1000MPa高强度钢不预热组合焊接方法
【专利摘要】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。
【专利说明】10OOMPa高强度钢不预热组合焊接方法
【技术领域】
[0001]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IOOOMPa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】
[0002]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IOOOMPa的低合金高强度钢越来越受到人们的关注，其中IOOOMPa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。
[0003]IOOOMPa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IOOOMPa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。
[0004]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IOOOMPa高强度钢的焊接。目前针对IOOOMPa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IOOOMPa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】
[0005]本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种IOOOMPa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+C02混合气体保护焊，盖面层采用760MPa药芯焊丝Ar+C02混合气体保护焊；焊接过程控制层间温度100?150°C，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IOOOMPa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°C条件下的冲击吸收功大于47J，可满足其使用要求。
[0006]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0007]IOOOMPa高强度钢不预热组合焊接方法,工艺步骤如下:[0008](I)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;
[0009](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；
[0010](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。
[0011](4)填充焊采用900MPa高强高韧性实芯焊丝Ar+C02混合气体保护多道多层焊，控制层间温度100~150°C，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。
[0012](5)盖面焊采用760MPa高强度钙型碱性药芯焊丝Ar+C02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。
[0013]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°C，收弧部位不允许出现弧坑。
[0014]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%, Mnl.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σ b≥690MPa，伸长率δ≥18%, _20°C冲击吸收功Akv≥68J。
[0015]其中:步骤(3)中所述纯氩气为纯度99.9%Ar的氩气。
[0016]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。
[0017]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%, Mnl.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σ b≥930MPa,屈服强度σ s≥835Pa，伸长率δ≥17%，_20°C冲击吸收功Akv≥68J。
[0018]其中:步骤(4)所述Ar+C02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%。
[0019]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%，Mnl.2%~2.2%，Nil.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σ b≥760MPa，屈服强度σ s≥680Pa，伸长率δ≥15%, _20°C冲击吸收功Akv≥47J。
[0020]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10(TC。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%C02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。[0021]本发明所述IOOOMPa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+C02混合气体保护焊多层多道焊，控制层间温度100?150°C ;盖面层采用760MPa高强度碱性药芯焊丝Ar+C02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)%C02。焊前不预热，焊后不进行热处理。
[0022]本发明提出的IOOOMPa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°C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。
[0023]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°C，焊接完成后用硅酸铝保温材料覆盖使焊接区保温缓冷。
[0024]本发明提出的在不预热条件下实现IOOOMPa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IOOOMPa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】
[0025]下面结合实施例对本发明进一步说明。
[0026]实施例1:
[0027]厚度为20mm的IOOOMPa高强度钢(Q980)平板对接焊，试板尺寸为300mmX 148mmX 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3_。用手动砂轮打磨坡口及接头处两侧20_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IOmm的硅酸铝保温材料。
[0028](I)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%, Mnl.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。
[0029](2)填充焊用Ar+C02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%%，Mnl.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°C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°C。后续焊道施焊时应保持稍高的层温(150°C )，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。
[0030](3)采用Ar+C02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%，Nil.25%，Cr0.6%, Mo0.3%, V0.03%，余量为Fe，在试板温度不低于100°C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/
mirio
[0031](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°C。先用电弧气刨挑焊根，手动砂轮打磨清根后，再用80%Ar+20%C02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。
[0032](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。
[0033]针对上述厚度20mm的IOOOMPa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°C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。
[0034]实施例2:
[0035]厚度为14mm的Q890高强钢与Q980高强钢对接焊，试板尺寸为280mmX 160mmX 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2_。用手动砂轮打磨坡口及接头处两侧20_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。
[0036](I)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IOmm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%，Mnl.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。
[0037](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%, Mnl.2%, Ni0.4%, Cu0.3%, Nb0.1%，余量为 Fe, 85%Ar+15%C02 混合气体保护多道多层焊，控制层间温度100°C，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。
[0038](3)盖面焊采用80%Ar+20%C02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%, Mnl.2%, Ni2.60%，Cr0.2%, Mo0.6%, V0.02%，余量为Fe，在试板温度100°C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/min0
[0039](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%C02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。
[0040](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。
[0041]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°c，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°C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。
【权利要求】
1.1OOOMPa高强度钢不预热组合焊接方法，其特征是，工艺步骤如下: (I)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+C02混合气体保护多道多层焊，控制层间温度100~150°C，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+C02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°C，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%, Mnl.2% ~L 8%, Ni0.5% ~L 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ob≤690MPa，伸长率δ≤18%，_20°C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%, Mnl.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σ b≤930MPa,屈服强度σ s≤835Pa，伸长率δ≤17%，-20°C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+C02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%,Mnl.2% ~2.2%, Nil.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σ b≤760MPa,屈服强度σ s≤680Pa，伸长率δ≤15%, _20°C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°C。
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%C02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。
【文档编号】B23K28/02GK103862184SQ201410125452
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】李亚江, 刘坤 申请人:山东大学