CN115106673B - 高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，依次包括以下步骤：选取两块试验板，采用多维拘束试验系统并确定焊接方式；两块试验板采用V型坡口组合对接；设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸并根据管线钢规格、试验焊接方式和焊接工艺参数建立有限元模型，通过有限元模型计算试验焊缝和实际焊缝残余应力；建立拘束度系数计算公式和设定优化系数，先计算基准拘束度系数，再计算优化拘束度系数，然后计算拘束底板和拘束立板的优化尺寸；两块试验板对接焊接得到试验焊缝；对试验焊缝进行超声波无损检测和截面检查得到冷裂纹情况。本发明既能保证适当的安全裕量，又能合理降低保守度，能对高强管线钢现场施工环缝焊接性进行有效评估。
Description
技术领域
本发明涉及高强管线钢焊接技术，特别涉及一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法。
背景技术
焊接是管线钢现场施工的关键工序，而管线钢现场环缝焊接性优劣直接影响到环缝接头的焊接质量。一般来说，钢材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、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。其中，工艺焊接性是首先要解决的问题，对于高强管线钢(屈服强度550MPa以上)现场施工焊接来说，焊接冷裂纹产生在焊接接头，冷裂纹产生倾向随钢材屈服点提高而加强，它是导致这类钢种焊接产品失效的重要原因。另外，焊接工件在无拘束情况下，热胀冷缩没有受到阻碍，焊接接头内部不会出现反作用力，如焊接工件加以刚性固定，在加热和冷却过程中焊接接头内部产生残余应力，在焊接工件使用过程中可能会导致焊接接头内部产生裂纹。因而，针对管线钢现场施工环缝焊接性的评估，主要就是对其焊接接头冷裂纹敏感性的评估。
目前，针对钢材焊接冷裂纹敏感性的评价方法很多，例如ISO 17642-2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所述的斜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焊接，以评估钢材在一定焊接条件下的冷裂纹敏感性。但是，该方法拘束条件过于苛刻，较高的拘束应力更容易诱发焊接冷裂纹，使得试验结果过于保守，而且所得到的试验焊缝为焊接接头坡口内部随机成型单道焊缝，呈不规则形状，与现场管线钢单面焊双面成型打底环缝焊接的焊缝差异性太大，不具有直接指导意义。GB/T 13817所述的对接接头刚性拘束焊接裂纹试验方法同样偏保守，而且试验焊缝与刚性拘束底板焊接在一起，无法反映现场管线钢单面焊双面成型根焊的情形。
中国专利201611208203.5公开了一种改进的斜Y型坡口焊接裂纹敏感性试验试件及其制造方法，其在ISO 17642-2标准试验基础上，在整块钢板(试件)上加工出试验焊接接头，取消拘束焊缝，避免了拘束焊接对试验接头组对间隙精度的不利影响，但从本质上与上述TEKKEN试验相似，与现场管线钢单面焊双面成型环缝焊接焊缝差异性太大，不具有直接指导意义。中国专利201110253867.4公开了一种异种钢冷裂纹敏感性试验方法，同样也是借鉴了TEKKEN试验方法，通过优化焊条匹配、焊前预热、工艺过程控制等以间接评估异种钢焊接冷裂纹敏感性，但对具有单面焊双面成型特征的焊接场合并不适用。中国专利201310529159.8公开了一种异种钢焊接冷裂纹敏感性预测方法，通过正交试验得出与预热温度、焊接热输入、板厚相关的最高硬度预测公式，把预测的最高硬度与产生冷裂纹的临界硬度值进行比较，间接预测异种钢焊接冷裂纹敏感性，但是该方法的拘束条件、试验焊缝与现场管线钢单面焊双面成型打底焊接也有很大差别，不具有直接指导意义。
另外，用于以板代管焊接冷裂纹敏感性评价的WIC试验主要是基于纤维素焊条单面焊双面成型试验焊缝，在严苛的拘束条件下评估管线钢冷裂纹倾向，但是该试验方法是在20世纪80年代推出，当时主要针对API SPEC 5L管线钢管规范的X70及以下等级(即屈服强度不超过485MPa)管线钢，具有试验系统高拘束度、纤维素焊条高扩散氢含量以及薄层单道试验焊缝承载的特征，如若用于屈服强度550MPa以上高强管线钢(例如X80管线钢，其屈服强度约为552MPa)，将不可避免地出现焊接冷裂纹，这与当前高强管线钢实际具有较好现场环缝焊接性的情形不符，容易给业主和施工单位造成误导。同时，WIC试验拘束系统形状与尺寸范围过宽，也没有对拘束度进行适当量化，如果选择了范围很宽的拘束板尺寸，拘束度与随之而来的拘束应力随机性变化将引起试验结果的随机改变，从而降低了评估结果的可信度。另外，纤维素焊条手工电弧焊也不是当前高强管线钢焊接施工的主流工艺。
鉴于此，亟待开发一种适用于高强管线钢单面焊双面成型打底焊接场合的焊接性评估方法，能够对高强管线钢现场环缝焊接冷裂纹敏感性进行综合评估。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其通过多维拘束试验系统和有限元模型计算得到焊缝残余应力，从而对多维拘束试验系统进行优化，最终在优化后的多维拘束试验系统上并结合优化焊接工艺参数组合，得到单面焊双面成型试验焊缝，以此评估多维拘束条件下高强管线钢现场焊接冷裂纹敏感性。
本发明是这样实现的：
一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，包括以下步骤：
步骤一，选取两块试验板，试验板屈服强度大于等于550MPa，采用多维拘束试验系统并确定试验焊接方式；所述多维拘束试验系统包括采用T形接头形式的拘束底板和拘束立板，拘束底板上侧面中心设置矩形辅助槽，试验板宽度与辅助槽长度相同；
步骤二，两块试验板沿拘束底板长度方向水平对称放置在辅助槽正上方，并采用V型坡口组合对接，确定焊接工艺参数；
步骤三，设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸并根据管线钢规格、试验焊接方式和焊接工艺参数建立有限元模型，根据有限元模型计算得到试验板的试验焊缝残余应力和管线钢环缝焊接的实际焊缝残余应力；
步骤四，根据试验焊缝残余应力和实际焊缝残余应力建立拘束度系数计算公式并设定优化系数，先由拘束底板和拘束立板的基准尺寸、管线钢屈服强度、焊接热输入根据拘束度系数计算公式得到基准拘束度系数，再由基准拘束度系数和优化系数得到优化拘束度系数，然后由优化拘束度系数根据拘束度系数计算公式得到拘束底板和拘束立板的优化尺寸；
步骤五，根据拘束底板和拘束立板的优化尺寸选取拘束底板和拘束立板，拘束底板和拘束立板焊接构成多维拘束试验系统并得到系统拘束焊缝，试验板在辅助槽两侧的边沿部分焊接在拘束底板上并得到试验板拘束焊缝；
步骤六，两块试验板进行对接焊接并得到试验焊缝；焊接完成后，试验板先放置一段时间，然后通过对试验焊缝进行超声波无损检测和截面检查得到冷裂纹情况，用于评估冷裂纹敏感性。
所述步骤四中，试验焊缝残余应力为横向残余应力，实际焊缝残余应力为管线钢纵向残余应力，所述拘束度系数计算公式如下：
Rc＝x1ln a底b底t底+x2ln a立t立+b立/x3+x4lnσY+x5eE
式中，Rc为拘束度系数，a底、b底、t底分别为拘束底板的长度、宽度、厚度，a立、b立、t立分别为拘束立板的长度、宽度、厚度，σY为管线钢屈服强度，E为焊接热输入，e为自然常数，x1、x2、x3、x4、x5为调整系数；
所述优化拘束度系数的计算公式如下：
Rco＝Rcc×A
式中，Rco为优化拘束度系数，Rcc为基准拘束度系数，A为优化系数。
所述步骤一中，试验焊接方式采用脉冲短路过渡气体保护半自动焊接，a底≥300mm，b底≥90mm，a立≥300mm，b立≥25mm，辅助槽宽度为15～30mm，辅助槽深度为3～8mm且小于t底的三分之一，试验板长度为140～180mm且宽度为40～60mm。
所述步骤二中，采用实芯焊丝且焊丝直径为1.2mm，焊接电流为120～170A，焊接电压为14～18V，焊接速度为140～210mm/min，焊接方向为立向下；V型坡口的坡口角度大于60°，坡口钝边为0.5～1.5mm，组对间隙为3.0～5.0mm。
所述a底＝a立＝350mm，b底＝b立＝100mm，t底＝t立＝25mm，采用22mm规格X80管线钢，并设定x1＝1.5，x2＝1.5，x3＝1.2，x4＝1，x5＝1.5，A＝0.48～0.64。
所述步骤一中，试验焊接方式采用低氢型焊条手工电弧焊，a底≥300mm，b底≥80mm，a立≥300mm，b立≥30mm，辅助槽宽度为15～30mm，辅助槽深度为4～10mm且小于t底的三分之一，试验板长度为140～180mm且宽度为50～80mm。
所述步骤二中，低氢型焊条直径为3.2mm，焊接电流为80～130A，焊接电压为17～25V，焊接速度为70～150mm/min，焊接方向为立向上；V型坡口的坡口角度大于60°，坡口钝边为0.8～2.0mm，组对间隙为2.5～4.5mm。
所述a底＝a立＝400mm，b底＝b立＝125mm，t底＝t立＝25mm，采用22mm规格X80管线钢，并设定x1＝1.2、x2＝1.4、x3＝2、x4＝1、x5＝1，A＝0.55～0.73。
所述步骤五中，系统拘束焊缝和试验板拘束焊缝的焊接方式包括但不限于低氢型焊条手工电弧焊、TIG填丝焊或熔化极气体保护焊。
所述步骤六中，通过机械加工方法随机取试验焊缝的任意两个位置进行截面检查。
本发明高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，首先，通过拘束度可量化控制的多维拘束试验系统能够较好地反映管线钢现场施工焊接拘束条件，既能保证评估结果的安全裕量，又能在一定程度上降低保守度，符合合于使用原则，直接解决了高强管线钢以板代管焊接性间接评估的问题，对于高强管线钢现场施工环缝焊接具有直接指导意义。其次，所述评估方法涉及的试验焊缝单面焊双面成型特征明显，与现有焊接冷裂纹间接评估方法相比，能与相关工业领域的单面焊双面成型打底焊缝保持很好的一致性，具有普遍适用性。再者，基于有限元模型进行计算得到试验焊缝和实际焊缝残余应力，在此基础上对多维拘束试验系统进行优化，并结合优化的焊接工艺参数组合，能实现高强管线钢焊接性评估在理论和实践上的高度统一，并确保评估方法的可靠性。
另外，采用焊接方式包括脉冲短路过渡气体保护半自动焊接和低氢型焊条手工电弧焊，均属于高强管线钢等工业领域主流焊接技术，操作简便快捷且成本较低，具有良好的代表性和推广应用价值。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：在保证具有适当安全裕量前提下，在一定程度上降低了保守度，能为高强管线钢现场施工环缝焊接提供有效的评估结果，在高强钢工业领域单面焊双面成型焊接应用场合具有良好的普遍适用性。
附图说明
图1为本发明高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法的步骤流程图；
图2为本发明的多维拘束试验系统的立体结构示意图；
图3为本发明的试验板在拘束底板上的位置示意图；
图4为本发明的试验板焊接接头坡口形式示意图。
图中，1拘束底板，2拘束立板，3辅助槽，4试验板，11系统拘束焊缝，12试验板拘束焊缝，13试验焊缝。
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。
一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，针对屈服强度550MPa以上高强管线钢单面焊双面成型打底焊接要求场合，根据高拘束度诱发冷裂纹机理，通过拘束度可量化控制的多维拘束试验系统，并在有限元模型的基础上计算得到试验焊缝残余应力和现场管线钢环缝焊接的实际焊缝残余应力，基于计算比对结果对多维拘束试验系统进行优化，并根据现场施工的焊接方式设计优化焊接工艺参数组合，能够在多维拘束试验系统上得到单面焊双面成型质量良好的试验焊缝，再通过超声波无损检测、试验焊缝截面随机取样抽查，从而对多维拘束条件下高强管线钢单面焊双面成型焊接冷裂纹敏感性进行评估，以间接评估高强管线钢现场环缝焊接性优劣。
所述评估方法，参见图1，具体包括以下步骤：
步骤一，选取两块试验板4，试验板屈服强度大于等于550MPa，采用多维拘束试验系统。参见图2，多维拘束试验系统包括采用T形接头形式的拘束底板1和拘束立板2，拘束底板1长度方向平行于拘束立板2长度方向，拘束立板2沿拘束底板1下侧面中心线设置。为了保证单面焊双面成型试验焊缝背面自由铺展，拘束底板1上侧面中心设置矩形辅助槽3，辅助槽3长度方向平行于拘束底板1宽度方向，辅助槽3宽度方向平行于拘束底板1长度方向。参见图3，试验板4长度方向平行于拘束底板1长度方向，试验板4宽度方向平行于拘束底板1宽度方向，试验板4宽度等于辅助槽3长度。拘束底板和拘束立板的尺寸要求需要满足拘束度要求并保证拘束效果。试验板的尺寸要求能更好地保证拘束有效性和拘束焊缝的代表性。
试验板的试验焊接方式为脉冲短路过渡气体保护半自动焊接或者低氢型焊条手工电弧焊。脉冲短路过渡气体保护半自动焊接包括但不限于RMD(熔覆金属控制技术)、STT(表面张力过渡技术)、CMT(冷金属过渡技术)、PST(精确短路过渡技术)等，均属于管线钢现场施工焊接主流工艺方法，其单面焊双面成型能力强、操作方便，在管线钢现场环缝焊接以及其他具有单面焊双面成型要求的工业领域具有良好的普适性。低氢型焊条手工电弧焊也具有单面焊双面成型能力强、操作便捷的特点，在管线钢现场环缝焊接中同样具有良好的普适性。
步骤二，两块试验板4沿拘束底板1长度方向水平对称放置在辅助槽3正上方，以保证单面焊双面成型试验焊缝。两块试验板4采用V型坡口组合对接，参见图4，坡口角度为α，坡口钝边为d，组对间隙为g，试验板厚度为t。
步骤三，设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸并根据管线钢规格、试验焊接方式和焊接工艺参数建立有限元模型，根据有限元模型计算得到试验板的试验焊缝残余应力和管线钢环缝焊接的实际焊缝残余应力。在实际的管线钢现场施工环缝焊接时，焊缝中主要存在两种拉伸残余应力：钢管纵向拉应力和钢管周向拉应力。这两种残余拉应力均为焊接接头冷裂纹产生的主要诱发因素。因此，需要通过合理设计拘束底板和拘束立板尺寸组合，同时考虑到特定焊接方法热源特点、钢材强度级别等因素，使得所得试验焊缝由于高拘束度产生的残余应力水平能与实际管线钢环缝焊接接头具有一定相关性，这样的焊接性评估才能具有代表性与现场指导意义。
步骤四，根据试验焊缝残余应力和实际焊缝残余应力建立拘束度系数计算公式并设定优化系数，先由拘束底板和拘束立板的基准尺寸、管线钢屈服强度、焊接热输入根据拘束度系数计算公式得到基准拘束度系数，再由基准拘束度系数和优化系数得到优化拘束度系数，然后由优化拘束度系数根据拘束度系数计算公式得到拘束底板和拘束立板的优化尺寸。
在一定的焊接工艺方法条件下，根据试验焊缝残余应力和实际焊缝残余应力比对结果建立拘束度系数计算公式，并由拘束底板和拘束立板的基准尺寸、管线钢屈服强度、焊接热输入根据拘束度系数计算公式得到基准拘束度系数。试验焊缝横向残余应力对应于实际焊缝横向残余应力(即钢管纵向拉应力)，试验焊缝纵向残余应力对应于实际焊缝纵向残余应力(即钢管周向拉应力)，考虑到实际管线钢环缝焊接接头中横向裂纹出现的几率高，而几乎很少出现纵向裂纹的情形，同时试验焊缝纵向残余应力水平高出实际环缝焊接接头的情况并不多，所以在对多维拘束试验系统进行尺寸优化时，忽略其对试验焊缝纵向拘束的影响，仅以试验焊缝横向残余应力比对结果作为优化与修正的数据基础。
由此，试验焊缝残余应力为试验焊缝的横向残余应力，实际焊缝残余应力为管线钢纵向残余应力，所述拘束度系数计算公式如下：
Rc＝x1ln a底b底t底+x2ln a立t立+b立/x3+x4lnσY+x5eE
式中，Rc为拘束度系数；a底、b底、t底分别为拘束底板的长度、宽度、厚度，a立、b立、t立分别为拘束立板的长度、宽度、厚度，单位均为mm；σY为管线钢屈服强度，单位为MPa；E为焊接热输入，单位为kJ/mm；e为自然常数，一般取值为2.71828；x1、x2、x3、x4、x5为调整系数。
同时，根据试验焊缝残余应力和实际焊缝残余应力设定优化系数并计算得到优化拘束度系数，再由优化拘束度系数根据拘束度系数计算公式得到拘束底板和拘束立板的优化尺寸。所述优化拘束度系数的计算公式如下：
Rco＝Rcc×A
式中，Rco为优化拘束度系数，Rcc为基准拘束度系数，A为优化系数。
步骤五，根据拘束底板和拘束立板的优化尺寸选取拘束底板和拘束立板，拘束底板和拘束立板焊接构成多维拘束试验系统并得到系统拘束焊缝11，参见图2，试验板在辅助槽两侧的边沿部分焊接在拘束底板上并得到试验板拘束焊缝12，参见图3。系统拘束焊缝和试验板拘束焊缝的焊接方式包括但不限于低氢型焊条手工电弧焊、TIG填丝焊或熔化极气体保护焊。
步骤六，两块试验板进行对接焊接并得到单面焊双面成型质量良好的试验焊缝13，参见图3。优选地，对接焊接前先清除坡口内部以及背面两侧污染物。同时，为保证试验焊缝的均匀性，焊接过程中起弧和收弧的不均匀区引出到拘束底板上。
焊接完成后，试验板先放置一段时间，一般为24小时以上，然后通过对试验焊缝进行超声波无损检测以判断冷裂纹情况，再通过机械加工方法随机取试验焊缝的任意两个位置进行截面检查以确定冷裂纹情况。由此可对试验板在多维拘束条件下单面焊双面成型焊接冷裂纹敏感性进行综合评估，从而间接评估高强管线钢现场环缝焊接的焊接性优劣。
根据上述步骤一至步骤六的评估方法，优选地，当试验焊接方式采用脉冲短路过渡气体保护半自动焊接时：
所述步骤一中，a底≥300mm，b底≥90mm，a立≥300mm，b立≥25mm，辅助槽宽度为15～30mm，辅助槽深度为3～8mm且小于t底的三分之一，试验板长度为140～180mm且宽度为40～60mm。
所述步骤二中，焊接工艺参数包括：采用实芯焊丝且焊丝直径为1.2mm，焊接电流为120～170A，焊接电压为14～18V，焊接速度为140～210mm/min，焊接方向为立向下。V型坡口的坡口角度α大于60°，坡口钝边d为0.5～1.5mm，组对间隙g为3.0～5.0mm。
所述步骤三中，设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸，具体为：a底＝a立＝350mm，b底＝b立＝100mm，t底＝t立＝25mm；采用22mm规格X80管线钢；通过有限元模型计算得到：试验焊缝横向残余应力是实际焊缝横向残余应力的2.5倍左右，试验焊纵向残余应力是实际焊缝纵向残余应力的1.3倍左右。
所述步骤四中，在上述条件下，并考虑试验焊缝残余应力为横向残余应力、实际焊缝残余应力为管线钢纵向残余应力，由此设定x1＝1.5，x2＝1.5，x3＝1.2，x4＝1，x5＝1.5，即拘束度系数计算公式如下：
Rc＝1.5ln a底b底t底+1.5ln a立t立+b立/1.2+lnσY+1.5eE
根据拘束底板和拘束立板的基准尺寸、钢材屈服强度、焊接热输入得到基准拘束度系数：Rcc＝127。
同时，结合多维拘束条件下试验焊缝横向残余应力与实际焊缝横向残余应力的比对结果，按照把多维拘束试验系统横向拘束度修正为接近管线钢焊接实际焊接情况的1.2～1.6倍原则，设定优化系数A＝0.48～0.64，这样既能够保证一定的拘束程度与评估结果的安全性，又能相对接近管线钢现场焊接实际情况。接着，通过优化拘束度系数计算公式Rco＝Rcc×A得到优化拘束度系数Rco后，再由拘束度系数计算公式得到拘束底板和拘束立板的优化尺寸。
根据上述步骤一至步骤六的评估方法，优选地，当试验焊接方式采用低氢型焊条手工电弧焊时：
所述步骤一中，a底≥300mm，b底≥80mm，a立≥300mm，b立≥30mm，辅助槽宽度为15～30mm，辅助槽深度为4～10mm且小于t底的三分之一，试验板长度为140～180mm且宽度为50～80mm。
所述步骤二中，焊接工艺参数包括：低氢型焊条直径为3.2mm，焊接电流为80～130A，焊接电压为17～25V，焊接速度为70～150mm/min，焊接方向为立向上；V型坡口的坡口角度大于60°，坡口钝边为0.8～2.0mm，组对间隙为2.5～4.5mm。
所述步骤三中，设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸，具体为：a底＝a立＝400mm，b底＝b立＝125mm，t底＝t立＝25mm，采用22mm规格X80管线钢；通过有限元模型计算得到：试验焊缝横向残余应力是实际焊缝横向残余应力的2.2倍左右，试验焊纵向残余应力是实际焊缝纵向残余应力的1.2倍左右。
所述步骤四中，在上述条件下，并考虑试验焊缝残余应力为横向残余应力、实际焊缝残余应力为管线钢纵向残余应力，由此设定x1＝1.2、x2＝1.4、x3＝2、x4＝1、x5＝1，即拘束度系数计算公式如下：
Rc＝1.2ln a底b底t底+1.4ln a立t立+b立/2+lnσY+eE
根据拘束底板和拘束立板的基准尺寸、钢材屈服强度、焊接热输入得到基准拘束度系数：Rcc＝102。
同时，结合多维拘束条件下试验焊缝横向残余应力与实际焊缝横向残余应力的比对结果，按照把多维拘束试验系统横向拘束度修正为接近管线钢焊接实际焊接情况的1.2～1.6倍原则，设定优化系数A＝0.55～0.73，这样既能够保证一定的拘束程度与评估结果的安全性，又能相对接近管线钢现场焊接实际情况。接着，通过优化拘束度系数计算公式Rco＝Rcc×A得到优化拘束度系数Rco后，再由拘束度系数计算公式得到拘束底板和拘束立板的优化尺寸。
实施例1～4
采用脉冲短路过渡气体保护半自动焊接，选用壁厚t＝25.4mm的X80管线钢，试验板长度为150mm，试验板宽度为50mm，坡口角度α为70°，钝边尺寸d为0.5～1.0mm，组对间隙g为3.0～4.0mm。单面焊双面成型辅助槽宽度为20mm，深度为4mm。
采用AWS A5.18 ER70S-G气体保护实芯焊丝，焊丝直径为1.2mm。
根据上述多维拘束试验系统和焊接工艺参数组合进行焊接并得到单面焊双面成型质量良好的试验焊缝，先放置24小时以上，再进行手工超声波无损检测以判断冷裂纹情况，然后，利用机械加工方法，针对每个实施例的试验焊缝，随机取任意两个位置进行截面检查以确定试验焊缝冷裂纹情况。
表1列出了实施例1～4的多维拘束试验系统的优化尺寸、钢材屈服强度、焊接热输入以及优化拘束度系数、优化系数。表2列出了实施例1～4焊接工艺参数组合。表3列出了实施例1～4试验焊缝冷裂纹敏感性检查结果。
表1
表2
表3
由此可见，在优化设计的多维拘束试验系统下，整体来看X80管线钢在脉冲短路过渡气体保护半自动焊接条件下冷裂纹敏感性低，具有良好的现场焊接性。但是，从实施例4来看，当多维拘束试验系统本身拘束度增加到一定程度后，能够诱发冷裂纹的产生，这也说明本发明所述焊接性评估方法具有较高的识别度、灵敏度和可靠性。
实施例5～8
采用低氢型焊条手工电弧焊，选用壁厚t＝25.4mm的X80管线钢，试验板长度为150mm，试验板宽度为60mm，坡口角度α为70°，钝边尺寸d为1.0～1.5mm，组对间隙g为3.0～4.0mm。单面焊双面成型辅助槽宽度为20mm，深度为6mm。
采用AWS A5.1 E7016低氢型焊条，焊条直径为3.2mm。
根据上述多维拘束试验系统和焊接工艺参数组合进行焊接并得到单面焊双面成型质量良好的试验焊缝，先放置24小时以上，再进行手工超声波无损检测以判断冷裂纹情况，然后，利用机械加工方法，针对每个实施例的试验焊缝，随机取任意两个位置进行截面检查以确定试验焊缝冷裂纹情况。
表4列出了实施例5～8的多维拘束试验系统的优化尺寸、钢材屈服强度、焊接热输入以及优化拘束度系数、优化系数。表5列出了实施例5～8焊接工艺参数组合。表6列出了实施例5～8试验焊缝冷裂纹敏感性检查结果。
表4
表5
表6
由此可见，在优化设计的多维拘束试验系统下，整体来看X80管线钢在脉冲短路过渡气体保护半自动焊接条件下冷裂纹敏感性低，具有良好的现场焊接性。但是，从实施例8来看，当多维拘束试验系统本身拘束度增加到一定程度后，能够诱发冷裂纹的产生，这也说明本发明所述焊接性评估方法具有较高的识别度、灵敏度和可靠性。
本发明高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，充分考虑多维拘束条件下的试验焊缝和不同拘束条件下的现场实际管线钢环缝焊接结构，通过有限元模型计算得到试验焊缝和实际焊缝焊接残余应力的量化差异性，从而对拘束度可量化控制的多维拘束试验系统进行优化设计，能够较好地反映管线钢现场施工焊接拘束条件，在保证具有适当的安全裕量前提下，与现有焊接冷裂纹间接评估方法相比，在一定程度上降低了保守度，具有合于使用特征，对高强管线钢现场施工环缝焊接具有直接指导作用。另外，本发明以板代管的现场环缝焊接性间接评估方法，操作流程短、评估结果直观、实施成本低，是下游用户对钢材进行焊接性评估验收的一种可靠手段，对于其他应用屈服强度550MPa以上级别高强钢的工业领域，特别是具有单面焊双面成型打底焊接要求场合，也具有适用性和推广价值。
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 (9)
1.一种高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，选取两块试验板，试验板屈服强度大于等于550MPa，采用多维拘束试验系统并确定试验焊接方式；所述多维拘束试验系统包括采用T形接头形式的拘束底板和拘束立板，拘束底板上侧面中心设置矩形辅助槽，试验板宽度与辅助槽长度相同；
步骤二，两块试验板沿拘束底板长度方向水平对称放置在辅助槽正上方，并采用V型坡口组合对接，确定焊接工艺参数；
步骤三，设定拘束底板和拘束立板的基准尺寸并根据管线钢规格、试验焊接方式和焊接工艺参数建立有限元模型，根据有限元模型计算得到试验板的试验焊缝残余应力和管线钢环缝焊接的实际焊缝残余应力；
步骤四，根据试验焊缝残余应力和实际焊缝残余应力建立拘束度系数计算公式并设定优化系数，先由拘束底板和拘束立板的基准尺寸、管线钢屈服强度、焊接热输入根据拘束度系数计算公式得到基准拘束度系数，再由基准拘束度系数和优化系数得到优化拘束度系数，然后由优化拘束度系数根据拘束度系数计算公式得到拘束底板和拘束立板的优化尺寸；
步骤五，根据拘束底板和拘束立板的优化尺寸选取拘束底板和拘束立板，拘束底板和拘束立板焊接构成多维拘束试验系统并得到系统拘束焊缝，试验板在辅助槽两侧的边沿部分焊接在拘束底板上并得到试验板拘束焊缝；
步骤六，两块试验板进行对接焊接并得到试验焊缝；焊接完成后，试验板先放置一段时间，然后通过对试验焊缝进行超声波无损检测和截面检查得到冷裂纹情况，用于评估冷裂纹敏感性；
所述步骤四中，试验焊缝残余应力为横向残余应力，实际焊缝残余应力为管线钢纵向残余应力，所述拘束度系数计算公式如下：
Rc＝x1lna底b底t底+x2lna立t立+b立/x3+x4lnσY+x5eE
式中，Rc为拘束度系数，a底、b底、t底分别为拘束底板的长度、宽度、厚度，a立、b立、t立分别为拘束立板的长度、宽度、厚度，σY为管线钢屈服强度，E为焊接热输入，e为自然常数，x1、x2、x3、x4、x5为调整系数；
所述优化拘束度系数的计算公式如下：
Rco＝Rcc×A
式中，Rco为优化拘束度系数，Rcc为基准拘束度系数，A为优化系数。
2.根据权利要求1所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤一中，试验焊接方式采用脉冲短路过渡气体保护半自动焊接，a底≥300mm，b底≥90mm，a立≥300mm，b立≥25mm，辅助槽宽度为15～30mm，辅助槽深度为3～8mm且小于t底的三分之一，试验板长度为140～180mm且宽度为40～60mm。
3.根据权利要求2所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤二中，采用实芯焊丝且焊丝直径为1.2mm，焊接电流为120～170A，焊接电压为14～18V，焊接速度为140～210mm/min，焊接方向为立向下；V型坡口的坡口角度大于60°，坡口钝边为0.5～1.5mm，组对间隙为3.0～5.0mm。
4.根据权利要求3所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述a底＝a立＝350mm，b底＝b立＝100mm，t底＝t立＝25mm，采用22mm规格X80管线钢，并设定x1＝1.5，x2＝1.5，x3＝1.2，x4＝1，x5＝1.5，A＝0.48～0.64。
5.所述根据权利要求1所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤一中，试验焊接方式采用低氢型焊条手工电弧焊，a底≥300mm，b底≥80mm，a立≥300mm，b立≥30mm，辅助槽宽度为15～30mm，辅助槽深度为4～10mm且小于t底的三分之一，试验板长度为140～180mm且宽度为50～80mm。
6.根据权利要求5所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤二中，低氢型焊条直径为3.2mm，焊接电流为80～130A，焊接电压为17～25V，焊接速度为70～150mm/min，焊接方向为立向上；V型坡口的坡口角度大于60°，坡口钝边为0.8～2.0mm，组对间隙为2.5～4.5mm。
7.根据权利要求6所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述a底＝a立＝400mm，b底＝b立＝125mm，t底＝t立＝25mm，采用22mm规格X80管线钢，并设定x1＝1.2、x2＝1.4、x3＝2、x4＝1、x5＝1，A＝0.55～0.73。
8.根据权利要求1所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤五中，系统拘束焊缝和试验板拘束焊缝的焊接方式包括但不限于低氢型焊条手工电弧焊、TIG填丝焊或熔化极气体保护焊。
9.根据权利要求1所述的高强管线钢单面焊双面成型焊接性评估方法，其特征在于：所述步骤六中，通过机械加工方法随机取试验焊缝的任意两个位置进行截面检查。
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