CN101927396B

CN101927396B - 一种多层焊焊接钢板的方法

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Publication number: CN101927396B
Application number: CN2009101506274A
Authority: CN
Inventors: 余腾义; 李大东; 李军; 朱宁; 黄渠; 龚洪君
Original assignee: Pangang Group Steel Vanadium and Titanium Co Ltd; Pangang Group Research Institute Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd; Pangang Group Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Steel Vanadium and Titanium Co Ltd; Pangang Group Research Institute Co Ltd; Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd; Pangang Group Co Ltd
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: CN101927396A

Abstract

一种多层焊焊接钢板的方法，该方法包括打底焊接、填充焊接和盖面焊接，其中，所述盖面焊接包括分别在两个待焊接钢板的表面上进行第一道次焊接、第二道次焊接，从而分别形成第一道次焊道和第二道次焊道，然后再在所述第一道次焊道和所述第二道次焊道上进行第三道次焊接，形成连接所述第一道次焊道和所述第二道次焊道的第三道次焊道。本发明的多层焊焊接钢板的方法通过所述第三道次焊接起到减缓第一道次焊道和第二道次焊道冷却的作用，同时，对焊接接头进行了正火处理。热影响区和熔合区的钢板组织奥氏体化后缓冷使焊接接头形成晶粒细小的珠光体组织，提高了焊接接头的韧性等力学性能。

Description

一种多层焊焊接钢板的方法

技术领域

本发明涉及一种多层焊焊接钢板的方法。

背景技术

焊接时，熔化焊接材料的高温热量集中，从而使与焊接材料接触的工件金属熔化并与焊接材料在熔化状态下接合形成焊缝和焊接接头。整个焊接接头由焊缝、熔合区、热影响区构成。其中，焊缝在焊接时完全熔化；热影响区在焊接时没有发生熔化；熔合区是位于焊缝和热影响区之间的过渡区域(焊缝和热影响区如图1所示)。焊接材料和母材金属在熔化状态下结合的同时，焊缝向工件金属(母材)B1和B2传导热量。这引起焊缝和热影响区的金属组织发生变化。由于焊缝和热影响区上各点与焊缝中心的距离不同，所受的最高加热温度不同，因此焊接相当于对整个焊接接头进行了一次不同规范的热处理，焊接接头的各部位会出现不同的组织变化和性能变化。

金属工件在焊接热循环的作用下，热影响区的组织分布是不均匀的。使用多层焊焊接钢板时，打底焊接和填充焊接操作中，焊接相邻两个焊道(或焊层)时，由于相邻两个焊道之间的温度差即层间温度的作用，在后的焊接操作使通过在先的焊接操作得到的焊接接头冷却速度减缓，即对在先焊接操作得到的焊接接头起到了正火的作用。从而使热影响区的钢板材料完全发生重结晶，冷却后为均匀而细小的正火组织，焊接接头的机械性能明显改善。最后进行盖面焊接时，因为没有后续的焊接作用可以对盖面焊接的焊缝和焊接接头进行正火处理，所以盖面焊接得到的焊接接头的熔合区和热影响区被加热后冷却速度较快，容易形成贝氏体甚至马氏体组织，大大降低塑性和韧性。熔合区和热影响区的贝氏体或马氏体组织过多时，不能满足正常使用，达不到国家标准例如GB/T 2653-2008(焊接接头弯曲试验方法)的规定。

另外，一些合金元素较多的钢，随着合金元素加入，碳当量升高，导致钢板的连续冷却曲线(CCT曲线)右移。由于盖面焊接时焊接接头的冷却速度较快，熔合区和热影响区更容易出现贝氏体等降低焊接接头塑性的组织。例如，高强度耐大气腐蚀钢(耐候钢)板中，添加了大量的合金元素，如Cr、Cu、Ni、Mn等元素。采用传统的多层焊焊接后，焊接接头中形成大量的贝氏体组织(大约占热影响区的20％)，而且焊缝区形成类似于铸态组织的柱状晶。按照GBT 2653-2008对这种焊接接头进行弯曲试验，焊接接头在正弯试验时容易开裂，而且裂纹长度大于GB/T 2653-2008规定的3mm，也就是焊接接头不合格。

因此，现有技术中，采用多层焊焊接钢板时，特别是焊接合金成分高且力学性能要求较高的钢板时，难以避免在焊接接头的熔合区和热影响区产生贝氏体等降低塑性的组织，焊接接头的力学性能达不到国家标准的规定。

发明内容

为了改善多层焊焊接钢板形成的焊接接头的力学性能，避免在热影响区产生贝氏体等降低塑性的组织，本发明提供一种多层焊焊接钢板的方法。

本发明的多层焊焊接钢板的方法包括打底焊接、填充焊接和盖面焊接，其中，所述盖面焊接包括分别在两个待焊接钢板的表面上进行第一道次焊接、第二道次焊接，从而分别形成第一道次焊道和第二道次焊道，然后再在所述第一道次焊道和所述第二道次焊道上进行第三道次焊接，形成连接所述第一道次焊道和所述第二道次焊道的第三道次焊道。

本发明的多层焊焊接钢板的方法通过所述第三道次焊接起到减缓第一道次焊道和第二道次焊道冷却的作用，同时，对焊接接头进行了正火处理。热影响区和熔合区的钢板组织奥氏体化后不会因快速冷却而过冷到贝氏体区甚至马氏体区，焊接接头的组织是正火组织，即晶粒细化的珠光体组织。另外，所述盖面焊接包括三个道次焊接，且所述第三道次焊道位于所述第一道次焊道和第二道次焊道之间，也就是将焊缝柱状晶薄弱环节移到了焊接接头的中间并缩小了该薄弱环节的范围。因此，使用本发明的多层焊焊接钢板的方法，可以基本上消除贝氏体组织，提高焊接接头的韧性，使焊接接头的正弯性能达到国家标准的要求。

附图说明

图1是显示焊接接头的焊缝区和热影响区的示意图；

图2是显示使用本发明的多层焊焊接钢板的方法的一种实施方式焊接钢板时焊接接头的示意图。

具体实施方式

所述两个待焊钢板的表面可以是同一块钢板上的缺口的表面或两块待焊钢板形成的坡口的坡口表面。

通过所述第三道次焊接使所述第一道次焊接和第二道次焊接形成的第一道次焊道和第二道次焊道缓慢冷却，同时，对焊接接头起到正火作用，使用本发明的多层焊焊接方法得到的焊接接头的组织基本上由珠光体和铁素体组成，几乎不会出现贝氏体等降低钢板塑性的组织，从而可以显著提高焊接接头的正弯性能并符合国家标准的规定。

另外，通过所述第三道次焊接将焊接接头上没有接受正火处理的部分移到所述第三道次焊道，从而缩小了该薄弱环节的范围。

为了进一步提高所述第三道次焊接的正火作用，优选地，进行所述第三道次焊接时，层间温度为180-200℃。也就是说，在所述第一道次焊道和第二道次焊道的温度降低至180-200℃时进行所述第三道次焊接。在该层间温度范围内，可以使焊接接头以适当的速度冷却，避免冷却速度过快而出现贝氏体或马氏体等塑性较差的组织，也就是可以最大限度地利用所述第三道次焊接的正火作用。

另外，所述第三道次焊接使所述第一道次焊道和第二道次焊道产生的熔合区和热影响区朝向所述第三道次焊道即所述焊接接头的中间偏移，从而充分利用了第三道次焊接的正火作用使熔合区也缓慢冷却，整个焊接接头的晶粒得以细化，从而既能够提高抗拉强度，也能够改善韧性、塑性。

进行所述打底焊接和填充焊接时，层间温度可以是本领域技术人员公知的常用数值，例如100-150℃。该层间温度可以保证所述盖面焊接之前的各道次焊接接头得到适当的冷却速度。

所述盖面焊接至少焊接钢板厚度的1/8，从而在对整个焊接接头起到正火作用的同时，能够减少盖面焊接的热输入，从而保证焊接接头的焊缝区不会形成太多晶粒粗大的柱状晶，还可以细化热影响区的晶粒，进一步提高所述焊接接头的力学性能。因为所述盖面焊接至少要焊接到钢板的正面(图2中钢板B1和B2的上表面)，所以进行所述盖面焊接之前，应保证熔敷的金属与钢板的正面之间沿厚度方向的距离至少为钢板厚度的1/8，优选为1/8-1/6。

所述盖面焊接得到的第一道次焊道、第二道次焊道和第三道次焊道的厚度优选基本相同，该厚度优选为待焊钢板的厚度的1/8-1/6。即通过所述盖面焊接至少焊接钢板厚度的1/8-1/6。

如上所述，所述盖面焊接熔敷金属的厚度为待焊钢板的厚度的1/8-1/6。另外，所述打底焊接可以为一道次焊接，对打底焊接熔敷的金属的厚度没有特别限定，只要焊透钢板、背面成形即可，所述打底焊接熔敷的金属的厚度一般为待焊钢板的厚度的1/8-1/6。

而所述填充焊接可以包括多道次焊接，具体可以根据钢板的厚度选择焊接道次的数量。由于每道次焊接熔敷金属的厚度很大程度上取决于所采用的焊接方法和焊接材料规格，因此，当待焊钢板的厚度较大时，可以通过增加填充焊接的道次来增加熔敷金属的厚度。优选情况下，所述填充焊缝熔敷金属的总厚度可以为待焊钢板的厚度的3/4-5/6。

由于所述打底焊接一般会焊透钢板，因此熔敷的金属会流动到钢板的背面。另外，所述盖面焊接完成后，熔敷金属至少要达到焊接到钢板的厚度。因此，整个焊接接头贯穿钢板的厚度，通过所述打底焊接、填充焊接和盖面焊接熔敷金属可能稍大于钢板的厚度。优选地，熔敷金属的总厚度与钢板的厚度的差为0-2.5mm，进一步优选为0.1-2.5mm。

使用本发明的多层焊焊接方法时，可以在两个待焊钢板上开出各种类型的坡口，例如使两个待焊钢板的表面形成V形坡口或U形坡口。所述坡口的坡口表面即为待焊钢板上需要焊接的表面，所述第一道次焊接和第二道次焊接各自焊接所述坡口的两个坡口表面。

在本发明的一种实施方式中，采用单面焊双面成形的方法。在这种情况下，优选使两个待焊钢板形成V形坡口。由于使用了单面焊双面成形的方法，从待焊钢板的一面沿V形坡口的底部进行所述打底焊接可以使所述焊接接头完全熔透，而且熔敷的流动金属可以被待焊钢板的另一面限制，从而使所述焊接接头更好地成形。进行所述盖面焊接时，所述第一道次焊接和第二道次焊接各自焊接所述V形坡口的两个坡口表面，即钢板上形成所述V形坡口的表面。所述V形坡口的坡口角度优选为45-60度，所述钢板的组对间隙优选为2-3mm。所述坡口角度是指两个钢板的待焊表面之间的角度，所述组对间隙是指在进行所述打底焊接之前两个待焊钢板之间的最小间隙，即图2中两个待焊钢板B1和B2的下表面之间的距离。

焊接时，所述打底焊接和填充焊接时使用的焊接材料可以为同一种焊接材料，所述盖面焊接使用的焊接材料与所述打底焊接和填充焊接使用的焊接材料可以相同或不同。选取焊接材料的原则是公知的，即焊缝熔敷金属的成分与待焊钢板的成分相似且焊接后力学性能类似于待焊钢板。

下面通过使用本发明的方法焊接高强度耐大气腐蚀钢板说明本发明的一种实施方式。在本实施方式中，钢板B1和B2均是厚度h为12mm的Q450NQR1钢板，钢板的原始组织为珠光体和铁素体；多层焊焊接的所述打底焊接、填充焊接和盖面焊接均为熔化极活性气体保护焊即MAG焊，保护气体为70-90体积％的Ar与10-30体积％CO₂的混合气体。其中，所述打底焊接的焊接电流为90-120A，焊接电压为18-20V，气体流量为10-20L/min，优选15-18L/min；所述填充焊接和所述盖面焊接的焊接电流为160-220A，焊接电压为20-22V，气体流量为15-25L/min，优选16-20/min。当然，也可以采用其它焊接方法，例如MIG焊或其它熔焊方法。

根据钢板的厚度，在本实施方式中，所述填充焊接包括3道次焊接，因此，如图2所示，在该实施方式中，本发明的多层焊焊接一共包括7道次焊接。下文中，为便于说明，将所述打底焊接、填充焊接和盖面焊接连续编号，即所述打底焊接为S1焊接，所述填充焊接包括S2至S4焊接，所述盖面焊接的第一道次焊接、第二道次焊接和第三道次焊接各自为S5焊接、S6焊接和S7焊接。S5焊接和S6焊接各自焊接两个钢板B1和B2上的V形坡口的坡口表面并形成S5焊道和S6焊道，S5焊道和S6焊道通过S7焊接形成的S7焊道连接。

焊接时，S1-S6焊接的层间温度为100-150℃，施焊S7焊道时，层间温度优选控制在180-200℃。其中，层间温度的测量方法已为本领域技术人员所公知，即测量距离焊缝中心50mm处的钢板表面的温度。其中，所述焊缝中心平行于待焊钢板的宽度方向并穿过坡口的上端开口的中心线，通过测量沿待焊钢板的长度方向(即图2中向左或向右)距离所述焊缝中心50mm处的钢板B1和B2的上表面的温度可以得到层间温度。层间温度可以通过各种测温仪器测量，例如，可以使用测温仪(SKW-2)测量层间温度。也就是说，当使用测温仪测量到层间温度为180-200℃时，进行S7焊接。另外，S1焊接(即打底焊接)时，90-120A，焊接电压为18-20V，保护气体为70-90体积％的Ar与10-30体积％CO₂的混合气体，气体流量为10-20L/min，优选15-18L/min；S2-S7焊接(即填充焊接和盖面焊接)时，焊接电流为160-220A，焊接电压为20-22V，保护气体为70-90体积％的Ar与10-30体积％CO₂的混合气体，气体流量为15-25L/min，优选16-20/min。

优选地，通过S1焊接即所述打底焊接熔敷的金属的厚度为1.5-2mm；S2-S4焊接中每道次熔敷的金属的厚度为2-3.5mm；通过S5、S6和S7焊接熔敷的金属的厚度基本相同，为1.5-2mm。

另外，S1-S7焊接所使用的焊接材料可以是同一种焊接材料，例如TH550-NQ-A，成分(质量％)为C 0.06、Si 0.37、Mn 1.30、P 0.014、S 0.009、Cu 0.34、Cr 0.34、Ni 0.52，焊丝规格Φ1.2mm，所述焊接材料的成分以及焊接后形成的组织与Q450NQR1钢板相似。

实施例

下面，参照对Q450NQR1钢板进行多层焊焊接的实施例进一步说明本发明。

实施例1

采用图2所示的多层焊焊接工序使用MAG焊对厚度为12mm的Q450NQR1钢板进行多层焊焊接，MAG焊的保护气体为Ar80％+20％CO₂(体积分数)；钢板开有V形坡口；采用单面焊双面成形的方式进行焊接。Q450NQR1钢板的合金成分如表1所示(各合金元素的含量单位为重量％)；S1-S7使用同一种焊接材料TH550-NQ-A，成分(质量％)为C 0.06、Si 0.37、Mn 1.30、P 0.014、S 0.009、Cu 0.34、Cr 0.34、Ni 0.52，焊丝规格Φ1.2mm；MAG焊的工艺参数和各道次熔敷的金属的厚度如表2所示。其中，S1-S6焊接的层间温度为100℃，S7焊接的层间温度为180℃。两块Q450NQR1钢板的V形坡口的坡口角度为45°，组对间隙为2.2mm。

表1

编号/成分	C	Si	Mn	P	S	Cu	Cr	Ni	Nb
										实施例1	0.07	0.39	0.9	0.014	0.005	0.25	0.52	0.21	0.025
实施例2	0.06	0.33	0.85	0.015	0.004	0.26	0.51	0.22	0.023
										实施例3	0.06	0.31	0.91	0.016	0.005	0.24	0.51	0.21	0.021
对比例1	0.07	0.39	0.9	0.014	0.005	0.25	0.52	0.21	0.025

表2

道次	焊接电流(A)	焊接电压(V)	气体流量(L/min)	熔敷厚度(mm)
					S1	90	18	16	1.5
S2	160	20	18	2.5
					S3	200	22	18	3.5
S4	220	22	18	3.5
					S5	160	20	18	2
S6	160	20	18	2
					S7	160	20	18	2

其中，S4焊接后(即完成所述填充焊接后)熔敷的金属的总厚度为11mm。S4焊道与钢板的上表面之间的垂直距离(沿钢板厚度方向的距离)可能小于1.5mm。在这种情况下，使用打磨设备例如角磨机(型号为125MMG13SR)对S4焊道进行打磨，使S4焊道与钢板B1和B2的上表面之间的垂直距离为至少1.5mm。

实施例2

按照实施例1的方法焊接厚度为12mm的Q450NQR1钢板，不同的是，使用的Q450NQR1钢板的合金成分如表1所示，MAG焊的工艺参数和各道次熔敷的金属的厚度如表3所示，S1-S6的层间温度为120℃，S7焊接时的层间温度为190℃。

表3

道次	焊接电流(A)	焊接电压(V)	气体流量(L/min)	熔敷厚度(mm)
					S1	100	20	16	1.8
S2	160	20	18	3
					S3	200	22	18	3.5
S4	200	22	18	3.5
					S5	180	20	18	2.5
S6	200	21	18	2.5
					S7	160	20	18	2

实施例3

按照实施例2的方法焊接厚度为12mm的Q450NQR1钢板，不同的是，使用的Q450NQR1钢板的合金成分如表1所示，MAG焊的工艺参数和各道次熔敷的金属的厚度如表4所示，S1-S6的层间温度为150℃，S7焊接时的层间温度为200℃，两块Q450NQR1钢板的V形坡口的坡口角度为60°。

表4

道次	焊接电流(A)	焊接电压(V)	气体流量(L/min)	熔敷厚度(mm)
					S1	120	20	16	2
S2	160	20	18	3
					S3	200	22	18	3.5
S4	200	22	18	3.5
					S5	220	22	18	2.5
S6	220	22	18	2.5
					S7	160	20	18	2.5

实施例4

按照实施例1的方法焊接厚度为12mm的Q450NQR1钢板，不同的是，S7焊接时的层间温度为150℃。

对比例1

按照实施例3的方法对厚度为12毫米的Q450NQR1钢板进行多层焊焊接，不同的是，盖面焊接为一道次焊接，熔敷厚度为2.5mm。

对实施例1-4和对比例1的焊接接头的热影响区进行金相组织分析，发现实施例1-4的组织中珠光体和铁素体的总量为100体积％，贝氏体占0体积％，且晶粒度级别为10-10.5级；对比例1的组织中珠光体和铁素体的总量占80体积％，贝氏体占20体积％，晶粒度为9级。可见，实施例1-4有效地避免了贝氏体等组织的形成，并细化了晶粒。另外，为了更直观地看出上述结论，按照国家标准《焊接接头弯曲试验方法GB/T 2653-2008》对实施例1-4和对比例1进行测试。表5是测试后的主要力学性能参数，能够进一步说明上述结论。其中，各试样均在焊接完成后放置48小时以冷却和时效。

表5中，-40℃Akv为焊接接头在-40℃进行低温冲击韧性试验测得的冲击功；Rm为焊接接头的抗拉强度。

表5

编号	正弯试验后裂纹长度/mm	-40℃Akv/J	Rm/MPa
				实施例1	0	66	660
实施例2	0	60	655
				实施例3	0	55	655
实施例4	0	50	645
				对比例1	4.1	34	620

如表5所示，实施例1-4的试样经正弯试验后均没有开裂，而对比例1的试样不仅开裂，且裂纹大于国标规定的3mm，属于不合格产品。另外，实施例1-4的低温冲击韧性明显优于对比例1。

由此可见，使用本发明的多层焊焊接钢板的方法，可以有效地消除贝氏体等塑性较差的组织，并且细化了焊接接头的晶粒，使焊接接头达到国家标准的规定，大大提高了焊接接头的综合力学性能。

Claims

1.一种多层焊焊接钢板的方法，该方法包括打底焊接、填充焊接和盖面焊接，其特征在于，所述盖面焊接包括分别在两个待焊接钢板的表面上进行第一道次焊接、第二道次焊接，从而分别形成第一道次焊道和第二道次焊道，然后再在所述第一道次焊道和所述第二道次焊道上进行第三道次焊接，形成连接所述第一道次焊道和所述第二道次焊道的第三道次焊道，所述第三道次焊接的条件包括层间温度为180-200℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述打底焊接和填充焊接的层间温度为100-150℃。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述盖面焊接熔敷的金属的厚度为钢板厚度的1/8-1/6。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述打底焊接熔敷的金属的厚度为钢板厚度的1/8-1/6，且所述多层焊焊接熔敷的金属的总厚度大于或等于钢板的厚度，所述多层焊焊接熔敷的金属的总厚度与待焊接钢板的厚度的差为0-2.5mm。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述待焊接钢板为高强度耐大气腐蚀钢钢板。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述高强度耐大气腐蚀钢为Q450NQR1，钢板厚度为10-15mm，所述打底焊接熔敷的金属的厚度为1.5-2mm，所述盖面焊接熔敷的金属的厚度为1.5-2mm。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述填充焊接包括多道次焊接，每道次焊接熔敷的金属的厚度为2-3.5mm。

8.根据权利要求1、2、4-7中任意一项所述的方法，其中，所述打底焊接、填充焊接和盖面焊接使用相同的焊接材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述打底焊接、填充焊接和盖面焊接均为熔化极活性气体保护焊。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述打底焊接的焊接电流为90-120A，焊接电压为18-20V，保护气体为70-90体积％的Ar与10-30体积％CO₂的混合气体，气体流量为10-20L/min；所述填充焊接和所述盖面焊接的焊接电流为160-220A，焊接电压为20-22V，保护气体为70-90体积％的Ar与10-30体积％CO₂的混合气体，气体流量为15-25L/min。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述多层焊焊接的方式为单面焊双面成形方式，所述两个待焊钢板的表面形成V形坡口，所述第一道次焊接和第二道次焊接分别在所述V形坡口的两个坡口表面上进行。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述V形坡口的坡口角度为45-60度，所述钢板的组对间隙为2-3mm。