CN116213886A - 高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺 - Google Patents

高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺，高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺包括如下步骤：加工坡口步骤；固定工装步骤；打底层焊接步骤；正面填充焊缝的初步焊接步骤；正面填充焊缝的后续焊接步骤；背面填充焊缝的初步焊接步骤；背面填充焊缝的后续焊接步骤。本发明的高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺有效地解决了现有技术中高锰钢焊接的成本高、焊接工艺严苛的问题。

Description

高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺
技术领域
本发明涉及钢板焊接技术领域，具体而言，涉及一种高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺。
背景技术
高锰高碳钢组织为奥氏体，在变形过程时除了位错滑移外还会产生大量的孪晶来协调变形，尤其在低温环境下更容易产生孪晶，因此该种钢在宽域范围内均具有优异的强塑性及断裂韧性，且成本较奥氏体不锈钢和9Ni钢低，在近年来得到快速发展，有望代替高成本的LNG储罐用材料不锈钢或9Ni钢。但高锰高铝钢的一个显著缺点是铝含量和锰含量较高，铝作为过渡金属，具有强脱氧冶金作用，焊接时会严重影响电弧稳定性。其次高的锰含量和碳含量会使碳当量增加，参考低合金钢碳当量经验公式，当钢铁材料碳当量大于0.4％即认为材料的可焊接性较差。高锰高铝钢的合金元素成分远远超过市面上大量应用于结构钢、不锈钢及9Ni钢钢材。
现有技术中的奥氏体高锰钢焊接的熔化极实心焊丝及焊接工艺，通过优化焊接工艺参数和添加不同的合金元素，选用80％氩气及20％二氧化碳气体作为保护气，获得焊接接头，焊接接头抗拉强度≥700MPa，延伸率≥25％，-196℃下冲击功AKv≥41J，具有一定的低温力学性能。所用实芯焊丝化学成分为：，C：0.40-0.45wt％；Mn：23-25wt％；Si：0.40-0.50wt％；P≤0.020wt％；S≤0.010wt％；Cr：3.4-3.8wt％；Ni：2.3-3.0wt％；Mo：1.4-2.0wt％；Cu：0.40-0.60wt％；V：0.06-0.10wt％；Nb：0.025-0.04wt％；不可避免的杂质元素总和≤0.3wt％；余量为Fe，各组分的质量百分比之和为100％。
在上述现有技术的焊接工艺中，在焊接高锰钢时，为获得良好的焊接接头性能，需要严格控制焊接工艺，合金成分中虽然不含大量的贵重合金元素，但仍含有2.3～3.0％的Ni和1.4～2.0％的Mo，且其他微量元素种类众多，因此增加了焊丝的成本，焊接工艺的成本高。
综上所述，现有技术中高锰钢焊接的成本高、焊接工艺严苛的问题。
发明内容
本发明实施例中提供一种高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺，以解决现有技术中高锰钢焊接的成本高、焊接工艺严苛的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺，包括如下步骤：
加工坡口步骤：将高锰高铝钢的板材对接的一侧加工成焊接的坡口，并对坡口及两侧至少20mm范围内进行打磨，去除表面铁锈和水；
固定工装步骤：在加工好的坡口端部增加辅助焊接工装，使用所述辅助焊接工装固定焊接板材；
打底层焊接步骤：采用氩弧自熔打底，焊接材料不使用焊丝；打底层采用直流反接的焊接电源连接方式，焊接方式为氩弧焊；
正面填充焊缝的初步焊接步骤：对板材正面进行第一层填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，板材背面同时增加氩气保护，焊接电流为110～120A，电弧电压为18～22V，冷却方式为空冷，层道温度≤140℃；
正面填充焊缝的后续焊接步骤：对板材正面进行第二层的填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，板材背面同时增加氩气保护，焊接电流为120～140A，电弧电压为18～22V；完成该道次后空冷至150℃以下，再以相同的焊接参数进行下一道次焊接，直至板材正面焊缝余高不超过3mm；
背面填充焊缝的初步焊接步骤：对板材背面进行第一层填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，焊接电流为110～120A，电弧电压为18～22V，冷却方式为空冷，层道温度≤140℃；
背面填充焊缝的后续焊接步骤：对板材背面进行第二层的填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，焊接电流为120～140A，电弧电压为18～22V；完成该道次后空冷至150℃以下，再以相同的焊接参数进行下一道次焊接，直至板材背面焊缝余高不超过3mm。
进一步地，所述高锰高铝钢的板材的化学成分为：C：0.55～0.85％，Mn：15.5～19.0％，Al：0.8～1.4％，Si：0.3～1.2％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
进一步地，在所述加工坡口步骤中，所述坡口为双V型坡口。
进一步地，在所述加工坡口步骤中，所述坡口的角度为25°～35°。
在本发明的技术方案中，加工坡口步骤能够防止焊接时产生缺陷影响焊件力学性能；固定工装步骤使用了辅助焊接装置，其目的是可以固定焊接的板材，防止焊接热输入变形。并且在后续焊接步骤中，采用氩弧自熔打底后添加实芯焊丝进行焊接，配合小热输入及背保护方式，有效解决了碳当量过高及焊接时产生大量锰烟尘的影响，能够有效避免高碳当量恶化焊缝质量的问题，同时降低了在焊接时锰烟尘的发生量，有效地提升了焊接质量。同时，在打底层焊接步骤中不使用焊丝，并在正面填充焊缝和背面填充焊缝中使用的都是与母材成分相同的实芯焊丝，相比于现有技术中选用的实芯焊丝来说，大大降低了焊丝的成本，降低了焊接工艺的成本。不仅如此，本发明的焊接工艺相比于现有技术的焊接工艺来说，只需要进行关键步骤的焊接，不需要进行严格控制工艺步骤和参数，焊接工艺更加简单，解决了现有技术中高锰钢焊接工艺严苛的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺的流程示意图；
图2是本发明实施例的高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺中焊接接头的结构示意图；
图3是本发明实施例的高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺中焊接接头的宏观实物图；
图4是本发明实施例的高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺中焊接接头的熔合区和热影响区金相。
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详细描述，但不作为对本发明的限定。
参见图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺，高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺包括如下步骤：
加工坡口步骤S10：将高锰高铝钢的板材对接的一侧加工成焊接的坡口，并对坡口及两侧至少20mm范围内进行打磨，去除表面铁锈和水；
固定工装步骤S20：在加工好的坡口端部增加辅助焊接工装，使用所述辅助焊接工装固定焊接板材；
打底层焊接步骤S30：采用氩弧自熔打底，焊接材料不使用焊丝；打底层采用直流反接的焊接电源连接方式，焊接方式为氩弧焊；
正面填充焊缝的初步焊接步骤S40：对板材正面进行第一层填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，板材背面同时增加氩气保护，焊接电流为110～120A，电弧电压为18～22V，冷却方式为空冷，层道温度≤140℃；
正面填充焊缝的后续焊接步骤S50：对板材正面进行第二层的填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，板材背面同时增加氩气保护，焊接电流为120～140A，电弧电压为18～22V；完成该道次后空冷至150℃以下，再以相同的焊接参数进行下一道次焊接，直至板材正面焊缝余高不超过3mm；
背面填充焊缝的初步焊接步骤S60：对板材背面进行第一层填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，焊接电流为110～120A，电弧电压为18～22V，冷却方式为空冷，层道温度≤140℃；
背面填充焊缝的后续焊接步骤S70：对板材背面进行第二层的填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，焊接电流为120～140A，电弧电压为18～22V；完成该道次后空冷至150℃以下，再以相同的焊接参数进行下一道次焊接，直至板材背面焊缝余高不超过3mm。
在本发明的技术方案中，加工坡口步骤能够防止焊接时产生缺陷影响焊件力学性能；固定工装步骤使用了辅助焊接装置，其目的是可以固定焊接的板材，防止焊接热输入变形。并且在后续焊接步骤中，采用氩弧自熔打底后添加实芯焊丝进行焊接，配合小热输入及背保护方式，有效解决了碳当量过高及焊接时产生大量锰烟尘的影响，能够有效避免高碳当量恶化焊缝质量的问题，同时降低了在焊接时锰烟尘的发生量，有效地提升了焊接质量。同时，在打底层焊接步骤中不使用焊丝，并在正面填充焊缝和背面填充焊缝中使用的都是与母材成分相同的实芯焊丝，相比于现有技术中选用的实芯焊丝来说，大大降低了焊丝的成本，降低了焊接工艺的成本。不仅如此，本发明的焊接工艺相比于现有技术的焊接工艺来说，只需要进行关键步骤的焊接，不需要进行严格控制工艺步骤和参数，焊接工艺更加简单，解决了现有技术中高锰钢焊接工艺严苛的问题。
优选地，本实施例中所述高锰高铝钢的板材的化学成分为：C：0.55～0.85％，Mn：15.5～19.0％，Al：0.8～1.4％，Si：0.3～1.2％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
优选地，在所述加工坡口步骤中，所述坡口为双V型坡口。
在所述加工坡口步骤中，所述坡口的角度为25°～35°。
本实施例中，使用10mm厚新型高锰高铝钢对接焊为例，加工成35°双V型焊接坡口，接头示意图如图2所示。
使用氩弧焊自熔打底，填充层焊接采用Φ2.4mm实芯焊丝进行氩弧焊接，背面同时使用氩气作为背保护气体，气体流量为15～20L/min，具体焊接参数如表1。
表1：
Figure BDA0004117817600000061
焊接接头截面宏观照片如图3所示，结果显示焊接接头熔合良好，未见裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。
按照标准GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法对上述焊接接头进行拉伸性能检测，结果如表2。
表2：
标距段尺寸/mm 抗拉强度/MPa 断后延伸率/％ 断裂位置
75×12.5×10 750 50 母材
由上述的数据并结合图4可以看出，本发明的高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺，采用氩弧自熔打底后添加实芯焊丝进行焊接，配合小热输入及背保护方式，有效解决了碳当量过高及焊接时产生大量锰烟尘的影响，使得焊缝质量及性能达到预期目标。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种高锰高铝钢焊接接头的焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤：
加工坡口步骤：将高锰高铝钢的板材对接的一侧加工成焊接的坡口，并对坡口及两侧至少20mm范围内进行打磨，去除表面铁锈和水；
固定工装步骤：在加工好的坡口端部增加辅助焊接工装，使用所述辅助焊接工装固定焊接板材；
打底层焊接步骤：采用氩弧自熔打底，焊接材料不使用焊丝；打底层采用直流反接的焊接电源连接方式，焊接方式为氩弧焊；
正面填充焊缝的初步焊接步骤：对板材正面进行第一层填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，板材背面同时增加氩气保护，焊接电流为110～120A，电弧电压为18～22V，冷却方式为空冷，层道温度≤140℃；
正面填充焊缝的后续焊接步骤：对板材正面进行第二层的填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，板材背面同时增加氩气保护，焊接电流为120～140A，电弧电压为18～22V；完成该道次后空冷至150℃以下，再以相同的焊接参数进行下一道次焊接，直至板材正面焊缝余高不超过3mm；
背面填充焊缝的初步焊接步骤：对板材背面进行第一层填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，焊接电流为110～120A，电弧电压为18～22V，冷却方式为空冷，层道温度≤140℃；
背面填充焊缝的后续焊接步骤：对板材背面进行第二层的填充焊缝焊接，其中，焊接参数为保护气体为99.9％氩气，焊接材料使用与母材成分相同的实芯焊丝，板材预热温度为200℃，焊接电流为120～140A，电弧电压为18～22V；完成该道次后空冷至150℃以下，再以相同的焊接参数进行下一道次焊接，直至板材背面焊缝余高不超过3mm。
2.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于，所述高锰高铝钢的板材的化学成分为：C：0.55～0.85％，Mn：15.5～19.0％，Al：0.8～1.4％，Si：0.3～1.2％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求2所述的焊接工艺，其特征在于，在所述加工坡口步骤中，所述坡口为双V型坡口。
4.根据权利要求3所述的焊接工艺，其特征在于，在所述加工坡口步骤中，所述坡口的角度为25°～35°。
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