CN114762908A - 薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，其步骤包括：选用相同的钢板组合对接，所述钢板为低合金高强钢，壁厚小于等于13mm，屈服强度小于等于690MPa；采用V型坡口，坡口角度为40～90°，坡口背面设置垫板，钝边高度为2～5mm且不超过壁厚的一半，组对间隙为0～0.5mm；采用平焊或船型位置进行一次单道埋弧焊接；焊接热输入和壁厚、坡口角度、钝边高度满足一定条件，焊接热输入和焊接电流、焊接电压、焊接速度、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

薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法

技术领域

本发明涉及低合金高强钢焊接技术，特别涉及一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法。

背景技术

低合金高强钢是指在低碳钢中添加少量合金元素的工程结构钢，由于其良好的强韧性与焊接性，适用于很多工业领域较重要的钢结构，例如工程机械、海洋结构、煤机、桥梁、建筑结构等，尤其是在这些领域的交变动载场合，由低合金高强钢制造的焊接结构得到广泛应用。

焊接结构是用焊接方法制造的金属结构，而由于焊接过程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。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。

中国专利201710670619.7公开了一种提高焊接件疲劳寿命的处理方法，通过磁场下的超声冲击降低焊接件焊接处的应力集中水平，减少了疲劳裂纹扩展几率，提高了疲劳寿命。中国专利200710159341.3公开了焊接接头通过焊趾TIG重熔后跟随激冷处理来调整焊趾残余应力场，使TIG重熔区原始残余拉应力场转变为有利于提高接头疲劳强度的压缩应力场的一种焊后处理方法。中国专利201310749922.8公开了一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备，将脉冲强磁场施加于刚刚焊接完成的激光焊接接头及其周围区域，在工件表面产生压应力使接头区域发生塑性变形，释放残余应力，以降低焊接接头应力集中和结构变形程度，提高疲劳性能。

从上述专利来看，适用于提高动载工业结构焊接接头疲劳性能的方法主要涉及两个方面：一、改善焊趾几何形貌，消除焊趾附近在焊接过程中形成的微小冶金缺陷，使得焊趾和母材过渡均匀，从而降低应力集中度；二、减小或消除焊接残余拉应力，或引入残余压应力场，提高焊趾附近局部塑性变形能力。但是，这些方法基本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，如果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结构失效。另外，基于低温马氏体相变的特种焊接材料，也能在一定程度上改善焊趾残余应力状态，但这类焊接材料需要高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，同时合金含量提高造成盖面焊道铺展性变差，不利于焊趾均匀平滑过渡，反而降低疲劳性能。

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焊接方法，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薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，通过合理设置焊接接头坡口形式，并构建一次成型焊接工艺参数的优化组合，以及结合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埋弧焊接成型焊缝。

本发明是这样实现的：

一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，包括以下步骤：

步骤一，选用相同的钢板组合对接，所述钢板为低合金高强钢，壁厚小于等于13mm，屈服强度小于等于690MPa；

步骤二，采用V型坡口，坡口角度为40～90°，坡口背面设置垫板，钝边高度为2～5mm且不超过壁厚的一半，组对间隙为0～0.5mm；

步骤三，采用平焊或船型位置进行一次单道埋弧焊接，根据公式定义第一变量：

其中P为第一变量，E为焊接热输入，T为壁厚，R为钝边高度，α为坡口角度，并满足如下条件：当E≤3.0时，P＝1.00～1.30，当3.0＜E≤4.5时，P＝0.80～1.10，当E＞4.5时，P＝0.55～0.85；

焊接热输入E由如下条件和公式得到：

当采用单丝时，根据公式计算焊接热输入：

E的单位为kJ/mm，其中I为焊接电流，U为焊接电压，v为焊接速度，r为焊丝直径，且I＝(110～320)r，U＝30～41V，v＝250～900mm/min，r＝2.5～6.0mm，同时钝边高度和焊接电流满足关系式：R＝I/200+(0～0.5)mm；

当采用双丝时，根据公式计算焊接热输入：

E的单位为kJ/mm，其中I_前为前丝焊接电流，U_前为前丝焊接电压，r_前为前丝直径，I_后为后丝焊接电流，U_后为后丝焊接电压，r_后为后丝直径，焊接速度为v，且I_前＝(110～320)r_前，I_后＝(110～320)r_后，I_前-I_后＝100～400A，U_前＝30～41V，U_后-U_前＝1～5V，v＝300～900mm/min，r_前和r_后均为2.5～6.0mm，双丝间距为15～35mm，同时钝边高度和前丝焊接电流满足关系式：R＝I_前/200+(0～0.5)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。

所述步骤二中，垫板的材质与所述钢板相同或者为铜。

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，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。

所述步骤三中，埋弧焊接采用直流平特性焊接电源。

本发明薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，针对屈服强度690MPa以下级别且壁厚不超过13mm较薄钢板，能满足平焊或船型位置焊接制造与施工要求，能够保证焊接接头动载疲劳性能，满足交变动载场合服役要求。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。而且，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，一次成型埋弧焊接使得焊接残余拉应力水平显著降低，能够有效降低焊接接头服役过程中主应力方向实际承受的疲劳载荷，达到增加低合金高强钢焊接接头疲劳性能的目的，满足焊接结构在交变动载场合下安全服役要求。

另外，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：针对低合金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为本发明薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法的焊接接头坡口形式的结构示意图；

图中，1钢板，2垫板。

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。

一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，针对应用于动载场合的壁厚不超过13mm、屈服强度690MPa以下级别的低合金高强钢，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，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，能够在施工制造现场进行平焊或船型位置进行焊接制造和施工，具备实施可行性。

一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，包括以下步骤：

步骤一，选用相同的钢板组合对接，所述钢板为低合金高强钢，壁厚T≤13mm，屈服强度小于等于690MPa。

步骤二，参见图1，钢板1组合对接时采用V型坡口，坡口角度α为40～90°，坡口背面设置垫板2，垫板2材质与钢板1相同，或者垫板2材质为铜。钝边高度R为2～5mm且R≤T/2，且钝边高度R和焊接电流I满足关系式：R＝I/200+(0～0.5)mm，如步骤三中埋弧焊接采用双丝，I为前丝焊接电流。组对间隙为0～0.5mm。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。

鉴于焊缝表面成型质量特别是两侧焊趾的几何形貌和均匀性对焊接接头动载疲劳性能有重要影响，对焊接接头坡口形式进行优化设计，主要是根据钢板厚度、V型坡口角度、钝边尺寸的合理配置，实现焊接坡口开口宽度在一定范围内精确可控，从而能够通过单丝或双丝埋弧焊接工艺规范设计实现一次焊接成型并保证最终的焊接接头疲劳性能。如果坡口角度太小，则需要采用较小的焊接热输入以保证低填充量，但这不利于一次焊接成型焊缝的铺展和表面均匀化；而如果坡口角度太大，则又会降低焊接效率。合适的钝边尺寸有利于成型质量控制，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的数值选取需遵循上述匹配关系。如果钝边尺寸太小，坡口实际填充量增加，需要采用较大的焊接热输入进行匹配，造成坡口背面垫板的熔化量增加从而加大焊接接头稀释率，不利于整体焊接性能；而如果钝边尺寸太大，在焊接过程中待焊接钢板的钝边位置过量熔化也会加大焊接接头稀释率。

考虑到很多实际承受动载结构焊接施工条件和焊接位置的可达性，进行打底焊时在坡口背面可优选采用钢板1同质材料作为永久垫板辅助成型。如果是整体结构组装前的平板分段对接焊，也可采用铜衬垫实现单面焊双面成型。

优选地，所述钢板1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坡口形式，设置合理形状和尺寸，兼顾钝边高度与焊接电流的匹配关系，并结合步骤三的埋弧焊接工艺参数组合设计，辅以焊接过程质量控制措施，能够实现单丝或双丝埋弧焊接一次成型，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埋弧焊接，可采用单丝或双丝。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。

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，焊接热输入E和壁厚T、坡口角度α、钝边高度R需满足一定的关系条件，具体为：

根据公式定义第一变量：

其中P为第一变量，E为焊接热输入，T为壁厚，R为钝边高度，α为坡口角度，并满足如下条件：

当E≤3.0时，P＝1.00～1.30；

当3.0＜E≤4.5时，P＝0.80～1.10；

当E＞4.5时，P＝0.55～0.85。

同时，焊接热输入E由如下条件和公式得到：

当埋弧焊接采用单丝时，根据公式计算焊接热输入：

E的单位为kJ/mm，其中I为焊接电流，U为焊接电压，v为焊接速度，r为焊丝直径，且I＝(110～320)r，U＝30～41V，v＝250～900mm/min，r＝2.5～6.0mm，同时钝边高度R和焊接电流I满足关系式：R＝I/200+(0～0.5)mm。

当埋弧焊接采用双丝时，根据公式计算焊接热输入：

E的单位为kJ/mm，其中I_前为前丝焊接电流，U_前为前丝焊接电压，r_前为前丝直径，I_后为后丝焊接电流，U_后为后丝焊接电压，r_后为后丝直径，焊接速度为v，且I_前＝(110～320)r_前，I_后＝(110～320)r_后，I_前-I_后＝100～400A，U_前＝30～41V，U_后-U_前＝1～5V，v＝300～900mm/min，r_前和r_后均为2.5～6.0mm，双丝间距为15～35mm，同时钝边高度R和前丝焊接电流I_前满足关系式：R＝I_前/200+(0～0.5)mm。

通过采用上述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，改善焊接接头疲劳性能，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，保证了焊趾成型质量，使得残余拉应力水平显著降低，并且也有利减少焊趾位置应力集中，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。

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：

1.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；

2.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；

3.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；

4.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；

5.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12mm热轧态Q550E钢板组对对接，基于本发明所述的焊接方法进行一次成型埋弧焊接试验，实施例1～4采用单丝，实施例5～7采用双丝，并对实施例1～7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具体的坡口尺寸、单丝埋弧焊接工艺参数和得到的焊接质量，其中，实施例1和2的焊丝直径为3.2mm，实施例3和4的焊丝直径为4.0mm。表2列出了实施例5～7具体的坡口尺寸、双丝埋弧焊接工艺参数和得到的焊接质量，前丝直径为4.0mm，后丝直径为3.2mm。实施例1～7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1～7的焊接热输入取值范围在3.0～4.5之间，这是由于：焊接热输入低于3.0时，适用于壁厚较小的钢板，否择不能一次填满；焊接热输入高于4.5时，则需要采用较小的钝边高度和较大的坡口角度，属于不常用的参数组合选项。实施例1～7的焊接过程稳定可控，无论单丝单道一次成型，还是双丝单道一次成型，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。

表1

表2

为了验证实施例1～7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1～7均具有良好的疲劳性能。表3列出了实施例1～7的焊接接头疲劳性能试验结果。

表3

另外，从实施例1～7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320MPa，由此可见，应用本发明所述焊接方法得到的低合金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。

本发明薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，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。本发明适用于低合金高强钢对接焊接施工应用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 (7)

1.一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，选用相同的钢板组合对接，所述钢板为低合金高强钢，壁厚小于等于13mm，屈服强度小于等于690MPa；

步骤二，采用V型坡口，坡口角度为40～90°，坡口背面设置垫板，钝边高度为2～5mm且不超过壁厚的一半，组对间隙为0～0.5mm；

步骤三，采用平焊或船型位置进行一次单道埋弧焊接，根据公式定义第一变量：

其中P为第一变量，E为焊接热输入，T为壁厚，R为钝边高度，α为坡口角度，并满足如下条件：当E≤3.0时，P＝1.00～1.30，当3.0＜E≤4.5时，P＝0.80～1.10，当E＞4.5时，P＝0.55～0.85；

焊接热输入E由如下条件和公式得到：

当采用单丝时，根据公式计算焊接热输入：

E的单位为kJ/mm，其中I为焊接电流，U为焊接电压，v为焊接速度，r为焊丝直径，且I＝(110～320)r，U＝30～41V，v＝250～900mm/min，r＝2.5～6.0mm，同时钝边高度和焊接电流满足关系式：R＝I/200+(0～0.5)mm；

当采用双丝时，根据公式计算焊接热输入：

E的单位为kJ/mm，其中I_前为前丝焊接电流，U_前为前丝焊接电压，r_前为前丝直径，I_后为后丝焊接电流，U_后为后丝焊接电压，r_后为后丝直径，焊接速度为v，且I_前＝(110～320)r_前，I_后＝(110～320)r_后，I_前-I_后＝100～400A，U_前＝30～41V，U_后-U_前＝1～5V，v＝300～900mm/min，r_前和r_后均为2.5～6.0mm，双丝间距为15～35mm，同时钝边高度和前丝焊接电流满足关系式：R＝I_前/200+(0～0.5)mm。

2.根据权利要求1所述的薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，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所述的薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，其特征在于：所述步骤二中，垫板的材质与所述钢板相同或者为铜。

4.根据权利要求1所述的薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，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。

5.根据权利要求1所述的薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，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所述的薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，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。

7.根据权利要求1所述的薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，埋弧焊接采用直流平特性焊接电源。

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