CN103862184A - 1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,打底层焊道采用“低强匹配”690MPa高韧性焊丝,提高焊缝根部韧性,增强抗裂性。填充层采用等强匹配900MPa高强高韧性焊丝,保证焊缝的强度和韧性。盖面层采用760MPa碱性药芯焊丝,保证焊缝表面光洁平滑,外观成形美观。焊接过程控制层间温度100~150℃,焊接完成后用硅酸铝保温材料覆盖使焊接区保温缓冷。本发明提出的在不预热条件下实现1000MPa高强度钢的组合焊接方法,可得到强度和韧性匹配良好的焊接接头,对实现承载结构的轻量化有重要的意义。这种1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,具有生产效率高、结构轻量化、生成成本低、实用性强、适用范围广泛等特点。采用这项技术可以降低生产成本约25%,具有很好的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度钢的不预热组合焊接方法,特别涉及一种用于1000MPa高强度钢焊接结构的不预热、不进行焊后热处理和组合焊接方法,属于焊接技术领域。
背景技术
随着钢铁结构强度级别的日益提高,高技术含量、高附加值的抗拉强度1000MPa的低合金高强度钢越来越受到人们的关注,其中1000MPa高强度钢焊接结构不仅能在工程领域满足其强度要求,更能实现结构轻量化的战略目标,提高材料利用率和降低结构重量,在矿山装备、煤矿机械等工程领域有着广阔的应用前景。
1000MPa高强度钢强度级别较高,在工程应用中作为承载结构有独特的性能优势,但1000MPa高强度钢成形工艺复杂、淬硬性大,在焊接中易出现冷裂纹等缺陷,对焊接工艺和焊接接头质量要求较高。目前在焊接生产中,这类高强度钢焊接多采用焊前预热、焊后热处理的工艺措施,通过熔化极氩弧焊(MIG)或混合气体保护焊(MAG)等机械化或半机械化方法配合等强匹配焊材进行焊接。但这种焊接方法工艺复杂,焊接过程繁琐,生产成本较高。特别是实际生产中大型焊接结构难以实现预热和焊后热处理,同时对焊接工艺过程和热输入要求严格,如预热温度过低易产生焊接裂纹,预热温度过高易造成焊接热影响区软化,导致焊接接头质量难以满足使用要求。
中国发明专利ZL200610070181.0和ZL200910019599.2分别提出800MPa和900MPa高强度钢的不预热焊接工艺,可以实现部分高强度钢的不预热焊接。但采用这两项技术难以实现更高强度级别1000MPa高强度钢的焊接。目前针对1000MPa高强度钢的焊接仍是采用预热焊接方法。若能在不预热、不焊后热处理条件下,实现对1000MPa高强度钢的焊接,对简化焊接工艺、改善劳动条件和降低生产成本将有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提出一种1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,技术特点是:打底层采用低匹配690MPa高韧性焊丝钨极氩弧焊,填充层采用900MPa高强高韧性实芯焊丝Ar+CO2混合气体保护焊,盖面层采用760MPa药芯焊丝Ar+CO2混合气体保护焊;焊接过程控制层间温度100~150℃,焊后立即用硅酸铝保温材料覆盖焊接区保温缓冷。这种方法适用于1000MPa高强度钢以及1000MPa/800MPa高强异种钢的不预热组合焊接,可获得外观光洁美观的焊接接头,焊缝中下贝氏体和铁素体形态以细针状分布,能够起到抑制微裂纹萌生和扩展的作用。焊接热影响区中形成强韧性较好的低碳马氏体和下贝氏体混合组织,消除热影响区的软化问题。采用这种不预热组合焊接方法获得的焊接接头抗拉强度900~980MPa、焊缝金属-20℃条件下的冲击吸收功大于47J,可满足其使用要求。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,工艺步骤如下:
(1)在待焊工件接头处开双面V形坡口,坡口角度为50°~60°,钝边2~3mm;
(2)用手动砂轮片打磨坡口及坡口两侧20~30mm的表面,去除铁锈和油污,露出金属光泽,用无水乙醇和丙酮将打磨后的坡口及表面清洗干净;
(3)采用填丝钨极氩弧焊打底焊,填充“低强匹配”690MPa高韧性焊丝,用纯氩气保护,焊接参数为:钨极直径2.4mm,直流正极性;填充焊丝直径2.0mm,焊接电压12~14V,焊接电流90-180A,保护气体流量12~20L/min。
(4)填充焊采用900MPa高强高韧性实芯焊丝Ar+CO2混合气体保护多道多层焊,控制层间温度100~150℃,焊接参数为:焊丝直径1.2mm,焊接电压30~33V,焊接电流280~380A,焊接热输入控制在12~20kJ/cm,保护气体流量14~22L/min;焊接过程中严格控制焊接热输入,控制焊接速度,收弧处填满弧坑。
(5)盖面焊采用760MPa高强度钙型碱性药芯焊丝Ar+CO2混合气体保护,焊接参数为:焊丝直径2.0mm,焊接电压24~28V,焊接电流220~360A,焊接热输入控制在12~20kJ/cm,保护气体流量16~22L/min,焊丝伸出长度18~25mm;焊接过程中控制焊接速度,焊后用硅酸铝保温材料覆盖焊接接头区域,使之保温缓慢冷却。
上述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法中,焊前不预热,焊后不进行热处理,焊接过程中须保持连续施焊,中途不得中断焊接。整个焊接过程中注意保持层间温度100~150℃,收弧部位不允许出现弧坑。
其中:步骤(3)中所述“低强匹配”690MPa高韧性焊丝优选直径为2.0mm,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C≤0.12%,Si0.4%~0.8%,Mn1.2%~1.8%,Ni0.5%~1.0%,Cu≤0.35%,Mo0.20%~0.55%,Nb0.02%~0.1%,Ti≤0.20%,余量为Fe;熔敷金属力学性能为:抗拉强度σb≥690MPa,伸长率δ≥18%,-20℃冲击吸收功AKV≥68J。
其中:步骤(3)中所述纯氩气为纯度99.9%Ar的氩气。
其中:步骤(3)中所述填丝氩弧焊所用喷嘴直径优选为12mm,喷嘴到工件距离12mm。
其中:步骤(4)中所述900MPa高强高韧性实芯焊丝优选直径为1.2mm,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C≤0.12%,Si0.4%~0.8%,Mn1.2%~1.9%,(Mn+Ni)≤1.5%,Cu≤0.5%,Nb0.02%~0.1%,余量为Fe;熔敷金属力学性能为:抗拉强度σb≥930MPa,屈服强度σs≥835Pa,伸长率δ≥17%,-20℃冲击吸收功AKV≥68J。
其中:步骤(4)所述Ar+CO2混合气体保护焊采用的Ar与CO2的体积比优选为80%~90%:20%~10%,且两者体积之和为100%。
其中:步骤(5)中所述盖面焊760MPa高强度钙型碱性药芯焊丝优选直径为2.0mm,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C≤0.15%,Si0.6%~0.8%,Mn1.2%~2.2%,Ni1.25%~2.60%,Cr0.2%~0.6%,Mo0.3%~0.6%,V0.02%~0.03%,余量为Fe;熔敷金属力学性能为:抗拉强度σb≥760MPa,屈服强度σs≥680Pa,伸长率δ≥15%,-20℃冲击吸收功AKV≥47J。
焊接接头正面施焊完毕后,翻转试板焊接背面封底焊缝时仍须保持试板温度不低于100℃。焊接背面封底焊缝时须先用电弧气刨挑焊根,手动砂轮打磨清根后,再用80%Ar+20%CO2混合气体保护焊进行封底焊,配用直径2.0mm的760MPa高强度碱性药芯焊丝,焊接参数与正面盖面焊相同。
本发明所述1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法的技术方案是:打底层采用“低强匹配”690MPa高韧性焊丝,用填丝钨极氩弧焊进行焊接;填充层采用900MPa高强高韧性实芯焊丝,用Ar+CO2混合气体保护焊多层多道焊,控制层间温度100~150℃;盖面层采用760MPa高强度碱性药芯焊丝Ar+CO2混合气体保护焊,焊接完成后用硅酸铝保温材料覆盖使之保温缓冷,以防止冷却快、淬硬性大而出现冷裂纹。焊接过程严格控制焊接热量输入不大于20kJ/cm。混合气体保护焊的Ar与CO2的混合比例分比为(80~90)%Ar:(20~10)%CO2。焊前不预热,焊后不进行热处理。
本发明提出的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,克服了现有工艺复杂(需预热、后热等)、生产效率低等不足,可获得表面光洁平整的焊缝,无内部裂纹、夹杂等缺陷。焊缝金属的抗拉强度大于930MPa,试验温度-20℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功为大于47J,具有较高的承载能力,能满足其使用性能要求。热影响区中形成强韧性较好的低碳马氏体和下贝氏体组织,避免了热影响区软化问题。
本发明的技术要点体现在:打底层焊道采用“低强匹配”690MPa高韧性焊丝,提高焊缝根部韧性,增强抗裂性(高强度钢焊接裂纹多产生于焊缝根部,特别是900MPa以上的高强钢)。填充层采用等强匹配900MPa高强高韧性焊丝,保证焊缝的强度和韧性。盖面层采用760MPa碱性药芯焊丝,保证焊缝表面光洁平滑,外观成形美观。焊接过程控制层间温度100~150℃,焊接完成后用硅酸铝保温材料覆盖使焊接区保温缓冷。
本发明提出的在不预热条件下实现1000MPa高强度钢的组合焊接方法,可得到强度和韧性匹配良好的焊接接头,对实现承载结构的轻量化有重要的意义。这种1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,具有生产效率高、结构轻量化、生成成本低、实用性强、适用范围广泛等特点。采用这项技术可以降低生产成本约25%,具有很好的工程应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1:
厚度为20mm的1000MPa高强度钢(Q980)平板对接焊,试板尺寸为300mm×148mm×20mm。焊接试板对接接头处用机械加工方法开双面V形坡口,坡口角度55°,钝边3mm。用手动砂轮打磨坡口及接头处两侧20mm范围内的表面,打磨出金属光泽。焊接设备选用动特性良好的逆变式焊机。采用不预热组合焊接工艺施焊。焊接试板对接装配,用混合气体保护焊690MPa实芯焊丝点固焊。施焊前在焊接试板底下铺垫厚度大于10mm的硅酸铝保温材料。
(1)打底焊采用填丝钨极氩弧焊,填充低匹配690MPa高韧性焊丝,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C0.12%,Si0.4%,Mn1.8%,Ni0.5%,Cu0.35%,Mo0.20%,Nb0.1%,Ti0.20%,余量为Fe,99.9%Ar纯氩气保护,焊接参数为:钨极直径2.4mm,直流正极性;填充焊丝直径2.0mm,焊接电压12V,焊接电流180A,保护气体流量18L/min。喷嘴直径为12mm,喷嘴到工件距离12mm。
(2)填充焊用Ar+CO2混合气体保护焊,采用直径1.2mm的900MPa高强高韧性实芯焊丝,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C0.12%,Si0.4%%,Mn1.9%,Ni0.5%,Cu0.5%,Nb0.02%,余量为Fe,Ar和CO2气体的体积比为85%:15%。在室温25℃的不预热条件下施焊,多层多道连续焊。焊接参数为:焊接电压32V,焊接电流360A,焊接热输入18kJ/cm,保护气体流量20L/min。层间温度150℃。后续焊道施焊时应保持稍高的层温(150℃),使前一焊道对后续焊道起预热作用(也有利于氢的扩散逸出)。收弧处填满弧坑。
(3)采用Ar+CO2混合气体保护焊盖面焊,配用直径2.0mm的760MPa高强度碱性药芯焊丝,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C0.15%,Si0.6%,Mn2.2%,Ni1.25%,Cr0.6%,Mo0.3%,V0.03%,余量为Fe,在试板温度不低于100℃条件下施焊。焊接参数为:焊接电压26V,焊接电流320A,焊接热输入18kJ/cm,焊丝伸出长度22mm;保护气体流量20L/min。
(4)焊接接头正面施焊完毕后,翻转试板焊接背面封底焊缝,保持试板温度150℃。先用电弧气刨挑焊根,手动砂轮打磨清根后,再用80%Ar+20%CO2混合气体保护焊进行封底焊,配用直径2.0mm的760MPa高强度碱性药芯焊丝,其熔敷金属化学成分与(3)中相同,焊接参数与正面盖面焊相同。
(5)焊接完成后立即用硅酸铝保温材料覆盖工件的焊接接头区,使之保温缓冷。
针对上述厚度20mm的1000MPa高强度钢(Q980),采用上述不预热组合焊接工艺的焊接接头外观平整光洁,无表面和根部裂纹等缺陷。获得的焊接接头力学性能为:抗拉强度950MPa,伸长率10%,试验温度0℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功大于69J,能满足使用性能要求。
实施例2:
厚度为14mm的Q890高强钢与Q980高强钢对接焊,试板尺寸为280mm×160mm×14mm。焊接试板对接接头处用机械加工方法开单面V形坡口,坡口角度60°,钝边2mm。用手动砂轮打磨坡口及接头处两侧20mm范围内的表面,打磨出金属光泽。用无水乙醇将打磨后的坡口及表面清洗干净。
(1)焊接设备选用动特性良好的直流逆变式焊机。施焊前在焊接试板底下铺垫厚度大于10mm的硅酸铝保温材料。打底焊采用填丝钨极氩弧焊,填充直径2.0mm“低匹配”690MPa高韧性焊丝,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C0.09%,Si0.8%,Mn1.8%,Ni0.5%,Cu0.30%,Mo0.55%,Nb0.02%,Ti0.10%,余量为Fe,99.9%Ar纯氩气保护,焊接参数为:钨极直径2.4mm,直流正极性;焊接电压12V,焊接电流12A,保护气体流量18L/min。喷嘴直径为12mm,喷嘴到工件距离12mm。
(2)填充焊采用900MPa高强高韧性实芯焊丝,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C0.08%,Si0.8%,Mn1.2%,Ni0.4%,Cu0.3%,Nb0.1%,余量为Fe,85%Ar+15%CO2混合气体保护多道多层焊,控制层间温度100℃,焊接参数为:焊丝直径1.2mm,焊接电压3V,焊接电流280~320A,保护气体流量14L/min;焊接过程中控制焊接热输入在12kJ/cm,控制焊接速度,收弧处填满弧坑。
(3)盖面焊采用80%Ar+20%CO2混合气体保护焊,配用直径2.0mm的760MPa高强度碱性药芯焊丝,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C0.05%,Si0.8%,Mn1.2%,Ni2.60%,Cr0.2%,Mo0.6%,V0.02%,余量为Fe,在试板温度100℃条件下施焊。焊接参数为:焊接电压24V,焊接电流250A,焊接热输入控制在16kJ/cm,焊丝伸出长度20mm;保护气体流量20L/min。
(4)焊接接头正面施焊完毕后,翻转试板焊接背面封底焊缝。先用电弧气刨挑焊根,手动砂轮打磨清根后,用80%Ar+20%CO2混合气体保护焊进行封底焊,配用直径2.0mm的760MPa高强度碱性药芯焊丝,其熔敷金属化学成分与(3)中相同,焊接参数与正面盖面焊相同。
(5)焊接完成后立即用硅酸铝保温材料覆盖工件的焊接接头区,使之保温缓冷,防止接头冷裂纹的萌生。
上述的Q890高强钢与Q980高强异种钢不预热组合焊接中,对接的焊接试板应保持连续施焊,中途不得中断焊接。焊前不预热,焊后不进行热处理。为了防止焊接接头区产生裂纹,在整个焊接过程中保持层间温度100℃,焊接完成后用硅酸铝保温材料覆盖焊接区保温缓冷。焊后接头外观平整光洁,无表面和根部裂纹。试验温度-20℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功大于74J,能满足使用性能要求。
Claims (9)
1.1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,工艺步骤如下:
(1)在待焊工件接头处开双面V形坡口,坡口角度为50°~60°,钝边2~3mm;
(2)打磨坡口及坡口两侧20~30mm的表面,去除铁锈和油污,露出金属光泽,将打磨后的坡口及表面清洗干净;
(3)采用填丝钨极氩弧焊打底焊,填充低强匹配的690MPa高韧性焊丝,用氩气保护,焊接参数为:钨极直径2.4mm,直流正极性;填充焊丝直径2.0mm,焊接电压12~14V,焊接电流90-180A,保护气体流量12~20L/min;
(4)填充焊采用900MPa高强高韧性实芯焊丝Ar+CO2混合气体保护多道多层焊,控制层间温度100~150℃,焊接参数为:焊丝直径1.2mm,焊接电压30~33V,焊接电流280~380A,焊接热输入控制在12~20kJ/cm,保护气体流量14~22L/min;
(5)盖面焊采用760MPa高强度钙型碱性药芯焊丝Ar+CO2混合气体保护,焊接参数为:焊丝直径2.0mm,焊接电压24~28V,焊接电流220~360A,焊接热输入控制在12~20kJ/cm,保护气体流量16~22L/min,焊丝伸出长度18~25mm;焊后用硅酸铝保温材料覆盖焊接接头区域,使之保温缓慢冷却。
2.如权利要求1所述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,焊前不预热,焊后不进行热处理,焊接过程中保持连续施焊;整个焊接过程中保持层间温度100~150℃,收弧部位不出现弧坑。
3.如权利要求1所述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,步骤(3)中所述“低强匹配”690MPa高韧性焊丝,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C≤0.12%,Si0.4%~0.8%,Mn1.2%~1.8%,Ni0.5%~1.0%,Cu≤0.35%,Mo0.20%~0.55%,Nb0.02%~0.1%,Ti≤0.20%,余量为Fe;熔敷金属力学性能为:抗拉强度σb≥690MPa,伸长率δ≥18%,-20℃冲击吸收功AKV≥68J。
4.如权利要求1所述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,步骤(3)中所述填丝氩弧焊所用喷嘴直径为12mm,喷嘴到工件距离12mm。
5.如权利要求1所述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,步骤(4)中所述900MPa高强高韧性实芯焊丝直径为1.2mm,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C≤0.12%,Si0.4%~0.8%,Mn1.2%~1.9%,(Mn+Ni)≤1.5%,Cu≤0.5%,Nb0.02%~0.1%,余量为Fe;熔敷金属力学性能为:抗拉强度σb≥930MPa,屈服强度σs≥835Pa,伸长率δ≥17%,-20℃冲击吸收功AKV≥68J。
6.如权利要求1所述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,步骤(4)所述Ar+CO2混合气体保护焊采用的Ar与CO2的体积比为80%~90%:20%~10%,且两者体积之和为100%。
7.如权利要求1所述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,步骤(5)中所述盖面焊760MPa高强度钙型碱性药芯焊丝直径为2.0mm,其熔敷金属化学成分以质量百分比计为:C≤0.15%,Si0.6%~0.8%,Mn1.2%~2.2%,Ni1.25%~2.60%,Cr0.2%~0.6%,Mo0.3%~0.6%,V0.02%~0.03%,余量为Fe;熔敷金属力学性能为:抗拉强度σb≥760MPa,屈服强度σs≥680Pa,伸长率δ≥15%,-20℃冲击吸收功AKV≥47J。
8.如权利要求1所述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,焊接接头正面施焊完毕后,翻转试板焊接背面封底焊缝时仍保持试板温度不低于100℃。
9.如权利要求1所述的1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法,其特征是,焊接背面封底焊缝时须先用电弧气刨挑焊根,手动砂轮打磨清根后,再用80%Ar+20%CO2混合气体保护焊进行封底焊,配用直径2.0mm的760MPa高强度碱性药芯焊丝,焊接参数与正面盖面焊相同。
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