一种低合金超高强钢Q1100E薄板的GMAW焊接方法与流程

本发明属于熔化极气体保护焊接（gmaw）技术领域，特别是涉及一种低合金超高强钢q1100e薄板的gmaw焊接方法。

背景技术：

面对日趋严重的环境、资源、能源、成本等问题，大型化、轻量化、高效能化的绿色制造道路成为发展方向，屈服强度在1100mpa及以上级别的低合金超高强钢的市场需求不断扩大，如大吨位汽车起重机、重载履带式起重机、大型混凝土泵车等。但随着钢板强度的增加，焊接难度增大，焊接接头常出现冷裂纹、强度显著下降、冲击韧性恶化、冷弯开裂等现象，严重制约着低合金超高强度钢的推广使用。

中国专利cn102441727b公布了一种调质低合金高强钢q960e的气体保护焊接方法，钢板厚度为8~30mm。对焊后，焊接接头具有良好的强韧性和冷弯性能：d=6a，冷弯180°合格、-40℃冲击韧性≥27j。

中国专利cn105522262b公布了一种屈服强度1100mpa级低合金超高强钢的焊接方法，使焊接接头在保证强度的同时不产生冷裂纹，但8mm厚度钢板对焊后，热影响区（距熔合线0.5mm）的0℃冲击功仅32j，且未检测其冷弯性能。

中国专利cn105598596b公布了一种抗拉强度1200mpa高强度钢不预热组合焊接方法，该方法在打底、填充、盖面及封底焊接时，使用不同型号和级别的焊丝，尽管母材抗拉强度允许≥1200mpa，但对接接头的抗拉强度仅780mpa。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低合金超高强钢q1100e薄板的gmaw焊接方法，钢板厚度8~12mm，采用v型坡口对接，单面焊双面成型，通过严格控制预热温度、层间温度、热输入量、焊后消氢处理等工艺，保证焊接接头抗拉强度≥1000mpa；d=6a，180°面弯和背弯均合格；焊缝、熔合区、热影响区-40℃冲击功≥27j。

本发明的技术方案：

一种低合金超高强钢q1100e薄板的gmaw焊接方法，钢的化学组成重量百分比为：c=0.15~0.20，si=0.10~0.30，mn=0.80~1.20，p≤0.015，s≤0.003，al=0.02~0.05，nb=0.01~0.02，v=0.03~0.06，ti=0.008~0.020，cr=0.10~0.30，mo=0.50~0.80，ni≤0.50，b=0.0015~0.004，且cev=c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(ni+cu)/15=0.52~0.56，余量为fe和不可避免的杂质；所述钢板厚度为8~12mm，其屈服强度≥1100mpa，抗拉强度≥1300mpa，延伸率≥15%，-40℃冲击功≥27j；采用980mpa高强钢焊丝，进行相同板厚组合对接，具体步骤包括：

（1）坡口加工：开v型坡口，坡口角度为60±5°，不钝边；

（2）预处理：使用手动砂轮片打磨清理坡口，去除氧化铁皮和铁屑，并将坡口两侧25mm内的表面铁锈和油污清除干净；控制焊接接头组对间隙为2~3mm，并在试板两端用引弧板、熄弧板固定；

（3）施焊：采用单面焊双面成型的方法进行gmaw焊接，保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体，气体流量为18~22l/min，其中氩气体积百分比为75~85%，二氧化碳体积百分比为15~25%；施焊前对试板进行180~200℃的预热；施焊时采用直流反接，依次进行热输入量为12~13kj/cm的打底焊、1~2道热输入量为7~8kj/cm的填充焊以及热输入量为10~12kj/cm的盖面焊；填充焊和盖面焊前控制层间温度110~130℃；控制焊缝余高为1~2mm；

（4）焊后消氢处理：施焊结束后，将试板进行保温处理，控制试板温度在100℃以上的冷却时间≥4h；

（5）焊缝余高处理：采用机械方法去除焊缝余高，并使用手动砂轮片将焊缝打磨平整、光滑，刨削或打磨时沿着焊接方向进行。

进一步地，上述步骤（3）中的工艺参数优化：

涉及的打底焊焊接工艺参数为：焊接电压为21~23v，焊接电流为180~210a，焊接速度为18~22cm/min；

涉及的填充焊焊接工艺参数为：焊接电压为18~21v，焊接电流为150~180a，焊接速度为24~28cm/min；

涉及的盖面焊焊接工艺参数为：焊接电压为23~26v，焊接电流为210~240a，焊接速度为28~32cm/min。

优选地，所述980mpa高强钢焊丝，直径为1.2mm，其熔敷金属力学性能为：抗拉强度≥980mpa，屈服强度≥890mpa，伸长率≥15%，-40℃冲击功≥47j；主要化学成分及重量百分比为：c=0.07~0.12，si=0.40~0.90，mn=1.20~2.00，cr=0.30~0.80，mo=0.30~0.80，ni=2.0~3.0，p≤0.015，s≤0.015，余量为fe和不可避免的杂质。

更优选地，所述980mpa高强钢焊丝，主要化学成分及重量百分比为：c=0.10，si=0.80，mn=1.80，cr=0.35，mo=0.60，ni=2.25，p=0.014，s=0.013，余量为fe和不可避免的杂质。

本发明的技术原理：低合金超高强钢碳含量高、碳当量大，热影响区显微组织随冷却速度的增大，由粒状贝氏体+大量m-a组元向板条贝氏体+板条马氏体的混合组织转变，最终得到全部的板条马氏体组织。板条贝氏体+板条马氏体的混合组织相互交割，能够细化有效晶粒尺寸，增加大角度晶界数量，因而能够有效阻碍裂纹的扩展，使其具有良好的韧性；而足够数量的细小的m-a组元，由于形变诱发马氏体相变的作用而提高塑性，能有效改善冷弯性能，但冷却速度很低时，形成尺寸较大的块状m-a组元，对冲击韧性不利，而且冷却速度较低时往往焊接热输入量较大，使热影响区的原奥晶粒尺寸粗化，从而显著降低热影响区尤其是熔合线处的韧性和塑性。根据本发明的对比例实践结果，当焊接热输入量较小时，焊接接头的冲击韧性达标，但冷弯性能不合格；当焊接热输入量较大时，焊接接头的冷弯性能合格，但冲击韧性不满足要求。因此，本发明通过控制打底焊、填充焊和盖面焊的不同的热输入量，以及预热温度、层间温度、焊后热处理等焊接工艺参数，精心设计各焊道的冷却速度，获得厚度上中心韧性较好、表面塑性较好的组织，解决了低合金超高强钢焊接接头冲击韧性和冷弯性能的矛盾。

本发明的有益效果：本发明提出的焊接方法，实现了低合金超高强钢q1100e薄板的gmaw焊接，焊接接头具有良好的强韧性、冷弯性、以及抗冷裂纹性能，同时所述的焊接方法的工艺可操作性强，便于工业化应用，生产效率高，能够解决目前工程机械行业大型装备关键承载部位使用超高强钢时遇到的焊接问题，从而实现设备的轻量化，减少钢材的消耗和能源消耗，减少对环境的污染。此外，本发明的焊接方法对厚度更厚的q1100e、强度更高的低合金超高强钢的焊接具有借鉴意义，值得推广应用。

附图说明

图1为对接焊接接头示意图，其中1为打底焊道，2为填充焊道，3为盖面焊道。

图2~4分别为实施例1焊接接头打底焊道、填充焊道、盖面焊道的粗晶热影响区金相组织照片。

具体实施方式

本发明对低合金超高强钢q1100e薄板进行gmaw焊接，具体实施方式通过实施例1~实施例3举例说明，并采用对比例1-1、对比例1-2与本发明的实施例1作比较。

实施例的施焊设备采用林肯455m/stt。

实施例的母材拉伸试验参照gb/t228标准，对屈服强度的确定使用引伸计；焊接接头的拉伸试验参照gb/t2651标准。

实施例的母材冲击试验参照gb/t229标准，焊接接头的冲击试验参照gb/t2650标准。

实施例对焊接接头的冷弯试验参照gb/t2653标准。

实施例1、对比例1-1、对比例1-2的焊接试板选用同一母材，钢板厚度为8mm；钢的组分及重量百分比为：c=0.16，si=0.18，mn=1.13，p=0.008，s=0.0013，al=0.036，nb=0.015，v=0.05，ti=0.016，cr=0.21，mo=0.55，ni=0.30，b=0.0019，cev=0.53，余量为fe和不可避免的杂质；其屈服强度为1176mpa，抗拉强度为1346mpa，延伸率为16%，-40℃冲击功为70j/67j/69j（试样尺寸为5mm×10mm×55mm）。

实施例2的焊接试板取自10mm厚度的q1100e钢板，钢的组分及重量百分比为：c=0.18，si=0.26，mn=0.95，p=0.011，s=0.0025，al=0.042，nb=0.016，v=0.037，ti=0.010，cr=0.28，mo=0.57，ni=0.02，b=0.0018，cev=0.52，余量为fe和不可避免的杂质；其屈服强度为1200mpa，抗拉强度为1390mpa，延伸率为17%，-40℃冲击功为72j/60j/58j（试样尺寸为7.5mm×10mm×55mm）。

实施例3的焊接试板取自12mm厚度的q1100e钢板，钢的组分及重量百分比为：c=0.19，si=0.25，mn=0.85，p=0.009，s=0.002，al=0.025，nb=0.012，v=0.056，ti=0.012，cr=0.20，mo=0.75，ni=0.40，b=0.0022，cev=0.56，余量为fe和不可避免的杂质；其屈服强度为1149mpa，抗拉强度为1374mpa，延伸率为15.5%，-40℃冲击功为72j/64j/69j（试样尺寸为10mm×10mm×55mm）。

实施例选用的980mpa高强钢焊丝，型号为tuniongm-120，通过市售购买获得。焊丝直径为1.2mm；其熔敷金属力学性能为：抗拉强度≥980mpa，屈服强度≥890mpa，伸长率≥15%，-40℃冲击功≥47j；主要化学成分及重量百分比为：c=0.10，si=0.80，mn=1.80，cr=0.35，mo=0.60，ni=2.25，p=0.014，s=0.013，余量为fe和不可避免的杂质。

实施例采用相同板厚组合对焊，具体步骤包括：

（1）坡口加工：开v型坡口，坡口角度为60±5°，不钝边。

（2）预处理：使用手动砂轮片打磨清理坡口，去除氧化铁皮和铁屑，并对坡口两侧25mm内的表面铁锈和油污清除干净；控制焊接接头组对间隙为2~3mm，并在试板两端用引弧板、熄弧板固定。

（3）施焊：采用单面焊双面成型的方法进行gmaw焊接，保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体，气体流量为18~22l/min，其中，氩气体积百分比为75~85%，二氧化碳体积百分比为15~25%；施焊前对试板进行180~200℃的预热；施焊时采用直流反接，依次进行热输入量为12~13kj/cm的打底焊、1~2道热输入量为7~8kj/cm的填充焊、以及热输入量为10~12kj/cm的盖面焊；填充焊和盖面焊前严格控制层间温度在110~130℃之间；控制焊缝余高为1~2mm。

（4）焊后消氢处理：施焊结束后，将试板进行保温处理，控制试板温度在100℃以上的冷却时间≥4h。

（5）焊缝余高处理：采用机械方法去除焊缝余高，并使用手动砂轮片将焊缝打磨平整、光滑，刨削或打磨时沿着焊接方向进行。

各实施例和对比例的关键焊接工艺参数如表1~表5。

表1实施例1的关键焊接工艺参数

表2对比例1-1的关键焊接工艺参数

表3对比例1-2的关键焊接工艺参数

表4实施例2的关键焊接工艺参数

表5实施例3的关键焊接工艺参数

采用上述工艺施焊的q1100e焊接接头熔合情况良好，表面和根部无宏观裂纹，超声波探伤检验合格。检测实施例1、对比例1-1、对比例1-2、实施例2和实施例3的焊接接头力学性能如表6。由此可见，按照本发明焊接方法进行的实施例1、实施例2和实施例3，焊接接头具有良好的强韧性和冷弯性能，能够满足标准和使用要求，说明本发明提出的gmaw焊接方法适用于低合金超高强钢q1100e薄板的焊接；对比例1-1的焊接热输入量较大，其焊接接头的冷弯性能合格，但热影响区和熔合线的冲击韧性低于27j的标准值，对比例1-2的焊接热输入量较小，其焊接接头的冲击韧性较高，但冷弯性能不稳定，尤其是背弯均不合格，全部断裂，由此进一步显示出本发明提出的焊接方法对低合金超高强钢q1100e薄板施焊时的优异性、实用性和可靠性。

表6实施例和对比例的焊接接头力学性能

此外，图1为本发明对接焊接接头示意图，图2~4为实施例1焊接接头不同厚度处粗晶热影响区的金相组织照片，可以看出，按照本发明的焊接方法，不同焊道相对应的热影响区的组织存在差异，打底焊和盖面焊的粗晶热影响区有较多的m-a组元，为粒状贝氏体、板条贝氏体、板条马氏体、m-a组元的混合组织，填充焊的粗晶热影响区主要为板条马氏体和板条贝氏体的组织。这种厚度上组织的差异确保了焊接接头具有良好冲击韧性的同时还具有良好的冷弯性能。