CN117884792A - 一种极寒环境下提高厚板高强度钢ctod性能的焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其特征在于：具体焊接工艺如下：S1：制作可移动式保温棚；S2：取材；S3：母材清洗；S4：焊前预热；S5：防氧化焊接：S6：焊后后热；S7：超声波探伤；本焊接工艺步骤简单，安全可靠，稳定性好，成型良好，没有未焊合及裂纹缺陷；通过严格的焊接前准备以及焊接后处理，焊缝等级均为全焊透一级，且在低温环境下，焊接后试件的力学性能可以达到验收效果，保证了焊接效率，符合预期要求；当焊接环境低于0°但不低于‑10°时，通过该焊接工艺技术可以保证焊接接头各方向不小于2倍板厚且不小于100mm；满足提高厚板高强钢CTOD性能的要求，保证了焊接工程质量。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺。
背景技术
CTOD是英文名称Crack Tip Opening Displacement的首字母缩写，中文称为裂纹尖端张开位移，指的是裂纹尖端处受张开型载荷后两表面所张开的相对距离，往往用δ表示，常用单位是毫米。裂纹尖端张开位移试验取样，按国际通用规范BS7448，可以按实际厚度制作试样(即全厚度试样)。这样，既保存了原结构(板厚)尺寸效应，又很好地模拟实际的焊接条件，所测得的韧性会比较准确、可靠。CTOD值的大小，反映了裂纹尖端材料抵抗开裂的能力，也就是材料的韧性。把要检测的材料制成带有人为预制裂纹的试样，把待检测的试样模拟现场实际情况制成带有人为预制裂纹的试样，在实验机上施加载荷，通过得到的载荷-位移曲线，结合其它相关参数，计算出裂纹尖端张开位移δ值。δ值越大，表示裂纹尖端材料抵抗开裂的性能越好，即韧性越好；反之，δ值越小，韧性越差。由于CTOD韧性能很好反映焊接接头的质量，因此CTOD检测评定技术能够有效检测焊接质量。CTOD检测合格的焊缝，具有良好的韧性。
不同的材质对焊接的方法和工艺要求往往相去甚远，在极寒环境下，由于Q355CZ15的含碳量和合金元素含量较高，在焊接过程中，很容易在母材热影响区生成高碳马氏体，并且冷却速度越快，产生的高碳马氏体越多，焊接淬硬倾向越大，冷裂纹产生越敏感；这也是目前厚板焊接接头在工程上难以应用的主要原因；因此，为了防止Q355CZ15焊接接头出现焊后冷裂纹，提出一种极寒环境下提高厚板高强钢CTOD性能的焊接工艺，通过焊前预热和焊后保温对钢结构进行加热处理，改善厚板高强钢的CTOD性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种厚板焊接接头在工程上难以应用，提供一种极寒环境下提高厚板高强钢CTOD性能的焊接工艺，通过保温和预热手段来提高厚板的CTOD性能，可以有效解决背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其创新点在于：具体焊接工艺如下：
S1：制作可移动式保温棚：各单保温棚间采用保温棉和聚乙烯防水阻燃布做连接；保证棚内温度不低于5℃；采用石棉保温带进行保温，采用红外线测温仪进行层间测温；
S2：取材：选取裂纹试样板，裂纹平面垂直于试样表面，偏差在±2°以内；裂纹尖3mm线段，钼丝直径不超过0.12mm；磨削加工试样翻面时，防止表面留下划痕；两端面不加工；裂纹开在试样长度中间；当使用铣削缺口时，缺口根部半径不得大于0.10mm；当使用锯削或砂轮磨削或火花蚀刻缺口时，缺口尖端的宽度不得大于0.15mm；填充采用CO2焊丝；
S3：母材清洗：对母材的表面进行清洗，确保母材的表面无油污、铁锈污染物；
S4：焊前预热：采用电热带加热及火焰加热两种方式预热，焊接环境温度低于0℃但不低于-10℃时，确保接头焊接处各方向不小于2倍板厚且不小于100mm范围内的母材温度，不低于20℃或规定的最低预热温度二者的较高值，且在焊接过程中不应低于这一温度；焊缝间的层间温度应始终控制在100℃-150℃之间；预热的加热区域应在焊缝坡口两侧，宽度应大于焊件施焊处板厚的1.5倍，且不应小于100mm；预热温度宜在焊件受热面的背面测量，测量点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处；当采用火焰加热器预热时正面测温应在火焰离开后进行；
S5：防氧化焊接：将助焊剂在焊接前采用助焊剂喷头喷涂在裂纹试样板的裂纹处，匹配焊接的电流为180-320A，焊接电压为24-38V，焊接速度20-30cm/min，焊接时，焊缝间的层间温度应始终控制在100℃—150℃之间，且一次性焊完；将低熔点焊剂粉料采用低熔点焊剂喷头沿着焊枪与待焊部件的相对运动方向固定在焊枪的后方，待焊枪或待焊部件移动露出高温液态熔池区域后，高温液态熔池区域发生初步凝固，在高温凝固焊缝表面覆盖该低熔点焊剂，焊剂会熔化并快速润湿到焊缝，完全覆盖其表面，形成一层保护膜，从而对其进行保护，防止焊缝位置处的高温凝固焊缝被氧化；所述助焊剂喷头与低熔点焊剂喷头为共用一个喷头结构；
S6：焊接完毕后，对焊缝两侧板厚的2-3倍的范围进行加热，加热温度为150-250℃，并采用石棉保温带保温1-2小时，冷却速度不应大于10℃/min；
S7：超声波探伤：焊缝外观质量检查合格后进行无损检测，检验在试板焊接完成24小时后进行。
进一步的，所述S1：制作可移动式保温棚中，保温棚总长5米，宽3.5米，高3.8米。
进一步的，焊接环境温度低于-10℃时，必须进行相应焊接环境下的工艺评定试验，并应在评定合格后再进行焊接，如果不符合上述规定，严禁焊接。
进一步的，所述S6中，冷却速度不应大于10℃/min可通过红外测温仪来测量控制。
进一步的，所述S5中低熔点焊剂粉料Al2O320-30质量份，TiO215-25质量份，CaO10-15质量份，NaCl 10-15质量份，MgO 5-10质量份，V2O55-10质量份，氟硼酸钾3-5质量份和MnO 3-5质量份组成；所有原料颗粒度均在200目-800目之间；焊剂的熔点范围为690-735℃。
进一步的，所述S5中的喷头结构包括喷头主体、助焊剂流道与低熔点焊剂通道；所述喷头主体呈Y型结构，喷头主体的尾端设置有两个原料接口，且各原料接口处分别通过管道连接在低熔点焊剂粉料舱和助焊剂舱；所述助焊剂流道与低熔点焊剂通道分别设置在喷头主体内；所述助焊剂流道的输入端与原料接口导通，助焊剂流道的输出端位于喷头主体Y型分叉的一端；所述低熔点焊剂通道的输入端与另一原料接口导通，低熔点焊剂通道的输出端位于喷头主体Y型分叉的另一端；所述喷头主体的上Y型分叉之间的距离大于10cm，以保证焊枪与喷头主体上输出端口的距离；当焊接速度为20-30cm/min，焊枪端口与低熔点焊剂通道的输出端口之间的距离为4-6cm。
本发明的优点在于：
1）本发明中本焊接工艺步骤简单，安全可靠，稳定性好，成型良好，没有未焊合及裂纹缺陷；通过严格的焊接前准备以及焊接后处理，焊缝等级均为全焊透一级，且在低温环境下，焊接后试件的力学性能可以达到验收效果，保证了焊接效率，符合预期要求；当焊接环境低于0°但不低于-10°时，通过该焊接工艺技术可以保证焊接接头各方向不小于2倍板厚且不小于100mm；满足提高厚板高强钢CTOD性能的要求，保证了焊接工程质量。
2）本发明中焊接工艺中采用专用的喷头结构，喷头结构可以在焊枪焊接路径前端喷出助焊剂，在焊枪后端喷出低熔点焊剂，通过低熔点焊剂在高温液态熔池区域发生初步凝固，在高温凝固焊缝表面覆盖该低熔点焊剂，焊剂会熔化并快速润湿到焊缝，完全覆盖其表面，形成一层保护膜，从而对其进行保护，防止焊缝位置处的高温凝固焊缝被氧化，提高焊缝的焊接性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺流程图。
图2图3为本发明的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺的CTOD试样示意图.
图4为本发明的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺的CTOD试样放大图。
图5为本发明的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺的喷头结构图。
实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其特征在于：具体焊接工艺如下：
S1：制作可移动式保温棚：每组保温棚总长5米，宽3.5米，高3.8米，各单保温棚间采用保温棉和聚乙烯防水阻燃布做连接。保证棚内温度不低于5℃；采用石棉保温带进行保温，采用红外线测温仪进行层间测温。
S2：取材：图2至图4所示；裂纹平面垂直于试样表面，偏差在±2°以内；裂纹尖3mm线段，钼丝直径不超过0.12mm；磨削加工试样翻面时，防止表面留下划痕；两端面不加工；裂纹开在试样长度中间；当使用铣削缺口时，缺口根部半径不得大于0.10mm；当使用锯削或砂轮磨削或火花蚀刻缺口时，缺口尖端的宽度不得大于0.15mm；填充采用CO2焊丝。
S3：母材清洗：对母材的表面进行清洗，确保母材的表面无油污、铁锈等污染物。
S4：焊前预热：采用电热带加热及火焰加热两种方式预热，焊接环境温度低于0℃但不低于-10℃时，确保接头焊接处各方向不小于2倍板厚且不小于100mm范围内的母材温度，不低于20℃或规定的最低预热温度二者的较高值，且在焊接过程中不应低于这一温度。焊缝间的层间温度应始终控制在100℃～150℃之间。预热的加热区域应在焊缝坡口两侧，宽度应大于焊件施焊处板厚的1.5倍，且不应小于100mm；预热温度宜在焊件受热面的背面测量，测量点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处；当采用火焰加热器预热时正面测温应在火焰离开后进行。
S5：防氧化焊接：将助焊剂在焊接前采用助焊剂喷头喷涂在裂纹试样板的裂纹处，匹配焊接的电流为180-320A，焊接电压为24-38V，焊接速度20-30cm/min，焊接时，焊缝间的层间温度应始终控制在100℃—150℃之间，且一次性焊完；将低熔点焊剂粉料采用低熔点焊剂喷头沿着焊枪与待焊部件的相对运动方向固定在焊枪的后方，待焊枪或待焊部件移动露出高温液态熔池区域后，高温液态熔池区域发生初步凝固，在高温凝固焊缝表面覆盖该低熔点焊剂，焊剂会熔化并快速润湿到焊缝，完全覆盖其表面，形成一层保护膜，从而对其进行保护，防止焊缝位置处的高温凝固焊缝被氧化；所述助焊剂喷头与低熔点焊剂喷头为共用一个喷头结构。
S6：焊后后热：焊接完毕后，对焊缝两侧板厚的2-3倍的范围进行加热，加热温度为150～250℃，并采用石棉保温带保温1～2小时，冷却速度不应大于10℃/min；这一过程可通过红外测温仪来测量控制。
S7：超声波探伤：焊缝外观质量检查合格后进行无损检测，检验在试板焊接完成24小时后进行；超声波检测按照《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范》（JTG/T3651-2022）中第7.3.1条的要求执行。
焊接环境温度低于-10℃时，必须进行相应焊接环境下的工艺评定试验，并应在评定合格后再进行焊接，如果不符合上述规定，严禁焊接。
S5中低熔点焊剂粉料Al2O320-30质量份，TiO215-25质量份，CaO 10-15质量份，NaCl 10-15质量份，MgO 5-10质量份，V2O55-10质量份，氟硼酸钾3-5质量份和MnO 3-5质量份组成；所有原料颗粒度均在200目-800目之间；焊剂的熔点范围为690-735℃，可在焊缝完成焊接后快速冷却的过程中进行添加，且需要控制该低熔点焊接添加的时间。
如图5所示：S5中的喷头结构包括喷头主体1、助焊剂流道2与低熔点焊剂通道3；喷头主体1呈Y型结构，喷头主体1的尾端设置有两个原料接口，且各原料接口处分别通过管道连接在低熔点焊剂粉料舱和助焊剂舱；助焊剂流道2与低熔点焊剂通道3分别设置在喷头主体1内；助焊剂流道2的输入端与原料接口导通，助焊剂流道2的输出端位于喷头主体Y型分叉的一端；低熔点焊剂通道3的输入端与另一原料接口导通，低熔点焊剂通道3的输出端位于喷头主体Y型分叉的另一端；喷头主体1的上Y型分叉之间的距离大于10cm，以保证焊枪与喷头主体1上输出端口的距离，避免影响焊接，且10cm的距离可以保证助焊剂的提前喷涂，以及完成焊接后，低熔点焊剂在温度自然降低到低熔点焊剂铺洒的所需的温度范围，在焊接速度20-30cm/min，焊枪端口与低熔点焊剂通道3的输出端口之间的距离为4-6cm，可保证焊缝位置的温度处于低熔点焊剂通道中低熔点焊接的添加温度范围。
本焊接工艺步骤简单，安全可靠，稳定性好，成型良好，没有未焊合及裂纹等缺陷，满足提高厚板高强钢CTOD性能的要求，保证了焊接工程质量。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其特征在于：具体焊接工艺如下：
S1：制作可移动式保温棚：各单保温棚间采用保温棉和聚乙烯防水阻燃布做连接；保证棚内温度不低于5℃；采用石棉保温带进行保温，采用红外线测温仪进行层间测温；
S2：取材：选取裂纹试样板，裂纹平面垂直于试样表面，偏差在±2°以内；裂纹尖3mm线段，钼丝直径不超过0.12mm；磨削加工试样翻面时，防止表面留下划痕；两端面不加工；裂纹开在试样长度中间；当使用铣削缺口时，缺口根部半径不得大于0.10mm；当使用锯削或砂轮磨削或火花蚀刻缺口时，缺口尖端的宽度不得大于0.15mm；填充采用CO2焊丝；
S3：母材清洗：对母材的表面进行清洗，确保母材的表面无油污、铁锈污染物；
S4：焊前预热：采用电热带加热及火焰加热两种方式预热，焊接环境温度低于0℃但不低于-10℃时，确保接头焊接处各方向不小于2倍板厚且不小于100mm范围内的母材温度，不低于20℃或规定的最低预热温度二者的较高值，且在焊接过程中不应低于这一温度；焊缝间的层间温度应始终控制在100℃-150℃之间；预热的加热区域应在焊缝坡口两侧，宽度应大于焊件施焊处板厚的1.5倍，且不应小于100mm；预热温度宜在焊件受热面的背面测量，测量点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处；当采用火焰加热器预热时正面测温应在火焰离开后进行；
S5：防氧化焊接：将助焊剂在焊接前采用助焊剂喷头喷涂在裂纹试样板的裂纹处，匹配焊接的电流为180-320A，焊接电压为24-38V，焊接速度20-30cm/min，焊接时，焊缝间的层间温度应始终控制在100℃—150℃之间，且一次性焊完；将低熔点焊剂粉料采用低熔点焊剂喷头沿着焊枪与待焊部件的相对运动方向固定在焊枪的后方，待焊枪或待焊部件移动露出高温液态熔池区域后，高温液态熔池区域发生初步凝固，在高温凝固焊缝表面覆盖该低熔点焊剂，焊剂会熔化并快速润湿到焊缝，完全覆盖其表面，形成一层保护膜，从而对其进行保护，防止焊缝位置处的高温凝固焊缝被氧化；所述助焊剂喷头与低熔点焊剂喷头为共用一个喷头结构；
S6：焊接完毕后，对焊缝两侧板厚的2-3倍的范围进行加热，加热温度为150-250℃，并采用石棉保温带保温1-2小时，冷却速度不应大于10℃/min；
S7：超声波探伤：焊缝外观质量检查合格后进行无损检测，检验在试板焊接完成24小时后进行。
2.根据权利要求1所述的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其特征在于：所述S1：制作可移动式保温棚中，保温棚总长5米，宽3.5米，高3.8米。
3.根据权利要求1所述的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其特征在于：焊接环境温度低于-10℃时，必须进行相应焊接环境下的工艺评定试验，并应在评定合格后再进行焊接，如果不符合上述规定，严禁焊接。
4.根据权利要求1所述的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其特征在于：所述S6中，冷却速度不应大于10℃/min可通过红外测温仪来测量控制。
5.根据权利要求1所述的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其特征在于：所述S5中低熔点焊剂粉料Al2O320-30质量份，TiO215-25质量份，CaO 10-15质量份，NaCl 10-15质量份，MgO 5-10质量份，V2O55-10质量份，氟硼酸钾3-5质量份和MnO 3-5质量份组成；所有原料颗粒度均在200目-800目之间；焊剂的熔点范围为690-735℃。
6.根据权利要求1所述的一种极寒环境下提高厚板高强度钢CTOD性能的焊接工艺，其特征在于：所述S5中的喷头结构包括喷头主体、助焊剂流道与低熔点焊剂通道；所述喷头主体呈Y型结构，喷头主体的尾端设置有两个原料接口，且各原料接口处分别通过管道连接在低熔点焊剂粉料舱和助焊剂舱；所述助焊剂流道与低熔点焊剂通道分别设置在喷头主体内；所述助焊剂流道的输入端与原料接口导通，助焊剂流道的输出端位于喷头主体Y型分叉的一端；所述低熔点焊剂通道的输入端与另一原料接口导通，低熔点焊剂通道的输出端位于喷头主体Y型分叉的另一端；所述喷头主体的上Y型分叉之间的距离大于10cm，以保证焊枪与喷头主体上输出端口的距离；当焊接速度为20-30cm/min，焊枪端口与低熔点焊剂通道的输出端口之间的距离为4-6cm。
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