CN117840634A - 一种低温高强钢用埋弧焊丝及焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温高强钢用埋弧焊丝及焊接工艺，焊丝组成成分按按质量百分比计包括：C：0.03‑0.10％，Si：0.10‑0.25％，Mn：1.30‑1.60％，P≤0.012％，S≤0.008％，Cr：0.20‑0.40％，Ni：2.60‑3.00％，Cu≤0.30％，Mo：0.30‑0.60％，Ti≤0.20％，Nb≤0.008％，余量为Fe以及不可避免的杂质，经真空感应炉低温冶炼、锻造、热轧、退火、酸洗、拉拔、镀铜及烘干得到，可防止焊缝裂纹且预热温度及后热温度均较低，显著提高焊接接头综合力学性能及合格率，‑60℃下冲击功显著大于69J，适用于海洋平台用Q690E高强钢焊接。
Description
技术领域
本发明属于低温高强钢埋弧焊技术领域，具体涉及一种低温高强钢用埋弧焊丝及焊接工艺。
背景技术
钢铁作为海洋工程装备的关键结构材料，广泛应用于钻井平台、生产平台以及海底管道等。由于服役时间长，要长期抵抗恶劣的风浪条件，水下修理维护的成本极高，其采用的钢板逐渐向高强度、高韧性、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化方向发展。其中桩腿作为海洋钻井平台等大型海洋工程设备的主要承重结构，在服役期间不但要承受来自平台主结构的重力作用，还要长期经受海水腐蚀、冲击等外力作用，其建造质量对整个平台的使用寿命和安全系数具有重要意义，离不开高质量、高效率焊接工艺的支持。
现有技术中的海洋平台桩腿用钢多为如Q690E一类的低合金高强钢，焊接材料及工艺还处于探索阶段，虽然现有专利如CN112975211A、CN102528319A、CN113714608A等公开了Q690埋弧焊接材料及焊接工艺，但其主要缺陷在于：
Q690E钢板的合金含量较高，焊接时冷裂倾向较大，焊丝成分设计不合理，为降低焊接裂纹需要采用120-150℃预热以及大于250℃的焊后热处理工艺，大大增加了施工难度，虽然现有专利如CN109093284A、CN115502517A、CN113510342B等公开了Q690气保护焊丝及焊接方法，在保护气防止氧化下可以采用低预热甚至不预热焊接工艺，但气保护焊接不适用于焊接长焊缝设备操作，其焊接合格率不高导致质量不稳定、生产率受限，同时上述工艺所得Q690E焊接接头多为-40℃下冲击功≥69J，其冲击韧性及综合力学性能均仍无法满足应用需求。
其次，埋弧焊丝采用的精炼温度过高会导致钢液化学成分不稳定；埋弧焊焊接时未配合适宜焊剂易导致熔池中高熔点杂质不易浮出，造成焊缝金属夹渣；焊接时未配合适宜的焊接工艺及热输入量也会产生焊接缺陷，导致综合力学性能下降。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种低温高强钢用埋弧焊丝及焊接工艺，可防止焊缝裂纹且预热温度及后热温度均较低，显著提高焊接接头低温冲击韧性、综合力学性能及合格率，适用于海洋平台用Q690E高强钢焊接。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种低温高强钢用埋弧焊丝，其组成成分按按质量百分比计包括：C：0.03-0.10％，Si：0.10-0.25％，Mn：1.30-1.60％，P≤0.012％，S≤0.008％，Cr：0.20-0.40％，Ni：2.60-3.00％，Cu≤0.30％，Mo：0.30-0.60％，Ti≤0.20％，Nb≤0.008％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
进一步的，Ni+Cu+Ti+Nb的总质量百分比为2.7-3.2％。
上述焊丝组成成分的设计依据包括：
(1)C：碳是焊缝中的强化因素，焊缝金属中的抗拉强度随碳含量增加而提高，但焊接时烧损较大，碳含量过大会显著降低冲击功、增加焊缝冷裂纹敏感性，为保证焊缝金属具有良好的低温韧性和强度，因此碳含量限制为0.03-0.10％。
(2)Si：硅作为合金元素可以与Mn联合起到脱氧作用，进而减少焊接缺陷、增加焊缝金属的强度，但对韧性有害，因此硅含量限制为0.10-0.25％。
(3)Mn：锰是奥氏体化稳定元素，可以提高焊缝金属的韧性和强度，并降低低熔点相生成，降低由硫引起的裂纹倾向，但烧损较大且锰含量过大时韧性降低，脆性转变温度显著降低，因此锰含量限制为1.30-1.60％。
(4)P、S：磷和硫对熔覆金属的韧性危害较大，会降低韧性和提高韧脆转变温度导致开俩，应尽量降低，因此P含量限制为≤0.012％，S含量限制为≤0.008％。
(5)Cr：铬可以使奥氏体转变在较低的温度下进行，对焊缝强度的影响弱于Mn，铬含量较Mn过大会增加裂纹倾向、使焊缝韧性恶化，因此Cr含量限制为0.20-0.40％。
(6)Mo：钼是中强碳化物形成元素，在低碳条件下可以细化晶粒、提高焊缝强度，防止过热倾向，但钼含量过高会降低韧性，故Mo含量限制为0.30-0.60％。
(7)Ni、Cu、Ti、Nb：镍不能形成碳化物，是奥氏体稳定化元素，≥2.6％的Ni通过形成置换固溶体起到强化铁元素的作用，能增加针状铁素体析出，细化组织，既提高强度又保证冲击韧性，经试验当Ni≤0.3％，变脆温度在-100℃以下，当Ni含量提高后其变脆温度将降至-180℃；铜在提高焊缝金属固溶强化的作用与镍相似，可用来代替一部分镍；钛为强脱氧剂，在焊缝金属中可以降低自由氮含量，生成高熔点化合物质点作为结晶核心，促进奥氏体晶内针状铁素体形核，细化焊缝金属；铌具有弥散硬化效果，可以提高铁素体含量，有助于防止焊接裂纹，添加了Ti和适量的Nb具有固溶强化协同作用，通过适宜含量的Ni、Cu、Ti、Nb组合固溶强化可以显著降低预热温度及后热温度，进而降低施工难度，但含量过高将促进贝氏体形成使焊缝韧性下降，因此Ni含量限制为2.60-3.00％，Cu含量限制为≤0.30％，Ti含量限制为≤0.20％，Nb含量限制为≤0.008％，Nb含量优选0.004-0.006％，Ni+Cu+Ti+Nb的总质量百分比为2.7-3.2％。
进一步的，所述焊丝直径为3.2-4.0mm，可以进一步优化焊接厚度≤50mm的低温高强钢焊接。
进一步的，所述焊丝表面设有铜镀层，所述铜镀层的厚度为0.15-0.35μm，可以降低焊接送丝阻力，增加对焊丝的防护防止锈蚀。
一种低温高强钢用埋弧焊丝的制备方法，根据上述低温高强钢用埋弧焊丝的组成成分配制铁水，铁水依次经过真空感应炉冶炼、锻造、热轧、退火后制成盘条钢，真空感应炉冶炼温度为1450-1500℃，采用低温精炼可以保证铁水冶炼所得钢液化学成分的稳定、均匀，进一步优化焊丝组织，盘条钢经酸洗、拉拔变形至目标丝径后镀铜、烘干得到光洁的低温高强钢用埋弧焊丝。
一种低温高强钢用焊接工艺，采用上述任意一项所述低温高强钢用埋弧焊丝，配合焊剂埋弧焊接低温高强钢前，低温高强钢的预热温度为50-120℃，焊接后的后热工艺为120-250℃热处理0.5-2h。
进一步的，低温高强钢的预热温度为50℃-80℃，可以进一步降低焊接难度，防止焊接裂纹。
进一步的，焊剂为低硅焊剂，使焊接形成的熔敷金属中硅的质量含量≤0.4％。避免硅过多导致生成的SiO2熔点高、颗粒小，难以从熔池中浮出而造成焊缝金属夹渣。
进一步的，所述低硅焊剂为KGF-80HG焊剂。
进一步的，焊接形成的熔敷金属中扩散氢含量≤5ml/100g，可以进一步避免因氢的扩散聚集，在应力作用下导致焊缝敏感组织产生氢致裂纹，进一步优化影响接头处的力学性能。
进一步的，根据所述低温高强钢厚度T确定坡口加工：
当12mm≤T＜20mm时，低温高强钢对接接头处不开坡口，可以减小焊接残余变形，高效节能；
当20mm≤T＜40mm时，低温高强钢对接接头处采用V型坡口，坡口角度为25-35°，钝边长度为4-6mm，可免除焊件翻身，兼顾焊缝焊透和效率；
当40mm≤T≤50mm时，低温高强钢对接接头处采用双V型坡口，坡口角度为25-35°，钝边长度为3-4mm，两面施焊，受热均匀，使接头处变形较小，降低焊丝消耗量。
进一步的，焊接时的焊接参数包括：焊接电流为550-650A，焊接电压为28-32V，焊接速度为380-500mm/min，获得适宜的热输入，进一步优化焊接指标，避免焊接速度过大、焊接电流过小、焊接电压过小造成熔深下降、未焊头和焊缝边缘未融合等问题，避免焊接速度过小、焊接电流过大、焊接电压过大使焊弧不稳、热影响区和熔宽增大，造成焊瘤、烧穿等缺陷。
进一步的，采用多层多道的焊接方式，可以改善焊缝结晶条件进而提高焊缝金属的性能，道间温度为150-180℃，可以进一步降低晶间腐蚀开裂。
进一步的，所述低温高强钢为Q690E钢，可以用于海洋平台桩腿，焊接后所得Q690E钢接头处的力学性能包括：抗拉强度≥770MPa，焊缝-60℃冲击≥69J，弯曲D＝5t*120°合格。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明埋弧焊丝采用适宜的成分配比，在低碳成分下通过适量Si、Mn、Cr、Mo兼顾焊缝强度和韧性，通过适量Ni、Cu、Ti、Nb组合固溶强化，能够显著提高焊接接头的冲击韧性，可达到抗拉强度≥770MPa，-60℃下冲击功显著大于69J，有效防止焊缝裂纹，并利于降低预热温度及后热温度，进而降低施工难度。
(2)本发明埋弧焊丝的制备方法采用低温精炼保证铁水冶炼所得钢液化学成分的稳定、均匀，降低制备难度并进一步优化焊丝组织和表面。
(3)本焊接工艺预热温度及后热温度均较低，现场易于实现，采用适宜的坡口加工和焊接参数，配合低硅焊剂进一步优化工艺，可以用于海洋平台桩腿Q690E钢焊接，在实施过程中，焊接接头力学性能优良，适用于焊接长焊缝设备操作，焊接合格率优于气保焊接，实用性强。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例1的焊接示意图；
图2是本发明实施例2的焊接示意图；
图3是本发明实施例3的焊接示意图；
图4是本发明实施例3的焊接接头形貌图；
图中标记：1-钢板Q690E；T-钢板厚度；2-对接接头处；3-焊缝；4-V型坡口；5-双V型坡口；α-坡口角度；L-钝边长度；图4(a)表示焊接接头宏观形貌，图4(b)表示焊接接头微观组织形貌。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
本发明所述一种低温高强钢用埋弧焊丝的一种较佳实施方式，其组成成分按按质量百分比计包括：C：0.05％，Si：0.23％，Mn：1.51％，P：0.008％，S：0.004％，Cr：0.31％，Ni：2.75％，Cu：0.02％，Mo：0.31％，Ti：0.10％，Nb：0.006％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
上述低温高强钢用埋弧焊丝的制备方法包括：根据上述低温高强钢用埋弧焊丝的组成成分配制铁水，铁水依次经过真空感应炉冶炼、锻造、热轧、退火后制成盘条钢，真空感应炉冶炼温度为1480℃，盘条钢经酸洗、拉拔变形至目标丝径4.0mm后镀铜，所得表面铜镀层的厚度为0.32μm，烘干得到光洁的低温高强钢用埋弧焊丝。
以低温高强钢为Q690E为例，用上述低温高强钢用埋弧焊丝焊接低温高强钢的工艺包括：
钢板Q690E厚度T为12mm，根据厚度T对接接头3处不开坡口；焊接前预热钢板Q690E至其温度为80℃；用上述低温高强钢用埋弧焊丝，配合KGF-80HG焊剂埋弧焊接钢板Q690E的对接接头处，使焊接形成的熔敷金属中硅的质量含量≤0.4％，扩散氢含量≤5ml/100g，焊接时的焊接参数包括：焊接电流为550A，焊接电压为28V，焊接速度为420mm/min，采用多层多道的焊接方式，道间温度为150-165℃；焊接后的后热工艺为200℃热处理2h，得到焊接成品。
实施例2：
本发明所述一种低温高强钢用埋弧焊丝的一种较佳实施方式，其组成成分按按质量百分比计包括：C：0.06％，Si：0.22％，Mn：1.52％，P：0.007％，S：0.003％，Cr：0.32％，Ni：2.79％，Cu：0.02％，Mo：0.32％，Ti：0.09％，Nb：0.004％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
上述低温高强钢用埋弧焊丝的制备方法包括：根据上述低温高强钢用埋弧焊丝的组成成分配制铁水，铁水依次经过真空感应炉冶炼、锻造、热轧、退火后制成盘条钢，真空感应炉冶炼温度为1475℃，盘条钢经酸洗、拉拔变形至目标丝径4.0mm后镀铜，所得表面铜镀层的厚度为0.31μm，烘干得到光洁的低温高强钢用埋弧焊丝。
以低温高强钢为Q690E为例，用上述低温高强钢用埋弧焊丝焊接低温高强钢的工艺包括：
钢板Q690E厚度T为30mm，根据厚度T对接接头3处采用V型坡口4，坡口角度α为35°，钝边长度L为6mm；焊接前预热钢板Q690E至其温度为80℃；用上述低温高强钢用埋弧焊丝，配合KGF-80HG焊剂埋弧焊接钢板Q690E的对接接头处，使焊接形成的熔敷金属中硅的质量含量≤0.4％，扩散氢含量≤5ml/100g，焊接时的焊接参数包括：焊接电流为550A，焊接电压为28V，焊接速度为420mm/min，采用多层多道的焊接方式，道间温度为150-165℃；焊接后的后热工艺为120℃热处理2h，得到焊接成品。
实施例3：
本发明所述一种低温高强钢用埋弧焊丝的一种较佳实施方式，其组成成分按按质量百分比计包括：C：0.06％，Si：0.22％，Mn：1.51％，P：0.006％，S：0.003％，Cr：0.32％，Ni：2.78％，Cu：0.02％，Mo：0.31％，Ti：0.10％，Nb：0.005％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
上述低温高强钢用埋弧焊丝的制备方法包括：根据上述低温高强钢用埋弧焊丝的组成成分配制铁水，铁水依次经过真空感应炉冶炼、锻造、热轧、退火后制成盘条钢，真空感应炉冶炼温度为1490℃，盘条钢经酸洗、拉拔变形至目标丝径4.0mm后镀铜，所得表面铜镀层的厚度为0.35μm，烘干得到光洁的低温高强钢用埋弧焊丝。
以低温高强钢为Q690E为例，用上述低温高强钢用埋弧焊丝焊接低温高强钢的工艺包括：
钢板Q690E厚度T为50mm，根据厚度T对接接头3处采用双V型坡口5，坡口角度α为35°，钝边长度L为4mm；焊接前预热钢板Q690E至其温度为50℃；用上述低温高强钢用埋弧焊丝，配合KGF-80HG焊剂埋弧焊接钢板Q690E的对接接头处，使焊接形成的熔敷金属中硅的质量含量≤0.4％，扩散氢含量≤5ml/100g，焊接时的焊接参数包括：焊接电流为600A，焊接电压为31V，焊接速度为420mm/min，采用多层多道的焊接方式，道间温度为170-180℃；焊接后的后热工艺为200℃热处理2h，得到焊接成品。
对比例1：
采用普通同强度等级的690焊材，替代所述低温高强钢用埋弧焊丝，钢板Q690E厚度T为50mm，在同实施例3的焊接工艺下进行焊接，得到焊接成品。
对比例2：
采用普通同强度等级的690焊材，替代所述低温高强钢用埋弧焊丝，钢板Q690E厚度T为30mm，根据厚度T对接接头3处采用V型坡口4，坡口角度α为35°，钝边长度L为6mm；焊接前预热钢板Q690E至其温度为150℃，焊接时的焊接参数包括：焊接电流为550A，焊接电压为28V，焊接速度为420mm/min，采用多层多道的焊接方式，道间温度为150-165℃；焊接后的后热工艺为250℃热处理2h，得到焊接成品。
对比例1和对比例2中690焊材的组成成分包括：C：0.065％；Si：0.43％；Mn：1.55％；P：0.018％；S：0.002％；Cr：0.276％；Mo：0.369％；Ni：2.51％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
取实施例和对比例所得焊接成品，按GB/T228.1标准进行拉伸试验，按GB/T229标准进行冲击试验，按GB/T232标准进行弯曲试验，按GB/T 4675.1标准进行焊接裂纹试验，对焊接接头的力学性能进行检测，焊接接头的拉伸、侧弯性能、探伤等级和冲击性能如表1所示：
表1.不同焊接成品的性能对比
由上表1可知，低温高强钢为Q690E钢，焊接后所得Q690E钢接头处的力学性能包括：抗拉强度≥770MPa，侧弯合格，焊缝-60℃冲击≥69J，明显优于现有-40℃冲击指标，由于普通筒强度等级埋弧焊材，焊丝组分通过适宜含量的Ni、Cu、Ti、Nb组合固溶强化可防止焊缝裂纹且可以显著降低预热温度及后热温度，进而降低施工难度，现场易于实现，同时可见通过适宜的焊丝组分，配合合适的焊接工艺及热输入量，由附图3可见无焊缝金属夹杂缺陷，焊缝组织均匀，显著提高了焊接接头低温冲击韧性、综合力学性能及合格率，能够满足海洋平台用Q690E高强钢焊接需求，实用性强。
在本发明的描述中，KGF-80HG焊剂源自苏州骐骥焊接材料有限公司，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“坡口角度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低温高强钢用埋弧焊丝，其特征在于，其组成成分按按质量百分比计包括：C：0.03-0.10％，Si：0.10-0.25％，Mn：1.30-1.60％，P≤0.012％，S≤0.008％，Cr：0.20-0.40％，Ni：2.60-3.00％，Cu≤0.30％，Mo：0.30-0.60％，Ti≤0.20％，Nb≤0.008％，余量为Fe以及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低温高强钢用埋弧焊丝，其特征在于，Ni+Cu+Ti+Nb的总质量百分比为2.7-3.2％。
3.根据权利要求1所述的一种低温高强钢用埋弧焊丝，其特征在于，所述焊丝直径为3.2-4.0mm，所述焊丝表面设有铜镀层，所述铜镀层的厚度为0.15-0.35μm。
4.一种低温高强钢用埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，根据权利要求1所述低温高强钢用埋弧焊丝的组成成分配制铁水，铁水依次经过真空感应炉冶炼、锻造、热轧、退火后制成盘条钢，真空感应炉冶炼温度为1450-1500℃，盘条钢经酸洗、拉拔变形至目标丝径后镀铜、烘干得到光洁的低温高强钢用埋弧焊丝。
5.一种低温高强钢用焊接工艺，其特征在于，采用权利要求1～4任意一项所述低温高强钢用埋弧焊丝，配合焊剂埋弧焊接低温高强钢前，低温高强钢的预热温度为50-120℃，焊接后的后热工艺为120-250℃热处理0.5-2h。
6.根据权利要求5所述的一种低温高强钢用焊接工艺，其特征在于，焊剂为低硅焊剂，使焊接形成的熔敷金属中硅的质量含量≤0.4％，扩散氢含量≤5ml/100g。
7.根据权利要求5所述的一种低温高强钢用焊接工艺，其特征在于，根据所述低温高强钢厚度T确定坡口加工：
当12mm≤T＜20mm时，低温高强钢对接接头处不开坡口；
当20mm≤T＜40mm时，低温高强钢对接接头处采用V型坡口，坡口角度为25-35°，钝边长度为4-6mm；
当40mm≤T≤50mm时，低温高强钢对接接头处采用双V型坡口，坡口角度为25-35°，钝边长度为3-4mm。
8.根据权利要求5所述的一种低温高强钢用焊接工艺，其特征在于，焊接时的焊接参数包括：焊接电流为550-650A，焊接电压为28-32V，焊接速度为380-500mm/min。
9.根据权利要求5所述的一种低温高强钢用焊接工艺，其特征在于，采用多层多道的焊接方式，道间温度为150-180℃。
10.根据权利要求5所述的一种低温高强钢用焊接工艺，其特征在于，所述低温高强钢为Q690E钢，焊接后所得Q690E钢接头处的力学性能包括：抗拉强度≥770MPa，焊缝-60℃冲击≥69J。
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