1所述的用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，在进行埋弧焊接前先去除坡口内部及其附近20～60mm范围内的污染物。
4.根据权利要求1所述的用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，先对下坡口进行焊接，再对上坡口进行焊接。
5.根据权利要求1所述的用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，将引弧弧坑、熄弧弧坑和成型不稳定区域引出焊接接头的主体结构或进行修磨处理。
6.根据权利要求1所述的用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，对焊接结构中交叉焊缝部位两侧不小于50mm范围内的焊缝余高进行机械修磨和平整处理，修磨处表面粗糙度不超过12.5。
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