CN109226933A - 一种大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法，具体针对采用V型坡口的大厚度低合金高强度钢试件、含稀土元素的多层多焊道焊接工艺，包括在焊接有限元软件上选择模拟焊接材料、进行焊接温度场模拟、进行焊接应力场模拟、利用Visual Environment软件对焊道的相变进行模拟分析、确定最终焊接工艺等步骤。本大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法通过Sysweld焊接有限元软件和Visual Environment软件针对大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接生产过程进行耦合模拟来代替大量的试验，能够有效预测焊接接头的质量，可以大大降低成本、提高生产率。

Description

一种大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺的确定方法，具体是一种适用于针对大厚度的如Q345、Q390等低合金高强度钢的多层多焊道焊接工艺的确定方法，属于焊接技术领域。

背景技术

焊接接头是焊件的重要部位，由焊缝、熔合区、热影响区和母材金属组成。当所焊接的焊件不是长直的焊缝时，不能采用埋弧自动焊，需要采用多层多焊道焊条电弧焊的方法。焊接时，为了减少焊接变形，生产中常常减少热输入，但却不易焊透；但如果为了焊透，采用较大的热输入时，却会带来变形增大，焊接过热区晶粒粗大的倾向，降低了熔敷金属的力学性能。

低合金高强度钢是指在低碳钢中添加少量合金化元素使轧制态或正火态的屈服强度超过275MPa的低合金工程结构钢。低合金高强度钢是在碳素结构钢的基础上加入少量的Mn、Si和微量的Nb、V、Ti、Al等合金元素而发展起来的一类工程结构用钢。所谓低合金是指钢中合金元素总量不超过3％，高强度是相对于碳素工程结构用钢而言。低合金高强度钢是利用尽可能少的合金元素获得尽可能高的综合力学性能，以达到满足使用、成本低廉的目的。低合金高强度钢能够满足工程上各种结构(如大型桥梁、压力容器及船舶等)要求承载大，同时又要求减轻结构自重，提高可靠性及节约材料和资源的要求。这类钢主要用来制造各种要求强度较高的工程结构，例如桥梁、船舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。以Q345为例，在Q235钢中仅加入1％Mn就成为Q345钢，而其强度却增加近40％、达345MPa，其综合性能好、低温性能好、冷冲压性能、焊接性能和可切削性能好，广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器、特种设备等。Q345钢板进行焊接时，薄板无需预热，母材厚度在30mm以上则需预热至100℃以上。当母材厚度大于6mm时，还应采用多层甚至多层多道焊道进行焊接，否则将会产生焊不透、裂纹、焊接变形等缺陷。与I型坡口相比，V型坡口可以提高工件的连接强度，更能够恰当地调节熔合比。但由于坡口的不对称性，焊件容易变形，若焊件尺寸过大，由于受热处理炉容量的限制，还会造成焊接后对变形的部件无法进行热处理的问题。保证大厚度的低合金高强度钢的焊接过热区晶粒细小又能焊透的焊接工艺方法，一直是焊接业内人士关注的问题。

使用含稀土元素的专用焊接材料进行焊接虽然可以提高焊接质量，但目前的焊接工艺参数都是通过试验得出的，因此添加稀土元素熔敷金属的焊接工艺参数没有得到理论验证；另外，关于探究稀土元素对熔敷金属影响的试验有很多，也有一些定量的结论，但是没有通过添加稀土元素的焊接试验去验证含有稀土元素的焊接过程可靠性的记载；同时，通过大量的试验确定含稀土元素的焊接工艺参数的最优组合，这使得开发新型焊接材料的成本大大提高，缩小了稀土元素在工业生产中的应用空间。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法，针对采用V型坡口的大厚度低合金高强度钢试件、含稀土元素的多层多焊道焊接工艺，可以在采用V型坡口焊接的前提下实现减少焊接应力和变形焊接、降低焊接过热区晶粒粗大的问题，进而提高大厚度低合金高强度钢的焊接质量。

为实现上述目的，本大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法具体针对采用V型坡口的大厚度低合金高强度钢试件、含稀土元素的多层多焊道焊接工艺，具体包括以下步骤：

步骤一，在焊接有限元软件上选择模拟焊接材料：确定试件的焊接层数和焊道数量后利用Sysweld焊接有限元软件和Visual Environment软件进行最小变形方案的确定和热源模型的选用，在Sysweld软件或Visual Environment软件的焊接工件材料库中选取与低合金高强度钢试件成分相同的材料作为模拟材料，若软件焊接工件材料库中没有对应低合金高强度钢试件的材料、则选取成分相近的材料作为模拟替代材料；

步骤二，进行焊接温度场模拟：根据Visual Environment软件的工艺向导设置焊接电压、电流、外界环境以及夹持点焊接工艺参数作为前处理条件，选择相应的焊机和电弧焊热效率后计算热源的输入热和焊接线能量并输入Visual Environment软件的工艺向导生成多层多道焊中每道的焊接时长与各层之间间隔的冷却时长，焊后不进行热处理，最后根据前处理条件在工艺向导中完整地填写焊接工艺参数进行模拟热循环曲线；

步骤三，进行焊接应力场模拟：利用Sysweld焊接有限元软件用模拟材料进行模拟焊接得到模拟的焊接应力场，若模拟焊接后试件两块母材的翘曲角度大于焊接标准的翘曲角度，则重复进行步骤一和步骤二；

步骤四，利用Visual Environment软件对含稀土元素的熔敷金属的相变进行定量模拟分析：若模拟焊接后试件熔敷金属相变中的铁素体的比例超出焊接标准，则重复进行步骤一和步骤二；

步骤五，确定最终焊接工艺：若步骤三和步骤四均满足焊接标准，则将步骤二中的焊接工艺确定为最终焊接工艺。

步骤二中计算热源的输入热通过以下公式计算

Q＝ηUI＝4050J；

计算焊接线能量q/v通过以下公式计算

q/v＝ηLI/v (kJ/cm)

式中：U—焊接电压(V)；

I—焊接电流(A)；

v—焊接速度(cm/s)；

η—热效率系数。

步骤二中加入的稀土元素种类及百分比为La为0.5％，CeO₂为0.1％。

步骤二中的前处理条件还包括焊后不进行热处理。

与现有技术相比，本大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法具体针对采用V型坡口的大厚度低合金高强度钢试件、含稀土元素的多层多焊道焊接工艺，通过Sysweld焊接有限元软件和Visual Environment软件针对大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接生产过程进行耦合模拟来代替大量的试验，能够对熔敷金属的金相组织的含量进行定量模拟，有效预测焊接接头的质量，而且焊后不进行热处理，解决了大型焊件不易热处理的难题，可以大大降低成本、提高生产率。

附图说明

图1是V形坡口焊道布置示意图；

图2是试件网格模型示意图；

图3是热循环曲线第一条路径的示意图；

图4是热循环曲线第二条路径和第三条路径的示意图；

图5是第一条路径的特征点在整个焊接过程的热循环曲线；

图6是5951秒时试件上表面变形图；

图7是7451秒时试件母材翘起角度图；

图8是珠光体随时间的变化图；

图9是试件焊接熔敷区及过热区的金相组织图。

具体实施方式

随着技术的发展，焊接技术已成为集材料学、力学、冶金学、检验学等学科为一体的综合性学科。

焊接材料直接影响到焊接结构的力学性能，焊接材料的技术含量决定了焊接工业的技术水平。稀土元素被称为21世纪的战略元素，是化学元素周期表中镧系元素以及与镧系的15个元素密切相关的钪(Sc)和钇(Y)共17种元素，称为稀土元素。稀土元素分为轻、重稀土两组或轻、中、重稀土三组。目前市面上已经有含稀土元素的专用焊接材料，与普通焊接材料相比，使用专用材料进行焊接的熔敷金属力学性能得到了极大地提高。近年来，随着计算机计算性能的不断增强，国内外焊接工作者开发出了多种针对焊接过程的有限元计算程序和数值模拟软件。稀土元素的加入使得焊接接头的组织产生了变化，变化的微观组织会使得焊接接头的力学性能产生很大的差异，因此针对含稀土元素的残余应力的焊接数值模拟并不同于使用普通材料的焊接模拟。

本申请就是利用数值模拟软件来模拟生成含稀土元素的焊接工艺参数来提高大厚度低合金高强度钢的焊接质量。

下面以Q345B钢板焊接工艺确定方法为例、结合附图对本发明做进一步说明。

焊接试验所用的母材是Q345B，试板尺寸是300mm×100mm×20mm，两块试板组装成V型坡口，且底部接头相距6mm。试验为多层多道焊，总共有12道焊道，各道的电弧对于焊接变形影响很大，经综合考虑，在Visual Environment软件自带的四种热源模型中选用双椭球热源模型。焊道布置如图1所示，试样采用六层焊接，且每一层的焊道数目都是两道。建立网格模型如图2所示。为了避免焊件焊后尺寸过大无法进行热处理的问题，先设定不进行焊后热处理的前处理条件。

步骤一，在焊接有限元软件上选择模拟焊接材料：

为了减少焊接成本，首先利用Sysweld焊接有限元软件和Visual Environment软件进行最小变形方案的确定。从软件展现出的材料库的内容来看，Sysweld软件提供的材料中没有Q345B，所以，需要在Visual Environment软件材料库找到成分与Q345B相同或者成分相近的材料作为焊接工件材料作为模拟替代材料。选用S355J2G3来替代现有的工件材料Q345B，该两种材料的成分如表1、表2所示。

表1 S355J2G3的成分(％)

表2 Q345B的成分(％)

步骤二，进行焊接温度场模拟：

设置前处理条件，根据Visual Environment软件的工艺向导一步一步地设置加入的稀土元素种类及百分比、焊接电压、电流、外界环境以及夹持点等一系列焊接工艺参数。

焊接试验采用的是型号为WSE-315的逆变交直流氩弧焊机，试验电流在180A上下浮动，电压在30V上下浮动。对焊条电弧焊的热效率(η)取值75％。

热源的输入热为

Q＝ηUI＝4050J

焊接线能量q/v为

q/v＝ηUI/v (kJ/cm)

式中：U—焊接电压(V)；

I—焊接电流(A)；

v—焊接速度(cm/s)；

η—热效率系数。

多层多道焊中每道的焊接时长与各层之间间隔的冷却时长如表3所示。当明确了焊接过程的时间安排以及热输入线能量的数值后，在工艺向导中完整地填写焊接工艺参数。在工艺向导中设置了12条焊道的焊接工艺参数。

表3焊接时间安排表(s)

模拟热循环曲线时，分别在三条路径上选取多组特征点。第一条路径(图3中abcdef线)是焊缝上表面沿焊接方向的中心线；第二条路径(图4中ghi线)在焊缝的横切面上沿高度方向的中心线；第三条路径(图4中jkmn线)是在焊缝的横切面上沿宽度的中心线，此路径与第二条路径垂直。第一条路径在整个焊接过程的热循环曲线如图5所示。

步骤三，进行焊接应力场模拟：

时间t＝5951s时，即焊接过程结束的时候，由于夹持点对其所在约束区域施加了约束，从而阻止了焊接变形的发生，因此焊接变形量为零。从图6可以看出，最大变形发生在母材的边缘处，为1.75mm。之所以在母材边缘处发生最大变形，是因为夹持点的存在使得焊缝区域内的金属及母材边缘处的金属产生不同的变形。如图7所示，直到冷却至7451s时，焊接变形总体特征上没有发生改变，但最大变形量有所增加，为1.9mm，两块母材的翘曲角度为2.48°，符合实际生产的要求。

步骤四，利用Visual Environment软件对第一条焊道(多道焊道形成熔敷金属)的相变进行模拟分析：

如图8所示。随着选择节点温度急剧下降，节点处的相也发生了明显的改变。奥氏体含量最终增加到11％。冷却到室温，变成了珠光体，与此同时，铁素体的比例在焊接过程中几乎保持不变。

步骤五，确定焊接工艺并进行试件焊接：

采用模拟的焊接工艺参数作为焊条电弧焊工艺参数进行焊接。采用焊条电弧焊进行焊接，焊件材料为Q345B，厚为20mm。焊接材料选用直径为4.0mm的含La、CeO₂的钛铁矿型电焊条(在E4301型焊条的焊条药皮中加入稀土La为0.5％，CeO₂为0.1％，焊芯为H08A标准焊芯)，以下称新型E4301型焊条。焊接电流保证在175～185A，按照图1布置焊道。焊层为6，每层2道焊道，一共12道焊道，道间温度控制在110～130℃内。

按照图1装配试件，采用焊条电弧焊点焊V型坡口下部，在焊道206mm长度内均匀电焊4点；所有焊接材料以及焊接部件在焊接前要进行预热处理；预热处理具体为：将新型E4301型焊条在烘箱中加热至350℃，保温2小时后方使用，要避免焊接材料受潮。在定位焊接和V型坡口焊接前，利用氧乙炔焰对焊件进行预热，预热温度为120℃。用气割割除焊件封底附件后，用砂轮磨平该表面，焊接后无需热处理。

在焊接完成后对工件的最终变形结果进行测量。在完成焊接后，焊接工件两端逐渐翘起，以工件与水平面的夹角作为焊接变形的参考量，并把试验中测量得到的角度与模拟结果进行对比。测量可知，生产中工件的最大变形量为2.5°，与模拟的翘曲角度2.48°相吻合。

对熔敷金属及其过热区进行金相取样，依次用500目、1000目、1500目、1800目及2000目的砂纸对所要观察的表面进行打磨，并在抛光机上完成抛光。用5％的硝酸酒精溶液腐蚀，利用BX51M金相分析***对熔敷金属及过热区进行金相观察，如图9所示，过热区晶粒比较细小。

利用ImageJ软件对BX51M金相分析***所拍摄的熔敷金属的照片进行定量分析。得铁素体与珠光体所占比例为87:13。这与软件模拟的相比例结果89:11接近。

由此可见，该种方法不用焊后热处理，降低了生产成本，解决了大型焊件不易热处理的问题。尤其是，通过模拟不仅代替多次试焊、而且对含稀土元素的熔敷金属的金相组织的含量进行了定量模拟，将废品消灭在模拟阶段，避免了多次试焊造成的人力和物力的增加。用大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接方法焊接变形小，焊接过热区晶粒细小，适合容易变形的V型坡口焊件的焊接。该种方法可以用在其他低合金钢、低合金高强度钢中。

Claims (4)

1.一种大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法，其特征在于，具体针对采用V型坡口的大厚度低合金高强度钢试件、含稀土元素的多层多焊道焊接工艺，具体包括以下步骤：

步骤一，在焊接有限元软件上选择模拟焊接材料：确定试件的焊接层数和焊道数量后利用Sysweld焊接有限元软件和Visual Environment软件进行最小变形方案的确定和热源模型的选用，在Sysweld软件或Visual Environment软件的焊接工件材料库中选取与低合金高强度钢试件成分相同的材料作为模拟材料，若软件焊接工件材料库中没有对应低合金高强度钢试件的材料、则选取成分相近的材料作为模拟替代材料；

步骤二，进行焊接温度场模拟：根据Visual Environment软件的工艺向导设置加入的稀土元素种类及百分比、焊接电压、电流、外界环境以及夹持点焊接工艺参数作为前处理条件，选择相应的焊机和电弧焊热效率后计算热源的输入热和焊接线能量并输入VisualEnvironment软件的工艺向导生成多层多道焊中每道的焊接时长与各层之间间隔的冷却时长，最后根据前处理条件在工艺向导中完整地填写焊接工艺参数进行模拟热循环曲线；

步骤三，进行焊接应力场模拟：利用Sysweld焊接有限元软件用模拟材料进行模拟焊接得到模拟的焊接应力场，若模拟焊接后试件两块母材的翘曲角度大于焊接标准的翘曲角度，则重复进行步骤一和步骤二；

步骤四，利用Visual Environment软件对焊道的相变进行模拟分析：若模拟焊接后试件焊道相变中的铁素体的比例超出焊接标准，则重复进行步骤一和步骤二；

步骤五，确定最终焊接工艺：若步骤三和步骤四均满足焊接标准，则将步骤二中的焊接工艺确定为最终焊接工艺。

2.根据权利要求1所述的大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法，其特征在于，步骤二中计算热源的输入热通过以下公式计算

Q＝ηUI＝4050J；

计算焊接线能量q/v通过以下公式计算

q/v＝ηUI/v (kJ/cm)

式中：U—焊接电压(V)；

I—焊接电流(A)；

v—焊接速度(cm/s)；

η—热效率系数。

3.根据权利要求1所述的大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法，其特征在于，步骤二中加入的稀土元素种类及百分比为La为0.5％，CeO₂为0.1％。

4.根据权利要求1所述的大厚度低合金高强度钢多层多焊道焊接工艺确定方法，其特征在于，步骤二中的前处理条件还包括焊后不进行热处理。