提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法技术

本发明专利技术涉及一种提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法，其步骤包括：选用相同的低合金高强钢板组合对接，所述钢板的屈服强度小于等于690MPa；采用V型坡口，坡口背面设置垫板；当钢板壁厚小于等于15mm时，坡口面角度为20～45

Welding method of low alloy high strength steel to improve plastic strain capacity

【技术实现步骤摘要】
提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法


[0001]本专利技术涉及低合金高强钢焊接技术，特别涉及一种提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法。

技术介绍

[0002]低合金高强钢广泛应用于工程机械、海洋结构、轨道车辆、重型能源装备等工业领域，其具有良好的强韧性与焊接性。焊接是现场生产制造的关键技术与主要工序，由于焊接过程本身的非平衡加热与冷却以及由此引起的非平衡固态相变，使焊接接头性能弱化从而造成其在制造与服役过程中的各种结构失效。由低合金高强钢制造的焊接结构多应用于这些工业领域的交变动载场合，在承受交变动载荷时焊接接头承受能力远低于母材，焊接接头疲劳失效是结构失效的主要形式。
[0003]金属材料基体的疲劳失效过程通常包括疲劳裂纹萌生、裂纹稳定扩展与失稳断裂三个阶段，疲劳裂纹萌生这一阶段占据了疲劳寿命的大部分。而焊接接头的疲劳失效过程与金属材料基体的最大区别是焊接过程中产生大量宏观或微观不连续初始疲劳裂纹源，特别是表面焊趾部位的微观缺陷，因此无需经疲劳裂纹萌生阶段则直接进入裂纹稳定扩展阶段。同时，焊接过程产生的残余拉应力、由焊趾几何因素产生的应力集中促进了初始疲劳裂纹的扩展，加速疲劳失效过程，主要表现为疲劳强度和疲劳寿命的降低。
[0004]中国专利201510977509.6公开了一种铁路钢桥面外变形引发疲劳裂纹的预防和加固方法，通过超声波锤击改善了焊缝与母材过渡表面形状，降低了焊缝应力集中程度，属于针对在役焊接结构安全监测以及基于超声波锤击的疲劳失效预防技术。中国专利201610717398.X公开了一种提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法，通过激光重熔技术实现焊接接头表面改性后，再进行超声表面滚压处理实现机械强化。从上述专利来看，用于提高动载工业结构焊接接头疲劳性能的方法主要涉及两个方面：一、改善焊趾几何形貌，消除焊趾附近在焊接过程中形成的微小冶金缺陷，使得焊趾和母材过渡均匀，从而降低应力集中度；二、减小或消除焊接残余拉应力，或引入残余压应力场，提高焊趾附近局部塑性变形能力。但是，这些方法基本都属于焊后处理技术，需要在线或离线进行焊接接头后处理，增加了生产周期和成本。而且，如果不能有效控制焊后处理技术细节，反而会导致焊接接头疲劳性能下降，例如焊趾部位超声冲击处理，很容易使该部位形成附加微裂纹或使原有咬边尺寸增大，成为服役过程中的疲劳裂纹源而加速结构失效。
[0005]中国专利201210133441.X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，焊缝金属形成合金马氏体以保证强度、韧性和耐磨性能，通过调整合金成分使焊接残余拉应力引起的疲劳强度降低减小到最小或为零，以改善焊接接头的疲劳强度，但这类焊材为高Cr、Ni以及不含碳合金成分设计，成本非常高，批量应用前景尚不明确。另外，合金含量提高造成盖面焊道铺展性变差，不利于焊趾均匀平滑过渡，反而会造成疲劳性能下降。
[0006]因此，亟待开发一种适用于工业领域交变动载场合的高性价比焊接方法，无需大
幅度改变现场焊接施工条件，能实现稳定的焊接质量并提高焊接接头的疲劳性能。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法，基于实芯焊丝熔化极气体保护自动焊接，通过合理配置坡口形式和尺寸、焊道材料匹配设计和焊接工艺参数组合，能得到整体质量良好、塑性储备高、盖面焊缝铺展均匀、焊趾过渡平滑的对接焊接接头。
[0008]本专利技术是这样实现的：
[0009]一种提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一，选用相同的低合金高强钢板组合对接，所述钢板的屈服强度小于等于690MPa；
[0011]步骤二，采用V型坡口，坡口背面设置垫板；当钢板壁厚小于等于15mm时，坡口面角度为20～45
°
，组对间隙为2～8mm，组对后坡口的开口宽度为10～35mm；当钢板壁厚大于15mm时，坡口面角度为15～35
°
，组对间隙为4～10mm，组对后坡口的开口宽度为15～50mm；
[0012]步骤三，采用实芯焊丝自动熔化极气体保护焊接工艺进行打底焊接、填充焊接和盖面焊接，保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体；所述盖面焊接采用的实芯焊丝与所述钢板满足如下关系式：
[0013][0014]式中，R
Bas
为钢板屈服强度，R
Com
为焊缝金属横向屈服强度，A
Bas
为钢板延伸率，A
Com
为焊缝金属横向延伸率。
[0015]所述步骤三中，盖面焊接时，采用焊丝直径为1.2mm实芯焊丝，坡口开口宽度为W，焊道宽度小于等于25mm，焊丝行走方式为直拉或摆动；当W≤20mm，采用单道焊；当W＞20mm时，采用多道焊，且相邻焊道交界处最低处与焊道最高处的高度差小于等于4mm。
[0016]所述盖面焊接时，当W≤15mm，焊丝行走方式为直拉；当15mm＜W≤20mm时，焊丝行走方式为摆动；当W＞20mm时，焊丝行走方式为摆动。
[0017]所述步骤三中，填充焊接时，采用焊丝直径为1.2mm实芯焊丝，焊道宽度小于等于25mm，采用单道焊或多道焊，焊丝行走方式为直拉或摆动。
[0018]所述焊丝行走方式为摆动时，焊丝作锯齿形连续摆动并沿行走方向向前移动，焊丝摆动宽度小于焊道宽度且差值为2～6mm，摆动波纹间距L和焊丝直径r满足关系式：L＝(2～5)r，焊道两侧边缘停留时间为0.05～0.2s。
[0019]所述步骤三中，保护气体混合比例为Ar:CO2＝80:20，焊接电流为I、焊接电压为U、焊接速度为v、焊丝直径为r、保护气体流量为f且满足如下条件：I＝(200～270)r，I/10
‑
2≤U≤I/10+2，v＝200～500mm/min，f＝18+v/80。
[0020]所述步骤一中，钢板组对后的错边量小于壁厚的1/6且不超过3mm。
[0021]所述步骤二中，垫板的材质与所述钢板相同或者为铜。
[0022]所述步骤三中，将引弧弧坑、熄弧弧坑和成型不稳定区域引出焊接接头的主体结构或进行修磨处理。
[0023]所述步骤三中，对焊接结构中交叉焊缝部位两侧不小于50mm范围内的焊缝余高进
行机械修磨和平整处理，修磨处表面粗糙度不超过12.5。
[0024]本专利技术提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法，适用于屈服强度690MPa以下级别低合金高强钢各种动载服役结构的制造焊接，特别是对焊接接头疲劳性能有明确要求的使用场合。在熔化极气体保护自动焊接工艺的基础上，采用实芯焊丝，通过设置合理的焊接接头坡口形式和尺寸，将高塑性应变能力盖面焊道材料和焊接母材进行匹配设计，并结合多层多道焊接工艺参数组合，以及对焊接过程的多个质量控制手段，从而实现了多重机制以确保焊接接头的动载疲劳性能，包括：一、焊趾位置的低粗糙度平滑过渡，减少了表面微观缺陷从而抑制初始疲劳裂纹产生；二、焊趾位置的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，选用相同的低合金高强钢板组合对接，所述钢板的屈服强度小于等于690MPa；步骤二，采用V型坡口，坡口背面设置垫板；当钢板壁厚小于等于15mm时，坡口面角度为20～45
°
，组对间隙为2～8mm，组对后坡口的开口宽度为10～35mm；当钢板壁厚大于15mm时，坡口面角度为15～35
°
，组对间隙为4～10mm，组对后坡口的开口宽度为15～50mm；步骤三，采用实芯焊丝自动熔化极气体保护焊接工艺进行打底焊接、填充焊接和盖面焊接，保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体；所述盖面焊接采用的实芯焊丝与所述钢板满足如下关系式：式中，R
Bas
为钢板屈服强度，R
Com
为焊缝金属横向屈服强度，A
Bas
为钢板延伸率，A
Com
为焊缝金属横向延伸率。2.根据权利要求1所述的提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法，其特征在于：所述步骤三中，盖面焊接时，采用焊丝直径为1.2mm实芯焊丝，坡口开口宽度为W，焊道宽度小于等于25mm，焊丝行走方式为直拉或摆动；当W≤20mm，采用单道焊；当W＞20mm时，采用多道焊，且相邻焊道交界处最低处与焊道最高处的高度差小于等于4mm。3.根据权利要求2所述的提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接方法，其特征在于：所述盖面焊接时，当W≤15mm，焊丝行走方式为直拉；当15mm＜W≤20mm时，焊丝行走方式为摆动；当W＞20mm时，焊丝行走方式为摆动。4.根据权利要求1所述的提高塑性应变能力的低合金高强钢焊接...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘硕，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：