CN117773297A - 一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，属于焊接技术领域。本发明通过对焊接母材制备、预处理、装夹和闪光对焊，得到焊接接头。通过调控闪光对焊过程中的各个参数，有效改善中锰钢焊接过程中的接头软化现象，使得焊接接头处力学性能仍维持在1.2GPa左右，同时解决了含硅材料焊接过程中的裂纹问题。可以在高效率、高机械化、低损耗率的情况下获得牢固的焊接接头，为中锰钢在石油化工和海洋工程领域提供了发展思路。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法。
背景技术
由于陆地油气资源日渐耗竭，海洋资源开发从近海向远海、浅海向深海逐步推进。在复杂苛刻的海洋环境下，海洋工程用钢作为海洋平台建设的主要材料，必须满足高强度、良好的塑韧性、焊接性以及耐腐蚀性。2020年发布并实施的GB/T 38713-2020海洋平台结构用中锰钢钢板，标志着中锰钢作为海工钢有着良好的应用前景。
与淬火配分QP钢和传统TRIP钢相比较中锰钢组织中亚稳相含量较高，具有更好的加工硬化性能。这些优势是传统海洋平台钢板所不具备的，新一代中锰钢在石油化工，大型工程机械，海洋平台等领域有很大的应用潜力。然而新一代超高强度海洋工程用中锰钢的推广及应用，必须首先解决焊接工艺与技术问题。目前，国内海洋平台建造过程中通常使用电弧焊、埋弧焊以及气体保护焊等传统焊接，虽然这些焊接技术相较于激光焊接，离子焊接等操作简单，但是其自动化程度较低，难以满足质量要求较高的构件焊接。因此，亟需一种具有高效率，高质量的焊接技术。
闪光对焊热效率高，焊接质量好，可焊合金范围广，闪光对焊焊接过程中不需要任何耗材，可以在大批量生产和加工中节省成本，被广泛应用于建筑，铁路，石油钻探和冶金工业等。闪光对焊可以在焊接接头处形成自保护区，减少氧化，由于闪光后期高温液态金属对氧化夹杂物的挤出作用，可以有效清除焊接过程中的污染。但是目前中锰钢闪光对焊焊接技术并没有大量出现和普及，有关中锰钢闪光对焊焊接技术仍有亟待研究的方向。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供中锰钢的闪光对焊方法，以满足海洋平台建造过程中的焊接问题，为新型海工钢实用化提供新的思路。
为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，包括以下步骤：
步骤1.焊接母材的制备：测试出待焊的中锰钢钢板的奥氏体化起始温度Ac1，奥氏体终了温度Ac3，马氏体转变温度Ms；利用轧制+热处理技术，制备屈服强度1.2GPa焊接母材；
步骤2.焊接母材预处理：待焊中锰钢样品进行切割，表面打磨、清洗除油；
步骤3.焊接母材装夹：将表面洁净平整的除油后焊接样品置于闪光对焊机两个夹具之间，焊接样品加持部位与焊接夹具形状匹配；启动设备夹持功能，将样品夹紧；
步骤4.闪光对焊：打开闪光对焊机，进行闪光对焊，得到焊接接头。
所述步骤1中，中锰钢的化学成分以质量分数计包括：C 0.06％～0.15％，Si0.5％～2％，Mn 3.5％～6.5％，Cu 0.2％～0.6％，Cr 0.2％～0.8％，Ni 0.2％～0.8％，Nb0.2％～0.8％，Mo 0.2％～0.8％，P<0.3％，S<0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质；其中，中锰钢的显微组织为无碳化物贝氏体、贝氏体体素体和马氏体的混合物；
所述焊接母材可以为板材或棒材；其中，板材厚度为4mm～30mm，宽度4mm～40mm，长度为30mm～150mm；棒材直径为10mm～50mm，长度为5cm～20cm。
优选的，焊接母材为厚度4mm～30mm、宽度4mm～40mm、长度为30mm～150mm的板材。
所述步骤3中，装夹过程中，将打磨后的待焊样品装载到闪光对焊机夹具上，使样品贴合铜电极后夹紧夹具，将样品固定在焊台上。
所述步骤4中，闪光对焊前，打开水阀和气压阀，打开闪光对焊机并检查；
所述闪光对焊包括焊前预热、闪光阶段、顶锻阶段和焊后退火阶段，或包括闪光阶段和顶锻阶段；
所述焊前预热阶段中，预热电流为300～700A，预热电流优选为200～600A，使工件加热到Ac1温度左右；
所述闪光阶段的闪光电流为200～750A，优选为300～700A，使得焊接样品端部达到半融化状态，闪光距离2～8mm；
所述顶锻阶段中，焊接电流为150A～750A，优选为250～650A；顶锻距离2～10mm；焊接时间为0.1～10s，优选为0.2～8s；维持时间为0.1～10s，优选为1～8s；
所述焊后退火阶段中，空气冷却至室温。
所述退火冷却至室温后，所得焊接接头断裂方式为塑性断裂。
焊接接头的质量取决于闪光对焊时焊接参数与焊接材料的匹配，适当的焊接参数可以获得优异的焊接接头。
一种焊接接头，采用上述的焊接方法制备，屈服强度为1.05～1.22GPa。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提供一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，可以有效改善中锰钢焊接过程中的接头软化现象，使得焊接接头处力学性能仍维持在1.2GPa左右，同时解决了含硅材料焊接过程中的裂纹问题。可以在高效率、高机械化、低损耗率的情况下获得牢固的焊接接头，为中锰钢在石油化工和海洋工程领域提供了发展思路。
附图说明
图1为本发明实施例5闪光对焊焊接接头宏观金相图片。
图2为本发明实施例5闪光对焊焊接接头母材金相图片。
图3为本发明实施例5闪光对焊焊接接头母材扫描图片。
图4为本发明实施例5闪光对焊焊接接头热影响区金相图片。
图5为本发明实施例5闪光对焊焊接接头热影响区扫描图片。
图6为本发明实施例5闪光对焊焊接接头焊核区金相图片。
图7为本发明实施例5闪光对焊焊接接头焊核区扫描图片。
图8为本发明实施例5闪光对焊焊接接头拉伸断口扫描图片。
具体实施方式
一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，所述1.2GPa海洋平台用中锰钢，组织由贝氏体铁素体、残余奥氏体、铁素体和马奥岛组成，抗拉强度1330MPa，屈服强度1223MPa，延伸率25.9％，屈强比0.919。该材料各个成分元素质量百分含量：C 0.1％、Si1.6％、Mn 5％、Mo 0.4％、Cu 0.3％、Cr 0.4％、P<0.008％、S<0.006％，其余为Fe和不可避免的杂质。
中锰钢条料整齐无毛刺，没有掉块和隐形缺口等质量缺陷。条料经过粗轧、精轧、水淬后使用线切割得到待焊样品，将样品待焊端面使用磨床打磨，使端面光泽平整。随后进行闪光对焊，闪光对焊包括预热阶段、闪光阶段和顶锻阶段。预热阶段，预热电流为200～600A，在闪光阶段，闪光距离2～8mm，闪光电流150～750A，顶锻阶段，顶锻距离2～10mm，焊接电流150～750A，焊接时间0.2～5s，维持时间0.1～10s，焊接结束后空冷至室温。
预热阶段的目的是在基本保持工件端面不烧损的情况下,使工件端面达到一个合适的温度值，本方法中是达到中锰钢奥氏体化起始温度Ac1，然后再进行闪光和顶锻。预热阶段所需控制的参数主要有预热电流和预热时间，通过预热后，接头两侧的温度场分布明显改善，在接头附近一定深度的区域都达到塑性变形的温度，更易于大截面或不规则截面工件的顶锻。由于工件平均温度提高有利于提高闪光阶段时间，从而大大减少了达到所需闪光的时间，提高了生产率。
闪光阶段是样品焊接断面相互接触并在夹具上固定后，端面两端形成了很多细小的接触点，在焊接时电流通过后，接触点温度迅速升高，接触点部分的金属先熔化，形成液态过梁，液态过梁在高温金属蒸汽的作用下发生爆破，形成闪光。闪光阶段可以提供一部分热量输入，并且在端面接触位置产生CO和CO2以及金属蒸汽作为保护气体，在焊接处形成保护。
闪光距离是指在闪光阶段两个端面相互靠拢的距离，在闪光过程中两个端面相互接触有利于电流通过和过梁的形成与爆破的发生，为顶锻过程的发生做准备。当闪光距离较小时，可能会造成闪光不充分，当闪光距离较大时，过梁爆破剧烈发生会造成材料烧蚀。
闪光电流是指在闪光阶段电流的大小，电流通过接触点，接触点熔化并形成过梁，闪光电流大小影响热输入的大小。
顶锻阶段在闪光阶段结束后进行，在顶锻力的作用下，样品相互挤压并造成挤出，在这个过程中，断口连接处的液态金属和氧化物被挤出，接头处产生了塑性变形，形成共同晶粒，焊接接头处由洁净的塑性金属构成，在冷却后形成牢固的接头。
顶锻距离是指在闪光阶段结束后，在顶锻力的作用下，两个工件相互靠拢的距离，在顶锻过程中，焊缝处发生塑性变形，熔化的液态金属和氧化物夹杂被挤出焊缝，形成牢固的接头。顶锻距离是影响焊接接头处变形量的参数，顶锻距离过大使原本在焊缝区域处于完全再结晶温度的奥氏体被挤出，焊缝界面处不能有效的形成完整晶粒；顶锻距离过小不能有效的把液态金属和氧化物挤出焊缝，焊缝接口连接不牢固，影响焊接接头质量。
焊接电流是指顶锻阶段电流的大小，焊接电流提供热输入，两个完全接触的端面软化并发生变形，在顶锻力和热输入的作用下，端面处金属液化并被挤出。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明
实施例1-6采用上述实施方式焊接，依次得到焊接接头1～6，其中预热电流、闪光距离、闪光距离、顶锻距离、焊接电流、焊接时间和维持时间的工艺参数见表1。
表1.不同实施例焊接工艺参数表
对实施例1～6中所得焊接接头1～6进行抗拉强度、屈服强度、伸长率和断裂方式进行测试，测试结果如表2所示。
表2.不同实施例所得焊接接头力学性能表
从表2中的数据可以看出，实施例1-6海洋平台用中锰钢闪光对焊后，焊接接头1～6性能良好，其屈服强度仍能够保持在1.2GPa范围。焊接得到的接头拉伸断裂方式为塑性断裂。
同时，本发明还对实施例5中的接头进行了金相图片拍摄，如图1～8。焊接接头的宏观金相图片见图1，从图中可以看出，按照材料受热情况的不同可以将试样划分为母材(Basemetal,BM)，热影响区(Heat affect zone,HAZ)和焊核区(Fusion zone,FZ)三个区域。焊核区宽度较窄，是由未被挤出的液态金属形成的，热影响区宽度很宽，会极大影响焊接接头的质量，热影响区和焊核区的组织完全失去了原始母材的特征，整个焊接试样没有观察到气孔裂纹等焊接缺陷。
图2和图3为母材金相与扫描图片，该区域晶粒相对均匀，浅色区域晶粒呈针状或薄片状，深色区域晶粒细小。
图4和图5为热影响区金相与扫描图片，热影响区在焊核区两侧，有较大的宽度，该区域晶粒较为粗大，且距离焊核区越近晶粒越粗大，组织分布不均匀，形貌杂乱。热输入和温度峰值均低于焊核区，该区域也受到了一定的塑性变形影响，TRIP效应没有焊核区明显，由于宽度大，该区域对整个接头的性能有很大影响，整个区域没有观察到裂纹等缺陷。
图6和图7为焊核区金相与扫描图片，该区域宽度较窄，晶粒非常粗大，温度是整个接头中最高的，可以达到固液相温度区间，该区域温度梯度小，温度下降缓慢，导致区域内晶粒粗大，再加上焊缝处熔化金属与热影响区未熔化金属相互交错渗透造成熔化不均匀导致的成分不均匀，焊核区是焊接接头中较为薄弱位置。但是因为残余奥氏体作为软相优先发生屈服，在TRIP效应作用下转变为贝氏体或者马氏体，同时释放应力，在一定的载荷下，可以抑制裂纹的形成，从而保证了焊核区的力学性能。
图8为焊接接头拉伸断口扫描图片，断口表面粗糙且有较大起伏，观察到因塑性断裂而产生的小而浅的韧窝形貌。在内壁上可以观察到曲折连续的滑移痕迹，在宏观的断口上可以观察到一些裂纹。
焊接完成后，焊接接头进行去渣和切割，制备金相样品和拉伸样品，进行性能检测。该发明可以得到牢固的焊接接头，焊接接头的拉伸断裂方式为塑性断裂。本发明有效避免了中锰钢传统焊接过程中出现的软化现象，为生产中焊接接头的软化和裂纹等问题提供了新的思路。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.焊接母材的制备：测试出待焊的中锰钢钢板的奥氏体化起始温度Ac1，奥氏体终了温度Ac3，马氏体转变温度Ms；利用轧制+热处理技术，制备屈服强度1.2GPa焊接母材；
步骤2.焊接母材预处理：待焊中锰钢样品进行切割，表面打磨、清洗除油；
步骤3.焊接母材装夹：将表面洁净平整的除油后焊接样品置于闪光对焊机两个夹具之间，焊接样品加持部位与焊接夹具形状匹配；启动设备夹持功能，将样品夹紧；
步骤4.闪光对焊：打开闪光对焊机，进行闪光对焊，得到焊接接头。
2.根据权利要求1所述的一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，所述步骤1中，中锰钢的化学成分以质量分数计包括：C 0.06％～0.15％，Si 0.5％～2％，Mn 3.5％～6.5％，Cu 0.2％～0.6％，Cr 0.2％～0.8％，Ni 0.2％～0.8％，Nb 0.2％～0.8％，Mo 0.2％～0.8％，P<0.3％，S<0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质；其中，中锰钢的显微组织为无碳化物贝氏体、贝氏体体素体和马氏体的混合物；
所述焊接母材可以为板材或棒材；其中，板材厚度为4mm～30mm，宽度4mm～40mm，长度为30mm～150mm；棒材直径为10mm～50mm，长度为5cm～20cm。
3.根据权利要求2所述的一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，所述焊接母材为厚度4mm～30mm、宽度4mm～40mm、长度为30mm～150mm的板材。
4.根据权利要求1所述的一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，所述步骤3中，装夹过程中，将打磨后的待焊样品装载到闪光对焊机夹具上，使样品贴合铜电极后夹紧夹具，将样品固定在焊台上。
5.根据权利要求1所述的一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，所述步骤4中，闪光对焊前，打开水阀和气压阀，打开闪光对焊机并检查。
6.根据权利要求5所述的一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，所述闪光对焊包括焊前预热、闪光阶段、顶锻阶段和焊后退火阶段，或包括闪光阶段和顶锻阶段；
焊前预热阶段中，预热电流为300～700A，使工件加热到Ac1温度；
闪光阶段的闪光电流为200～750A，使得焊接样品端部达到半融化状态；闪光距离2～8mm；
顶锻阶段中，焊接电流为150A～750A；顶锻距离为2～10mm；焊接时间为0.1～10s；维持时间为0.1～10s；
焊后退火阶段中，空气冷却至室温。
7.根据权利要求6所述的一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，所述焊前预热阶段中，预热电流为200～600A；
所述闪光阶段的闪光电流为300～700A；
所述顶锻阶段中，焊接电流为250～650A；焊接时间为0.2～8s；维持时间为1～8s。
8.根据权利要求1所述的一种1.2GPa海洋平台用中锰钢的闪光对焊焊接方法，其特征在于，焊接接头断裂方式为塑性断裂。
9.一种焊接接头，采用权利要求1～8任一项所述的焊接方法制备，其特征在于，屈服强度为1.05～1.22GPa。
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2024
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