CN111055042A - 一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头，其焊缝金属的化学成分按重量百分比包括：C0.005～0.050％，Si0.01～0.30％，Mn2.5～4.5％，Mo0.05‑0.50％，Ni0.1‑1.5％，Ti0.005‑0.050％，B0.0005‑0.0050％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al≤0.02％，并且满足：90≤M≤160，其中M＝425.3[C]+29.5[Mn]+18.7[Ni]+8.2[Mo]；[Ti]/[Al]≥4，[]表示各元素的重量百分比(％)，余量为Fe及不可避免的杂质；焊缝金属中当量圆直径大于0.2μm的夹杂物的数量N(个/mm3)满足：3.0×107≤N≤1.5×108。本发明的焊接接头可采用200KJ/cm以上的大热输入焊接方法焊接而成，焊接接头的抗疲劳性能良好，可用于承受交变载荷的大型构件的焊接。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别是涉及一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头。
背景技术
当前我国基础设施建设处高速发展阶段，高层建筑、大跨度桥梁、大型船舶、海洋平台等工程结构的制造逐渐向大型化方向发展。为提高工程效率，各类大热输入焊接方法在不同的领域得到了广泛应用，如电渣焊适合焊接高层建筑的箱型柱和箱型梁隔板，气电立焊适合焊接大型船体总段的大合拢缝，多丝埋弧焊适合长直焊缝的拼板焊接等。由于大型工程结构在服役过程中，不可避免地会经受承重载荷变化、风、浪等恶劣工况，为提高安全系数，要求其具备较高的疲劳性能，但当前大热输入焊接的焊缝及热影响区组织粗大，使焊接接头成为整个结构中疲劳性能最薄弱部位。
在目前已公开的相关文献技术中，专利CN100430174A公开了一种大量输入热型焊接的焊接接头及其焊接方法，主要通过焊丝中加入大量的硼，焊接时硼扩散至热影响区提高该区域的低温韧性，但未提及焊接接头的疲劳性能，且焊缝金属的碳含量偏高，显著增加了焊接接头的裂纹敏感性。
专利CN109128573A和CN109128585A公开了一种大热输入气电立焊气体保护药芯焊丝，其焊缝金属中铝含量过高，所形成的尺寸较大的氧化铝类脆性夹杂物易成为疲劳裂纹的起源，从而降低焊接接头的疲劳性能。
专利CN103350290A公开了一种用于低温钢板的电渣焊实芯焊丝，侧重于提高焊缝金属的低温韧性，故焊丝中镍含量较高，但未提及焊接接头的疲劳性能，且焊缝金属的碳、镍含量偏高，存在合金元素含量高及抗裂性差的问题。
专利CN103917327A公开了一种可大幅度提高节点板与高强度板的包角焊接部的疲劳强度的焊接接头，通过采用低相变点焊接材料使焊接金属的马氏体相变开始点为350℃以下，低温相变在焊缝表面产生的残余压应力可提高焊接接头的疲劳性能，但低相变点焊接材料存在着合金元素含量高，力学性能和抗裂性不如普通焊接材料的问题，因此没有达到真正实用化的程度。
专利CN102632348A公开了一种提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝，但该焊丝仅用于热输入偏小的氩弧焊或气体保护焊的焊接，且焊接钢板的厚度不大于20mm。此外，该焊丝中贵重合金元素Ni、Cr的含量较高，使焊接成本较高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提出一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头，通过对焊缝金属合理的成分设计，一方面细化了焊缝金属的晶粒尺寸，降低了焊接接头中晶界铁素体的比例，另一方面改变了焊缝中残余应力的状态，以满足大型工程结构在恶劣工况下服役时对疲劳性能的要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开:一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头,采用200KJ/cm以上的大热输入焊接方法焊接而成，所述焊接接头满足：1)、焊缝金属的化学成分按重量百分比由以下组分组成：
C：0.005～0.050％，Si：0.01～0.30％，Mn：2.5～4.5％，Mo：0.05-0.50％，Ni：0.1～1.5％，Ti：0.005～0.050％，B：0.0005～0.0050％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
2)焊缝金属的化学成分满足：90≤M≤160，其中：M＝425.3[C]+29.5[Mn]+18.7[Ni]+8.2[Mo]，[]表示各元素的重量百分比(％)；
3)焊缝金属的化学成分满足：[Ti]/[Al]≥4，其中：[]表示各元素的重量百分比(％)；
4)焊缝金属中当量圆直径大于0.2μm的夹杂物的数量N(个/mm3)满足：3.0×107≤N≤1.5×108。
优选的，焊缝金属的化学成分含有Cr和Cu中的任意一种或两种，所述Cr和Cu按重量百分比含量为0.01～0.30％。
优选的，焊缝金属的化学成分含有Nb和V中的任意一种或两种，所述Nb和V按重量百分比含量为0.002～0.050％。
优选的，焊缝金属的化学成分含有Zr、Mg和Ce中的任意一种或以上，所述Zr、Mg和Ce按重量百分比含量为0.0005～0.0300％。
优选的，所述焊接接头的焊缝及热影响区中晶界铁素体的面积百分比小于15％。
与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明一方面通过Al、Ti和B元素的优化设计，细化了焊缝金属的晶粒尺寸，降低了焊接接头中晶界铁素体的比例，另一方面通过Mn、Ni和Mo元素的合理配比，改变了焊缝中残余应力的状态，延长了大热输入焊接接头在恶劣工况下服役时的疲劳寿命，并提高了大型工程结构的安全性。
(2)本发明焊缝金属贵重合金元素Ni、Mo和Cr等含量较少，可有效降低焊接成本。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头,所述焊接接头满足：1)、焊缝金属的化学成分按重量百分比由以下组分组成：
C：0.005～0.050％，Si：0.01～0.30％，Mn：2.5～4.5％，Mo：0.05-0.50％，Ni：0.1～1.5％，Ti：0.005～0.050％，B：0.0005～0.0050％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
2)焊缝金属的化学成分满足：90≤M≤160，其中：M＝425.3[C]+29.5[Mn]+18.7[Ni]+8.2[Mo]，，[]表示各元素的重量百分比(％)；
3)焊缝金属的化学成分满足：[Ti]/[Al]≥4，其中：[]表示各元素的重量百分比(％)；
4)焊缝金属中当量圆直径大于0.2μm的夹杂物的数量N(个/mm3)满足：3.0×107≤N≤1.5×108。
优选的，焊缝金属的化学成分含有Cr和Cu中的任意一种或两种，所述Cr和Cu按重量百分比含量为0.01～0.30％。
优选的，焊缝金属的化学成分含有Nb和V中的任意一种或两种，所述Nb和V按重量百分比含量为0.002～0.050％。
优选的，焊缝金属的化学成分含有Zr、Mg和Ce中的任意一种或以上，所述Zr、Mg和Ce按重量百分比含量为0.0005～0.0300％。
优选的，所述焊接接头的焊缝及热影响区中晶界铁素体的面积百分比小于15％。
需要说明的是，通过对200KJ/cm以上的气电立焊、多丝埋弧焊及电渣焊的焊接接头进行深入研究发现：由于大热输入焊接时焊缝金属在高温区停留时间较长，且焊后冷却时间t8/5(焊缝金属从800℃冷却至500℃所需的时间)也较长，导致焊缝金属柱状晶晶粒尺寸粗大，焊缝及热影响区在原奥氏体晶界处析出的网状晶界铁素体比例及尺寸较大，从而使疲劳裂纹易在晶界铁素体处萌生并扩展。研究发现夹杂物一方面可作为异质形核剂促进晶内形核，另一方面可抑制奥氏体晶粒长大，因此适当的夹杂物尺寸及数量可调节焊接接头的组织类型，降低晶界铁素体的面积百分比。基于此，本发明规定焊缝金属中[Ti]/[Al]≥4(2)且当量圆直径大于0.2μm的夹杂物的数量N(个/mm3)满足：3.0×107≤N≤1.5×108(3)。通过上述规定，本发明焊接接头同时抑制了疲劳裂纹在铝系夹杂物或晶界铁素体处的萌生及扩展，同时细小的组织也有利于焊接接头强度及韧性的提升。
现有研究表明焊接接头残余应力的状态及分布对疲劳性能有极大影响，本发明人在为了解决上述问题而进行的深入研究发现：合金元素C、Mn、Ni和Mo元素的含量及比例关系与焊接接头残余应力的状态存在相关关系，并通过实验确立了由上述元素的重量百分比组成的函数M。其中M＝425.3[C]+29.5[Mn]+18.7[Ni]+8.2[Mo]，式中，[]表示各元素的重量百分比(％)。进一步，通过对不同M值的焊缝金属进行检验发现，当M值满足90≤M≤160(1)时，一方面焊缝金属中残余应力由拉应力转为压应力，提高了焊接接头的疲劳强度，另一方面将Ni、Mo贵重元素的含量控制在合理的范围内，降低生产成本的同时提高焊缝金属的抗裂性及低温韧性。而M值低于90时，焊缝金属相变温度降低不明显，对应力状态的改善效果有限，M值高于160℃时，恶化了焊接性。
本发明的焊接接头，通过使焊缝金属的化学成分满足上述(1)和(2)式，焊缝金属的夹杂物满足(3)式，以得到一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头，但是如果各元素的含量不在适当的范围内，仍不能实现上述目的。因此本发明的焊接接头，除了满足上述(1)、(2)和(3)式外，各元素的含量须处于以下所述的适当范围内。
以下对各元素的含量分别进行说明。
C：是焊缝金属中的重要元素之一，对提高强度具有显著作用，同时可降低焊缝金属的相变温度，改善焊接接头的应力状态。C含量过低则焊缝金属相变温度降低不明显，含量过高会恶化焊接性，增加冷裂倾向。因此，C含量的范围宜控制在0.005～0.050％。
Si：是焊接过程中的主要脱氧元素。Si含量过低则脱氧不充分导致焊缝中氧含量过高，恶化其冲击韧性，含量过高会显著促进魏氏体组织和侧板条铁素体的生成，恶化其疲劳性能。因此，Si含量的范围宜控制在0.01～0.30％。
Mn：是焊缝金属中的重要强化元素，同时可降低焊缝金属的相变温度，改善焊接接头的应力状态。Mn含量过低则焊缝金属相变温度降低不明显，含量过高则使焊缝金属强度过度升高。因此，Mn含量的范围宜控制在2.5～4.5％。
Mo：是焊缝金属中的重要强化元素，同时可降低焊缝金属的相变温度，改善焊接接头的应力状态。Mo含量过低则焊缝金属相变温度降低不明显，含量过高则增加淬透性及冷裂倾向。因此，Mo含量的范围宜控制在0.05～0.50％。
Ni：是焊缝金属中提高韧性的重要元素，同时可降低焊缝金属的相变温度，改善焊接接头的应力状态。Ni含量过低则焊缝金属相变温度降低不明显，含量过高则焊缝金属的抗热裂性下降且焊接成本增加。因此，Ni含量的范围宜控制在0.1～1.5％。
Ti：是焊缝金属中重要的微合金元素，Ti的氧化物可促进晶内针状铁素体形核，细化了焊缝有效晶粒尺寸，使焊缝强韧性、疲劳性能同步提升。Ti含量过低则焊缝金属中夹杂物数量有限，不利于晶内铁素体形核，含量过高则焊缝金属夹杂物数量偏多，使韧性恶化。因此，Ti的含量宜控制在0.005～0.050％。
B：是焊缝金属中重要的微合金元素，B在奥氏体晶界偏聚可抑制晶界铁素体的形核，提高疲劳性能。B含量过低则抑制晶界铁素体形核的效果不明显，含量过高则易形成粗大贝氏体，恶化韧性。因此，B的含量宜控制在0.0005～0.0050％。
P、S：是焊缝金属中的杂质元素，对焊缝的低温韧性不利。因此，P含量的范围宜控制在≤0.015％，S含量的范围宜控制在≤0.010％。
Al：是焊缝金属中重要的脱氧元素，Al含量过低则焊缝脱氧不足，含量过高则增加钢中铝系夹杂物数量，恶化盘条的疲劳性能。因此，Al含量宜控制在≤0.02％。
Cr、Cu：是焊缝金属中主要的强化元素，可根据需要添加。Cr、Cu含量过低则焊缝金属强度不足，含量过高则恶化焊接性。因此，Cr、Cu含量的范围宜控制在0.01～0.30％。
Nb、V：是焊缝金属中重要的微合金元素，可细化焊缝组织提高疲劳性能，可根据需要添加。Nb、V含量过低则细化组织效果有限，含量过高则恶化焊缝韧性。因此，Nb、V含量的范围宜控制在0.002～0.050％。
Zr、Mg及Ce：是焊缝金属中重要的微合金元素，其氧化物可促进晶内针状铁素体形核，细化了焊缝有效晶粒尺寸，使焊缝强韧性、疲劳性能同步提升，可根据需要添加。Zr、Mg及Ce含量过低则焊缝金属中夹杂物数量有限，不利于晶内铁素体形核，含量过高则焊缝金属夹杂物数量偏多，使韧性恶化。因此，Zr、Mg及Ce含量的范围宜控制在0.0005～0.0300％。
实施例：采用热输入200KJ/cm以上的焊接方法如气电立焊、电渣焊及多丝埋弧焊等得到大热输入焊接接头，其焊缝金属的化学成分见表1。
对于上述焊接接头，由焊缝金属的化学成分计算的M值、[Ti]/[Al]、当量圆直径大于0.2μm的夹杂物的数量N、晶界铁素体的面积百分比及焊接接头的机械性能、疲劳寿命见表2。
其中，当量圆直径大于0.2μm的夹杂物的数量N的测定方法如下：采用扫描电子显微镜，在1500放大倍数下，随机选取60个视场，视场总面积为2.38×105μm2，包含夹杂物数量≥1620个；通过Smart SEM软件对视场中夹杂物的尺寸进行逐个分析；夹杂物数量N依据公式N＝Ns×(1/d0)×(1+σ/d0)由面密度Ns转换而来，其中d0为夹杂物平均直径，σ为标准偏差，Ns为Smart SEM软件统计的单位面积内夹杂物的数量。
晶界铁素体的面积百分比的测定方法如下：采用金相显微镜，在200放大倍数下，随机选取5个视场拍摄焊缝金属或焊接粗晶区组织，并采用图像处理软件测定晶界铁素体的面积百分比。
疲劳寿命的测定方法如下：采用高频疲劳试验机进行三点弯曲疲劳试验，最大应力为0.5σb(σb为焊接接头的抗拉强度)，应力比为0.1，测试材料发生疲劳断裂时的循环次数，即疲劳寿命。
实施例1-8采用本发明所述的焊缝金属并满足本发明所述的各项条件，可知其疲劳性能及低温韧性等均良好。
对比例1-4中部分元素的含量或各项条件不在本发明的范围内，可知其疲劳性能及低温韧性等均出现恶化。
表1
表2
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。
本发明至少具有如下有益效果：
(1)本发明一方面通过Al、Ti和B元素的优化设计，细化了焊缝金属的晶粒尺寸，降低了焊接接头中晶界铁素体的比例，另一方面通过Mn、Ni和Mo元素的合理配比，改变了焊缝中残余应力的状态，延长了大热输入焊接接头在恶劣工况下服役时的疲劳寿命，并提高了大型工程结构的安全性。
(2)本发明焊缝金属贵重合金元素Ni、Mo和Cr等含量较少，可有效降低焊接成本。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头,采用200KJ/cm以上的大热输入焊接方法焊接而成，其特征在于：所述焊接接头满足：1)、焊缝金属的化学成分按重量百分比由以下组分组成：
C：0.005～0.050％，Si：0.01～0.30％，Mn：2.5～4.5％，Mo：0.05-0.50％，Ni：0.1～1.5％，Ti：0.005～0.050％，B：0.0005～0.0050％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al≤0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
2)焊缝金属的化学成分满足：90≤M≤160，其中：M＝425.3[C]+29.5[Mn]+18.7[Ni]+8.2[Mo]，[]表示各元素的重量百分比(％)；
3)焊缝金属的化学成分满足：[Ti]/[Al]≥4，其中：[]表示各元素的重量百分比(％)；
4)焊缝金属中当量圆直径大于0.2μm的夹杂物的数量N(个/mm3)满足：3.0×107≤N≤1.5×108。
2.根据权利要求1所述的一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头，其特征在于：焊缝金属的化学成分含有Cr和Cu中的任意一种或两种，所述Cr和Cu按重量百分比含量为0.01～0.30％。
3.根据权利要求1所述的一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头，其特征在于：焊缝金属的化学成分含有Nb和V中的任意一种或两种，所述Nb和V按重量百分比含量为0.002～0.050％。
4.根据权利要求1所述的一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头，其特征在于：焊缝金属的化学成分含有Zr、Mg和Ce中的任意一种或以上，所述Zr、Mg和Ce按重量百分比含量为0.0005～0.0300％。
5.根据权利要求1所述的一种疲劳性能优异的大热输入焊接接头，其特征在于：所述焊接接头的焊缝及热影响区中晶界铁素体的面积百分比小于15％。
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