CN117564546A - 一种高强实心焊丝及其制丝工艺和焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于热丝TIG焊接的高强实心焊丝及其制丝工艺和焊接工艺，采用电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+电渣重熔的冶炼方式，经轧制+多次拉拔退火后焊丝强度Rp0.2≥900Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，所述高强实心焊丝按照质量百分比包括化学成分为C:0.20‑0.35%，Mn：0.70‑2.50%，Si：0.80‑2.00%，P≤0.015%，S≤0.005%，Ni：0.80‑2.20%，Cr:0.70‑2.20%，Mo：0.10‑0.80%，V：0.07‑0.15%，Cu：≤0.15%，气体H≤2.0ppm；O≤15ppm；N≤60ppm，五害元素As≤0.006%；Sn≤0.006%；Pb≤0.001%；Sb≤0.006%；Bi≤0.001%，余量为铁,焊丝强度大于1000Mpa；经焊接性能热处理后焊接接头系数≥0.9，焊缝处抗拉强度≥1458Mpa，满足焊缝处冲击功不低于母材。
Description
技术领域
本发明属于一种焊接技术领域，尤其涉及一种用于热丝TIG焊接的高强实心焊丝及其制丝工艺和焊接工艺。
背景技术
目前，TIG焊发展多年，技术已经比较成熟，但是TIG焊在实际生产中的应用仍因焊接生产效率不高而受限，所以，提高TIG焊生产效率仍是摆在很多焊接研究学者面前的一项课题。其中热丝TIG焊是基于传统TIG焊，在焊丝进入熔池前将焊丝加热的一种新型焊接工艺，其继承了TIG焊的优点。
热丝TIG焊采用惰性气体氩气保护，电弧燃烧稳定，因此同样具备焊缝质量好、焊接生产效率高、节约能源等优点，所以，热丝TIG焊应用前景广泛。热丝TIG焊极大地提高了熔敷率，节约了焊材和电能，而且提高了熔敷效率，从而提高了生产率。因为热丝TIG焊焊丝在进入熔池前就已经受热，所以，焊接时减小了对熔池的热输入，进而减小了焊接热影响区，这使TIG焊在厚壁工件和热敏感材料的焊接得到了成功地运用。
现在运用中热丝TIG焊焊接工件的厚度最大已经超过30mm，已经被广泛地应用于焊接碳钢、合金钢、不锈钢、镍和锌等，已经普遍应用于压力容器、航空航天等高端工业产品，随着国家国防对军工产品质量要求的进一步提升，这类高端工业产品尤其对于低成本低合金的超高强度钢来说，为进一步降低生产成本，需要采用焊接成型的方式生产，要求焊接接头系数(接头强度/母材强度)≥0.9，这对其使用的焊丝提出了更高要求。而目前国内常用的高强实心焊丝，焊丝强度普遍低于1000Mpa，经热丝TIG焊接、性能热处理后焊接接头系数在0.7-0.8之间(母材为低成本低合金超高强度钢),且焊缝处强度不到1300Mpa，无法满足焊接接头系数≥0.9的使用要求，因而急需开发一种新型高强实心焊丝，本发明以此为背景展开。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种焊丝强度大于1000Mpa的所用母材为国标35CrMnSiA的要求性能热处理后母材抗拉强度≥1620Mpa的高强实心焊丝及其制丝工艺和焊接工艺，经焊接、性能热处理后焊接接头系数≥0.9，即焊缝处抗拉强度≥1458Mpa，同时满足焊缝处冲击功不低于母材，即KU2≥45J，填补目前国内焊丝强度≥1000Mpa的空白。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强实心焊丝，采用电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+电渣重熔的冶炼方式，经轧制+多次拉拔退火后焊丝强度Rp0.2≥900Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，其特征在于：所述高强实心焊丝按照质量百分比包括化学成分为C:0.20-0.35％，Mn：0.70-2.50％，Si：0.80-2.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni：0.80-2.20％，Cr:0.70-2.20％，Mo：0.10-0.80％，V：0.07-0.15％，Cu：≤0.15％，气体H≤2.0ppm；O≤15ppm；N≤60ppm，五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％，余量为铁。
一种高强实心焊丝的制丝工艺，其特征在于：制丝工艺步骤如下：
步骤1)、冶炼：采用电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+电渣重熔的冶炼方式，经轧制+多次拉拔退火后焊丝强度Rp0.2≥900Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，所述高强实心焊丝按照质量百分比包括化学成分为C:0.20-0.35％，Mn：0.70-2.50％，Si：0.80-2.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni：0.80-2.20％，Cr:0.70-2.20％，Mo：0.10-0.80％，V：0.07-0.15％，Cu：≤0.15％，气体H≤2.0ppm；O≤15ppm；N≤60ppm，五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％，余量为铁；其冶炼方式区别于传统的高强焊丝需采用双真空的冶炼方式生产，具有成本低、能批量化生产的特点。
步骤2)、轧制、制丝：电渣锭开坯后轧制成方钢，经多次拉拔、退火制成Φ1.6mm焊丝。
一种高强实心焊丝的焊接工艺，其特征在于：其焊接工艺步骤如下：
步骤1)、焊前准备：为保证焊接过程稳定，需要调试变位机与工装在同一圆心上，使其能够在焊接过程中带动钢管稳定旋转，不产生空间位置变化；由于母材35CrMnSiA属于中碳调质钢，焊接过程中有较大的冷裂纹倾向，需要较高的预热温度，以及在焊接过程中保持预热温度，需要用陶瓷加热垫缠绕在钢管两侧进行预热和维持温度；
步骤2)、装配：将带坡口的钢管置于装配平台上，上下放置，预留0.5-1mm装配间隙；利用氩弧焊在钢管的内壁坡口处点固焊接，点固位置分四段，间隔90°一段，每段点焊焊缝≥30mm；将事先准备好的工字型拉筋，焊接在钢管内壁焊缝两侧，间隔角度120°一个，防止焊接过程中变形过大，以及产生焊接裂纹；
将装配好的钢管吊放到焊接滚轮架上，顶紧变位机夹紧装置，调试钢管与变位机在同一旋转中心上，使钢管能够稳定回转；
步骤3)、预热：将陶瓷加热垫缠绕在钢管坡口两边，用保温棉包裹，连接陶瓷加热垫的相关线缆以及控制装置；打开预热，预热温度≥250℃，保温2小时焊接；
步骤4)、焊接：采用热丝TIG焊接，焊枪处于平焊位置，变位机带动钢管旋转实现环焊缝焊接；采用多层多道的方式进行焊接，打底焊一层，保证焊缝单面焊双面成形；填充层多层多道焊接，直至填满坡口；盖面焊缝采用分道焊接，焊后余高≤2mm；
步骤5)、去应力退火：钢管焊接完成后，直接进行600-650℃去应力退火，采用陶瓷电加热垫片进行，去应力。
步骤6)、焊缝质量：焊接接头满足NB/T47013.2Ⅰ级要求。
本发明相对于现有技术，有以下优点：
本发明通过对焊丝化学成分、焊接工艺参数的合理设计，开发一种高强实心焊丝，焊丝强度≥1000Mpa，并通过热丝TIG焊接，与选用的母材35CrMnSiA相比，性能热处理后焊接接头系数≥0.9，并将此焊丝成分牌号命名为816。
本发明克服现有技术中的不足，填补国内在焊丝强度大于1000Mpa上的空白。解决热丝TIG焊接、性能热处理后无法满足焊接接头系数≥0.9使用要求的难题。816焊丝熔敷金属力学性能如下表1。
表1816焊丝熔敷金属力学性能
附图说明
图1为本发明的焊接钢管坡口加工图。
图2为本发明的焊道示意图。
图3为本发明的去应力退火工艺。
具体实施方式
实施例1：一种高强实心焊丝，采用电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+电渣重熔的冶炼方式，经轧制+多次拉拔退火后焊丝强度Rp0.2≥900Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，其特征在于：所述高强实心焊丝按照质量百分比包括化学成分为C:0.20-0.35％，Mn：0.70-2.50％，Si：0.80-2.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni：0.80-2.20％，Cr:0.70-2.20％，Mo：0.10-0.80％，V：0.07-0.15％，Cu：≤0.15％，气体H≤2.0ppm；O≤15ppm；N≤60ppm，五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％，余量为铁。
一种高强实心焊丝，制丝工艺步骤如下：
步骤1)、冶炼：采用电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+电渣重熔的冶炼方式，所述高强实心焊丝包括的化学成分质量百分比为C:0.20-0.35％，Mn：0.70-2.50％，Si：0.80-2.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ni：0.80-2.20％，Cr:0.70-2.20％，Mo：0.10-0.80％，V：0.07-0.15％，Cu：≤0.15％，气体H≤2.0ppm；O≤15ppm；N≤60ppm，五害元素As≤0.006％；Sn≤0.006％；Pb≤0.001％；Sb≤0.006％；Bi≤0.001％，余量为铁；
采用碱性电弧炉冶炼粗钢水+中频炉融化合金税对，提高钢液的均匀性，获得粗炼钢水浇入钢包后，进行精炼，进一步脱硫、脱气，调整合金成分完毕吊包入真空罐，进行进一步脱气，控制氢、氧、氮含量，在模内充氩和氩气保护下浇注成电极坯。为进一步提高产品纯净度和均匀性，进行电渣重熔，通过调整电压电流控制熔化率，重熔时采取氩气或干空气保护，进一步降低熔池吸气量，正常融化阶段控制电流波动，减少钢的偏析；
步骤2)、轧制方钢：电渣锭开坯成220×220mm--轧制成85mm×85mm方钢--拉拔成Φ5.5mm盘条，600℃罩退--拉拔Φ3.3mm，600℃罩退--Φ2.4mm，600℃罩退--Φ1.6mm。
一种高强实心焊丝，使用Φ465×37壁厚的钢管加工坡口进行焊接试验，如附图1。焊接工艺步骤如下：
步骤1)、焊前准备：为保证焊接过程稳定，需要调试变位机与工装在同一圆心上，使其能够在焊接过程中带动钢管稳定旋转，不产生空间位置变化。
由于母材35CrMnSiA属于中碳调质钢，焊接过程中有较大的冷裂纹倾向，需要较高的预热温度，以及在焊接过程中保持预热温度，需要用陶瓷加热垫缠绕在钢管两侧进行预热和维持温度，陶瓷电加热装置需要外购。提前准备好焊接过程所需的其他工装、备件、氩气等辅材。
步骤2)、装配：将钢管置于装配平台上，上下放置，预留0.5-1mm装配间隙。利用氩弧焊在钢管的内壁坡口处点固焊接，点固位置分四段，间隔90°一段，每段点焊焊缝≥30mm。将事先准备好的工字型拉筋，焊接在钢管内壁焊缝两侧，间隔角度120°一个，防止焊接过程中变形过大，以及产生焊接裂纹。将装配好的钢管吊放到焊接滚轮架上，顶紧变位机夹紧装置，调试钢管与变位机在同一旋转中心上，使钢管能够稳定回转。
步骤3)、预热：将陶瓷加热装置缠绕在钢管坡口两边，用保温棉包裹，连接陶瓷加热装置的相关线缆以及控制装置。打开预热，预热温度≥250℃，保温2小时焊接。
步骤4)、焊接：采用热丝TIG焊接，焊枪处于平焊位置，变位机带动钢管旋转实现环焊缝焊接。采用多层多道的方式进行焊接，打底焊一层，保证焊缝单面焊双面成形。填充层多层多道焊接，直至填满坡口；盖面焊缝采用分道焊接，焊后余高≤2mm。焊道示意图见附图2，焊接工艺参数见表2。
表2焊接工艺参数
步骤5)、去应力退火：钢管焊接完成后，直接进行600-650℃去应力退火，采用陶瓷电加热垫片进行，去应力。去应力退火工艺见附图3。
步骤6)、焊缝质量：焊接接头满足NB/T47013.2Ⅰ级要求。
步骤7)、对焊接试件按如下工艺进行性能热处理后，焊缝处力学性能如下表3。检测标准为NB/T47016-2011。
性能热处理工艺如下：
870-930℃正火，均温1h，保温1h空冷；
680-750℃保温2h，空冷至≤350℃；
860-920℃淬火均温1h，保温1h，水冷10～15min；
180-240℃回火均温1h，保温2h，空冷。
表3焊接试件性能热处理后焊缝处力学性能
从表2、3可以看出，焊丝强度＞1000Mpa，焊接接头系数焊缝处平均强度1618/母材平均强度1759＝0.92。本发明通过对焊丝化学成分、焊接工艺参数的合理设计，开发的一种新型高强实心焊丝，焊丝强度达到1000Mpa以上，并通过热丝TIG焊接，与选用的母材35CrMnSiA相比，性能热处理后焊接接头系数≥0.9，填补国内在焊丝强度大于1000Mpa上的空白。解决TIG焊接、性能热处理后无法满足焊接接头系数≥0.9使用要求的难题。
为使焊丝强度满足要求，焊丝所用成分合金含量偏高，碳当量大于0.6％，因而必须设计一种合理的焊接工艺参数，保证焊缝质量。
一种高强实心焊丝焊接工艺，采用多层多道的方式进行焊接，打底焊一层，保证焊缝单面焊双面成形。填充层多层多道焊接，直至填满坡口；盖面焊缝采用分道焊接，焊后余高≤2mm,具体参数如下表3。经热丝TIG焊接+去应力退火+性能热处理+焊缝处性能检测,焊接接头系数≥0.9。
采用多层多道的方式进行焊接，打底焊一层，保证焊缝单面焊双面成形。填充层多层多道焊接，直至填满坡口；盖面焊缝采用分道焊接，焊后余高≤2mm。经热丝TIG焊接+去应力退火+性能热处理+焊缝处性能检测，最终达到焊丝强度≥1000Mpa,焊接接头系数≥0.9。
Claims (3)
1.一种高强实心焊丝，采用电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+电渣重熔的冶炼方式，经轧制+多次拉拔退火后焊丝强度Rp0.2≥900Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，其特征在于：所述高强实心焊丝按照质量百分比包括化学成分为C:0.20-0.35%，Mn：0.70-2.50%，Si：0.80-2.00%，P≤0.015%，S≤0.005%，Ni：0.80-2.20%，Cr:0.70-2.20%，Mo：0.10-0.80%，V：0.07-0.15%，Cu：≤0.15%，气体H≤2.0ppm；O≤15ppm；N≤60ppm，五害元素As≤0.006%；Sn≤0.006%；Pb≤0.001%；Sb≤0.006%；Bi≤0.001%，余量为铁。
2.一种高强实心焊丝的制丝工艺，其特征在于：具体按照如下步骤进行：
步骤1）、冶炼：采用电弧炉冶炼+钢包精炼+真空脱气+电渣重熔的冶炼方式，经轧制+多次拉拔退火后焊丝强度Rp0.2≥900Mpa，抗拉强度Rm≥1000Mpa，所述高强实心焊丝按照质量百分比包括化学成分为C:0.20-0.35%，Mn：0.70-2.50%，Si：0.80-2.00%，P≤0.015%，S≤0.005%，Ni：0.80-2.20%，Cr:0.70-2.20%，Mo：0.10-0.80%，V：0.07-0.15%，Cu：≤0.15%，气体H≤2.0ppm；O≤15ppm；N≤60ppm，五害元素As≤0.006%；Sn≤0.006%；Pb≤0.001%；Sb≤0.006%；Bi≤0.001%，余量为铁；
步骤2）、轧制、制丝：电渣锭开坯后轧制成方钢，经多次拉拔、退火制成Φ1.6mm焊丝。
3.一种如权利要求1所述高强实心焊丝的焊接工艺，其特征在于：其焊接工艺步骤如下：
步骤1）、焊前准备：为保证焊接过程稳定，需要调试变位机与工装在同一圆心上，使其能够在焊接过程中带动钢管稳定旋转，不产生空间位置变化；由于母材 35CrMnSiA 属于中碳调质钢，焊接过程中有较大的冷裂纹倾向，需要较高的预热温度，以及在焊接过程中保持预热温度，需要用陶瓷加热垫缠绕在钢管两侧进行预热和维持温度；
步骤2）、装配：将钢管置于装配平台上，上下放置，预留 0.5-1mm 装配间隙；利用氩弧焊在钢管的内壁坡口处点固焊接，点固位置分四段，间隔 90°一段，每段点焊焊缝≥30mm；将事先准备好的工字型拉筋，焊接在钢管内壁焊缝两侧，间隔角度 120°一个，防止焊接过程中变形过大，以及产生焊接裂纹； 将装配好的钢管吊放到焊接滚轮架上，顶紧变位机夹紧装置，调试钢管与变位机在同一旋转中心上，使钢管能够稳定回转；
步骤3）、预热：将陶瓷加热垫缠绕在钢管坡口两边，用保温棉包裹，连接陶瓷加热垫的相关线缆以及控制装置；打开预热，预热温度≥250℃，保温 2 小时焊接；
步骤4）、焊接：采用热丝TIG 焊接，焊枪处于平焊位置，变位机带动钢管旋转实现环焊缝焊接；采用多层多道的方式进行焊接，打底焊一层，保证焊缝单面焊双面成形；填充层多层多道焊接，直至填满坡口；盖面焊缝采用分道焊接，焊后余高≤2mm；
步骤5）、去应力退火：钢管焊接完成后，直接进行600-650℃去应力退火，采用陶瓷电加热垫片进行，去应力；
步骤6）、焊缝质量：焊接接头满足NB/T47013.2 Ⅰ级要求。
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