CN105127557B - 低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺 - Google Patents

低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，包括焊接方法及焊接材料的选择，焊接过程对各焊接工艺参数的选择与控制，本发明是采用二氧化碳气体保护焊打底，埋弧焊填充和盖面的方法进行焊缝预制焊缝；并采用二氧化碳气体保护焊进行返修焊接的工艺方法，通过合理的选择焊接材料，科学的控制焊接参数，解决了焊缝冷却速度过快和温度过高造成的焊缝及热影响区抗裂韧性变差的问题，达到了大厚钢板免除焊后热处理对接头韧性的要求，成功实现了服役温度在0℃及以上的50‑110mm厚的D36‑Z35级海洋工程大厚钢板返修焊接后免除焊后热处理的工序，简化了生产流程，缩短了生产周期，降低了成本。

Description

低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺
技术领域
本发明涉及一种焊接技术领域，特别是低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺。
背景技术
随着海洋石油开发技术的不断发展,海洋平台、导管架、浮式生产储油船等大型海洋设备所使用的钢板越来越厚，对钢材的要求越来越高。海洋平台是一种典型的大型焊接工程结构,其结构复杂，母材厚度大，焊接要求高，大部分的厚板预制焊接可以使用免除焊后热处理的焊接工艺进行施工，大大减少生产需要时间和成本，但是，在实际生产过程中，大厚板的焊接缺陷的出现是不可避免的，在对这些缺陷进行焊接返修的过程中也常常出现接头的组织性能劣化,由此产生高数值焊接残余应力甚至缺陷,使返修焊接区域成为整个平台结构中最薄弱的部位。保证返修焊接接头的性能，改善其低温断裂韧性,是保证海洋平台安全运行的重要因素。现阶段不少企业在焊接返修时采用了焊条电弧焊(SMAW)，且普遍使用焊后热处理的方法来改善大厚板返修焊接接头的韧性。然而焊后热处理这一工序，不仅需要电加热柜、加热片、保温棉等，耗费大量人力物力，工期长，成本高，而且高强度钢焊后热处理所得接头的韧性值大多比未处理状态要低。因此，对厚钢板返修焊接接头来说，更为经济可取的方法是通过选择恰当的焊接材料、焊接方法，并运用CTOD试验验证技术，调整优化焊接工艺，来保证返修焊接接头的韧性，以免除焊后热处理工序。这对缩短海洋平台结构的制造周期,降低制造成本意义重大。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供本发明主要针对海洋工程大厚钢板返修焊接后需要进行焊后热处理工序这一问题，发明了一种采用二氧化碳气体保护焊打底，埋弧焊填充和盖面的方法进行焊缝预制焊缝；并采用二氧化碳气体保护焊进行返修焊接的工艺方法，通过合理的选择焊接材料，科学的控制焊接参数，最终达到了大厚钢板免除焊后热处理对接头韧性的要求，成功实现了服役温度在0℃及以上的50-110mm厚的GB 712-2011DH36级海洋工程大厚钢板返修焊接后免除焊后热处理的工序。
为了实现上述目的，本发明所设计的低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，其特征在于：该返修工艺包括以下步骤：首选，焊接方法和焊接材料的选择，对DH36母材进行预制焊缝：经过焊材试验选用二氧化碳气体保护焊打底，焊接选用药芯焊丝；埋弧焊填充和盖面，经过焊材焊丝选用高纯净度的低合金钢焊丝，配用焊剂为与焊丝厂家推荐的配套氟碱型烧结焊剂；以及进行返修焊缝：采用二氧化碳气体保护焊进行返修焊接，经过焊材试验筛选出合适的药芯焊丝；
其次，对焊接工艺参数的选择，上述的埋弧焊主要参数设置为：焊丝直径4mm，电流560～630A，电压27～33V，焊接速度397～648mm/min，焊接热输入1.0KJ/mm-3.0KJ/mm；上述的二氧化碳保护焊的焊接参数为：焊丝参数1.4mm，电流180～230A，电压23～27V，焊接速度为174～238mm/min，焊接热输入1.3J/mm～1.7J/mm；
在该预制焊缝焊接过程对温度的控制，预热和层间温度控制在：预制焊缝焊接110℃-198℃，对电流、电压和焊接速度的控制，使线能量总体分布在1.0KJ/mm-3.0KJ/mm之间；
过48小时后进行无损探伤，该无损探伤方式包括但不限定于：磁粉探伤和超声波探伤；
返修焊缝：采用二氧化碳气体保护焊进行返修焊接，其参数如下：焊丝参数1.4mm，电流190～270A，电压22～28V，焊接速度为94～266mm/min，焊接热输入1.0J/mm～2.5J/mm，预热和层间温度控制在115℃-200℃；
对于返修焊接时采用两种焊接坡口形式：采用气刨V型坡口及采用K型坡口形式对接焊；
过48小时后再次进行无损探伤，该无损探伤方式包括但不限定于：磁粉探伤和超声波探伤。
优选地，所述的预制和返修焊缝其采用钢板材，钢板才厚度为50-100mm，返修厚度为50-100mm，能涵盖绝大部分常规海洋工程用厚板。
优选地，所述的预制和返修焊缝K型坡口时，保持焊接过程中的电流、电压和焊接速度的一致性，以保证直边的完整性，便于热影响区CTOD试样的制取。
优选地，所述的预制焊缝其焊前，焊剂要在300℃-350℃烘干大约2小时；二氧化碳气体保护焊送气量足:15-25L/min。
优选地，所述的预制和返修焊缝过程中应计算线能量，保证二氧化碳气体保护焊热输入在1.3-1.7KJ/mm，埋弧焊热输入在1.7-3.0KJ/mm。
优选地，对DH36母材进行返修焊接，其所得焊缝和热影响区在0℃时的CTOD试验值≥0.15mm。
本发明得到的低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，具有以下优点：1、返修焊接方法采用二氧化碳气体保护焊，适用现场坡口形式和焊接位置多变的情况，提高了生产效率，降低了劳动强度。
2、进行了0℃温度的CTOD试验，填补了海洋工程造船行业DH36级厚钢板返修CTOD试验的空白，环境温度0℃以上的DH36级50-110mm的厚板可以完全采用此返修工艺焊接，而不需要对焊缝进行焊后热处理，节省了人力物力，提高了生产效率，降低了成本，节能环保，获得了巨大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明预制焊缝“X”型坡口示意图；
图2是本发明返修焊缝“V”型坡口示意图；
图3是本发明返修焊缝“K”型坡口示意图；
图中：预制焊缝1、2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例：
如图1至图3所示，本发明提供的低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，本发明采用DH36母板材，钢板厚度100mm,返修厚度为100mm(K型坡口为100mm，V型坡口深为75mm)，为现有项目最大的实际板厚，属于超厚钢板的焊接与返修。该材料具有强度高、韧性优良、焊接特性好等优点。在海洋工程、造船等行业具有广泛的应用。试验板预制焊缝采用X型坡口形式对接焊，焊接方法为二氧化碳气体保护焊打底，埋弧焊填充和盖面；返修焊接时采用两种焊接坡口形式：1、采用气刨V型坡口(参见图2)用于焊缝中心的CTOD试验；2、采用K型坡口形式对接焊(参见图3)用于热影响区的CTOD试验，焊接方法为二氧化碳气体保护焊打底、填充和盖面。经过技术人员对焊材商的考察和多次初步试验，首选，焊接方法和焊接材料的选择，预制焊缝：经过焊材试验选用二氧化碳气体保护焊打底，焊接选用药芯焊丝；埋弧焊填充和盖面，经过焊材焊丝选用高纯净度的低合金钢焊丝，配用焊剂为与焊丝厂家推荐的配套氟碱型烧结焊剂；返修焊缝：采用二氧化碳气体保护焊进行返修焊接，经过焊材试验筛选出合适的药芯焊丝；具体的可以是预制焊缝：可以选用直径为Φ1.4mm的药芯焊丝打底，药芯焊丝可以选用市场上药芯焊丝FORMULA XL-550(H4)，填充和盖面可以选用直径Φ4.0mm的埋弧焊丝OE-SD3，配用焊剂为配用焊剂为氟碱型烧结焊剂。返修焊接选用直径Φ1.4mm的药芯焊丝FORMULA XL-550(H4)。
1.下料
按钢板的材质证书去料厂找到对应的钢板，根据加工图切割加工出试板，下料过程中有第三方船级社见证并打钢印。
2.对焊工进行培训。
培训过程中的参数要仔细调整并记录；(电流/电压/焊速/保护气体流速)过程中一定要计算线能量，有偏差要及时与焊工进行沟通并调整参数。
表1 埋弧焊的典型焊接参数
焊丝直径(mm) 电流(A) 电压(V) 焊接速度(mm/min)
4.0 600 31 500
表2 二氧化碳气体保护焊(返修)的典型焊接参数
位置 焊丝直径(mm) 电流(A) 电压(V) 焊接速度(mm/min)
2G 1.4 280 29 380
3G 1.4 240 25 200
3.试板加工完成并检验尺寸合格后进行试件装配(加上足够厚的马板及较长的引弧板)，装配好后再次检查试板装配尺寸是否合格。引弧板长140mm，厚度与母材等厚。
4.试板组对好后,通知第三方并进行原始焊缝第一面焊接，焊接过程应严格控制以下几点:
a.焊前,注意焊剂要在300℃-350℃烘干大约2小时；二氧化碳气体保护焊送气量足:15-25L/min。
b.预热温度和层间温度,不低于110℃,不高于200℃，测温距离为75mm外；断焊后，重新预热的温度应不低于正式施焊预热温度。
c.过程中随时计算线能量，确保其完全熔合，而且不会热输入量过大，尽量保证二氧化碳气体保护焊热输入在1.3-1.7KJ/mm左右，埋弧焊热输入在1.7-3.0KJ/mm左右。
d.注意每焊完一道,打磨到没有夹渣。
e.中间出意外停顿的话，一定要将接头打磨干净。
f.注意量一下焊完二氧化碳气体保护焊后，焊层表面与试板表面的距离。以为后续的背面根部处理提供数据依据。
5.一面焊接完成后，直至其冷却至30℃左右后，卸掉马板，气刨到一定的深度，再进行打磨，并把坡口扩成U型或者半U型，在气刨和打磨K型坡口时，一定要注意保住直边的完整性。
6.进行第二面的焊接。焊接第二面，注意的事项与第一面焊的类似。
7.完全焊完后，过48小时以后进行无损探伤，由于板厚较厚，进行磁粉探伤和超声波探伤。
8.无损探伤合格后，通过切割、气刨、打磨等方式制备返修焊接接头。
返修时组对及焊接的注意事项与原始焊接类似，但是还要特别注意以下几点:
预热温度及层间温度，不低于115℃，不高于200℃。
返修过程中二氧化碳气体保护焊热输入尽量控制在1.0-2.5KJ/mm左右。
背部清根时，要保证完全去除根部缺陷，清根深度至少为5mm。
9.返修焊接完成后，过48小时以后进行无损探伤，探伤类型与原焊缝相同。
10.探伤合格后对试件进行标记和切割。
11.机械性能试验试件加工。
12.进行力学性能试验和CTOD试验。
实验结果
1.普通力学性能试验结果如下表(表3、表4、表5、表6、表7、表8)
a.2G位置
表3 2G位置横向拉伸试验
试样编号 抗拉强度(N/mm2)
QPJ13-034-T3 511
QPJ13-034-T4 553
QPJ13-034-T5 519
QPJ13-034-T6 504
QPJ13-034-T7 520
QPJ13-034-T8 536
QPJ13-034-T9 534
QPJ13-034-T10 547
表4 2G位置全焊缝拉伸试验
试样编号 屈服强度(N/mm2) 拉伸强度(N/mm2) 延伸率％
QPJ13-034-T1 561 605 27.5
表5 2G位置夏比V型缺口冲击试验
注：试样尺寸：10mm*10mm*55mm试验温度：-20℃
b.3G位置
表6 3G位置横向拉伸试验
试样编号 抗拉强度(N/mm2)
QPJ13-035-T3 523
QPJ13-035-T4 529
QPJ13-035-T5 551
QPJ13-035-T6 540
QPJ13-035-T7 520
QPJ13-035-T8 524
QPJ13-035-T9 525
QPJ13-035-T10 559
表7 3G位置全焊缝拉伸试验
试样编号 屈服强度(N/mm2) 拉伸强度(N/mm2) 延伸率％
QPJ13-035-T1 529 584 24.5
表8 3G位置夏比V型缺口冲击试验
注：试样尺寸：10mm*10mm*55mm试验温度：-20℃
3.CTOD试验结果如下表(表9、表10)
表9 2G位置CTOD试验(0℃)
表10 3G位置CTOD试验(0℃)
按照本发明实施过程进行焊接工艺评定试验或现场生产施工，即可得到满足免除焊后热处理要求的合格焊接接头。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其架构形式能够灵活多变，只是做出若干简单推演或替换，都应当视为属于由本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，其特征在于：该返修工艺包括以下步骤：首选，焊接方法和焊接材料的选择，对DH36母材进行预制焊缝：选用二氧化碳气体保护焊打底，焊接选用药芯焊丝；埋弧焊填充和盖面，焊丝选用高纯净度的低合金钢焊丝，配用焊剂为氟碱型烧结焊剂；以及进行返修焊缝：采用二氧化碳气体保护焊进行返修焊接；
其次，对焊接工艺参数的选择，上述的埋弧焊主要参数设置为：焊丝直径4mm，电流560～630A，电压27～33V，焊接速度397～648mm/min，焊接热输入1.0KJ/mm-3.0KJ/mm；
上述的二氧化碳保护焊的焊接参数为：焊丝参数1.4mm，电流180～230A，电压23～27V，
焊接速度为174～238mm/min，焊接热输入1.3KJ/mm～1.7KJ/mm；
在该预制焊缝焊接过程对温度的控制，预热和层间温度控制在：预制焊缝焊接110℃-198℃，对电流、电压和焊接速度的控制，使线能量总体分布在1.0KJ/mm-3.0KJ/mm之间；
过48小时后进行无损探伤，该无损探伤方式包括但不限定于：磁粉探伤和超声波探伤；
返修焊缝：采用二氧化碳气体保护焊进行返修焊接，其参数如下：焊丝参数1.4mm，电流190～270A，电压22～28V，焊接速度为94～266mm/min，焊接热输入1.0KJ/mm～2.5KJ/mm，预热和层间温度控制在115℃-200℃；
对于返修焊接时采用两种焊接坡口形式：采用气刨V型坡口及采用K型坡口形式对接焊；
过48小时后再次进行无损探伤，该无损探伤方式包括但不限定于：磁粉探伤和超声波探伤；
所述的预制和返修焊缝K型坡口时，保持焊接过程中的电流、电压和焊接速度的一致性，以保证直边的完整性，便于热影响区CTOD试样的制取。
2.根据权利要求1所述的低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，其特征在于：所述的预制和返修焊缝其采用钢板材，钢板厚度为50-110mm，返修厚度为50-110mm。
3.根据权利要求1或2所述的低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，其特征在于：所述的预制和返修焊缝在其焊前，焊剂要在300℃-350℃烘干大约2小时；二氧化碳气体保护焊送气量足:15-25L/min。
4.根据权利要求1或2所述的低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，其特征在于：所述的预制和返修焊缝过程中应计算线能量，保证二氧化碳气体保护焊热输入在1.3-1.7KJ/mm，埋弧焊热输入在1.7-3.0KJ/mm。
5.根据权利要求3所述的低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，其特征在于：所述的预制和返修焊缝过程中应计算线能量，保证二氧化碳气体保护焊热输入在1.3-1.7KJ/mm，埋弧焊热输入在1.7-3.0KJ/mm。
6.根据权利要求1所述的低温环境下海洋工程大厚钢板的药芯气体保护焊返修工艺，其特征在于：对DH36母材进行返修焊接，其所得焊缝和热影响区在0℃时的CTOD试验值≥0.15mm。
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