專利名稱：超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接工藝，特別涉及超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝。
背景技術(shù)：
如今，海洋石油已經(jīng)加快了開(kāi)發(fā)的步伐，世界石油界對(duì)海洋油氣的投資越來(lái)越大， 特別是深海地帶及寒冷海域的勘探開(kāi)發(fā)的重要性和戰(zhàn)略地位越來(lái)越受到人們的關(guān)注。因 此，對(duì)海洋油氣平臺(tái)、海上起重機(jī)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船等鋼結(jié)構(gòu)及設(shè)備提出了更加嚴(yán)苛的使用 性能要求，而這些工程鋼結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)大型化、材料多元化、強(qiáng)度超高化的趨勢(shì)，這對(duì)海 工建造行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)尤其是高強(qiáng)鋼及超高強(qiáng)鋼的焊接提出了更高的要求和更加嚴(yán)峻的挑 戰(zhàn)。而對(duì)超高強(qiáng)鋼和異種高強(qiáng)鋼的焊接施工工藝、焊接接頭質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)的理論研究與 工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)卻相對(duì)缺乏。為此，對(duì)于超高強(qiáng)鋼和異種高強(qiáng)鋼的焊接必須選擇更優(yōu)化的工 藝技術(shù)。高強(qiáng)鋼在焊接過(guò)程中常出現(xiàn)接頭的組織性能劣化，由此產(chǎn)生高數(shù)值焊接殘余應(yīng)力 甚至缺陷，其接頭內(nèi)部極易產(chǎn)生更多的應(yīng)力集中、氫致裂紋、淬硬組織、夾雜、氣孔等焊接缺 陷，使焊接區(qū)域成為整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位。例如，海洋平臺(tái)若處在低溫、海浪等惡劣 的環(huán)境條件下，接頭部位易產(chǎn)生裂紋，而裂紋擴(kuò)展可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)斷裂。目前，超高強(qiáng)鋼與 異種高強(qiáng)鋼材料的焊接在海工建造行業(yè)中的應(yīng)用日趨增多，由于異種金屬的化學(xué)成分、金 相組織、物理性能及力學(xué)性能都有所差別，特別是在異種金屬接頭的焊縫和熔合區(qū)存在一 個(gè)過(guò)渡區(qū)，此處不但化學(xué)成分和金相組織不均勻，而且物理性能也不同，力學(xué)性能也有很大 的差異，焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接缺陷，以致嚴(yán)重降低接頭性能。同時(shí)超高強(qiáng)鋼的焊接性較 差，淬硬傾向大，有較大的冷裂紋傾向，成為整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的安全隱患。對(duì)于超高強(qiáng)鋼的單面 焊雙面成型，常用的打底焊接方法一般采用鎢極氬弧焊(GTAW)，對(duì)焊接技術(shù)的要求較高，需 雙手操作，給現(xiàn)場(chǎng)高空作業(yè)帶來(lái)安全隱患，故現(xiàn)場(chǎng)焊接難度大、焊接效率低，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
因此為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng) 鋼的焊接工藝，使焊接接頭成型良好，無(wú)焊接缺陷，有良好的力學(xué)性能，并能滿在產(chǎn)品的沖 擊要求。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，包括以下步驟
1)坡口形式超高強(qiáng)鋼端面設(shè)置坡口角度35° -45°，異種高強(qiáng)鋼鍛件端面為直面， 采用合適的根部間隙及鈍邊。2)焊接方法和焊接材料的選擇采用熔化極混合氣體保護(hù)焊GMAW，配合林肯STT 技術(shù)打底，焊接要求單面焊雙面成型，焊絲選用AWS A5. 28 ER80S-G，保護(hù)氣體選擇80%Ar和 20%C02進(jìn)行混合配比，氣體流量15-20 L/Min ；填充和蓋面采用低氫焊條電弧焊SMAW，焊 條選用 AffS A5. 5 E11018M。
本發(fā)明實(shí)施例中，在步驟1)以前還包括將焊條在360°C -410°C溫度下進(jìn)行烘干2 小時(shí)，以保證焊接電弧能夠穩(wěn)定燃燒并防止焊縫產(chǎn)生氣孔。本發(fā)明實(shí)施例中，對(duì)超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼鍛件采用預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度大于等 于150°C，層間溫度控制在150°C _180°C，測(cè)溫時(shí)距離坡口距離為75mm。本發(fā)明實(shí)施例中，GMAW焊接電流90-120 A ；GMAW焊接電壓15-17 V ；GMAW焊接速 度 130-150 mm/min ；GMAW 焊接熱輸入 0. 6-0. 9 KJ/mm ;SMAW 焊接電流 95-130 A;SMAW 焊接 電壓 22-24 V ；SMAff 焊接速度 70-140 mm/min ；SMAff 焊接熱輸入 0. 8-2. 3 KJ/mm。本發(fā)明實(shí)施例中，焊接過(guò)程中焊槍左右擺動(dòng)的寬度小于等于2. 5倍的焊芯直徑， 且每層焊縫厚度小于等于焊芯直徑。本發(fā)明實(shí)施例中，焊接過(guò)程中立焊方式為自上向下。本發(fā)明實(shí)施例中，焊接完畢，用巖棉覆蓋焊接接頭使緩慢冷卻至室溫。本發(fā)明的有益效果
1、異種高強(qiáng)鋼焊接，采用熔化極混合氣體保護(hù)焊(GMAW) —采用林肯STT技術(shù)打底焊 接，單面焊雙面成型。焊機(jī)自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，焊縫的根部熔合良好，明顯的提高了生 產(chǎn)效率。2、、實(shí)心焊絲和低氫焊條有較好的全位置焊接性，良好的脫渣性和電弧穩(wěn)定性，其 合理的匹配使用，實(shí)現(xiàn)了異種高強(qiáng)鋼的高質(zhì)量的焊接。3、焊接過(guò)程中選用小線能量的焊接，保證焊縫的小熔合比，嚴(yán)格控制層間溫度， 制定出適合異種高強(qiáng)鋼焊接的優(yōu)化焊接工藝，得到高質(zhì)量的焊縫，焊縫的韌性良好，滿足 了 -40°C的低溫沖擊要求。4、采用80%Ar和20%C02混合氣體對(duì)熔池進(jìn)行保護(hù)，即，活化了電弧中各粒子的機(jī) 能，提高了電弧的穩(wěn)定性、加熱效率及保護(hù)效果。說(shuō)明書(shū)附圖


圖1為焊接試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖中A的放大示意圖。圖3為焊接順序示意圖。圖4焊接機(jī)頭宏觀金相示意圖。圖中1、超高強(qiáng)鋼工件，2、異種高強(qiáng)鋼工件，3、焊縫。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，以便于本領(lǐng)域人員更好 理解本發(fā)明。實(shí)施例1
超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，包括以下步驟 1、選材
1)超高強(qiáng)鋼工件1選用材質(zhì)為T(mén)enaris S690的鋼管，壁厚15. 9 mm，管徑Φ457. 2mm, 該材料具有強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，但焊縫易出現(xiàn)熱影響區(qū)的軟化、脆化，焊接冷裂紋等問(wèn) 題，這類鋼在海洋工程、造船等行業(yè)的重要結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用。2)異種高強(qiáng)鋼工件2選用材質(zhì)為15CrNiMoV，其是一種鍛造鋼，板厚140 mm。
2、焊接過(guò)程如下焊接前，將焊材在360°C-410°C烘干2小時(shí)，如圖1、2所示，首先 將超高強(qiáng)鋼工件1端面設(shè)置V形坡口，坡口角度37.5°，異種高強(qiáng)鋼鍛件端面為直面，坡 口根部間隙2-4mm，鈍邊l_2mm ；然后采用熔化極混合氣體保護(hù)焊，配合林肯STT技術(shù)打底， 焊接要求單面焊雙面成型，打底選用AWS A5. 28 ER80S-G ( Φ 1. 0mm)實(shí)心焊絲打底，并采用 80%Ar和20%C02混合氣體保護(hù)，送氣量為15-20L/min ；接著利用低氫焊條電弧焊進(jìn)行填充 和蓋面，焊材選用低氫焊條AWS A5. 5 E11018M ( Φ 2. 6mm和Φ 3. 2mm)；采用預(yù)熱處理，預(yù)熱 溫度大于150°C _200°C，層間溫度控制在150°C _180°C，測(cè)溫時(shí)距離坡口距離為75mm ；焊接 順序如圖3所示即立焊方式為自上向下；焊接完畢，焊接完畢，用巖棉覆蓋焊接接頭使緩慢 冷卻至室溫。焊接過(guò)程中注意焊槍左右擺動(dòng)的寬度小于等于2. 5倍的焊芯直徑，且每層焊縫厚 度小于等于焊芯直徑。焊接過(guò)程中工藝參數(shù)如表1
表1焊接工藝參數(shù)單Ilifi_畫(huà)虔m15.9/140mamm誦咖7—5坡口機(jī)δ灣廳em2-4mfiifll1-2mmMMM§-1.0￥mmm€m3.2/2,1^III 1%CO. 20+Ar:W氣傳1量 ’Wm15-20_20IilIIiit15CM8 mmWM±M12泡大 IS_擺_腿膽_15-20IIlIS 11 !SiSfi (iC2 》mmmmmK90-120 ▲冒觀 V15-17mfmm130-150_臓駄0 6-0 9SIIfiIltSλ95-130SIAfSlilV22-24mmnmsm/miu70-140mmnwrnk0.8-2 3mm/
3.試驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)AWS Dl. 1及美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM A370)選取力學(xué)性能檢測(cè)試樣，獲得 接頭的力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度710MPa，在-20°C的溫度下，焊縫沖擊功大于77J，在_40°C的 條件下，沖擊吸收功大于52J;分別對(duì)焊縫、母材及熱影響區(qū)進(jìn)行了維氏硬度測(cè)試，各區(qū)域 測(cè)3個(gè)硬度值，其平均值HVlO < 350，均符合焊接規(guī)范的要求。宏觀腐蝕試驗(yàn)中填充金屬 與母材熔合良好，宏觀斷面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)未熔合及裂紋等焊接缺陷。
實(shí)施例2
一種超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，包括以下步驟1、選材
1)超高強(qiáng)鋼工件1選用材質(zhì)為30CrMnSiNi2A，壁厚16. 5mm，管徑Φ460. 5mm。2)異種高強(qiáng)鋼工件2選用材質(zhì)為35CrMoV，其是一種鍛造鋼，板厚100mm，所取試驗(yàn) 材料長(zhǎng)和寬均為600mm。2、焊接過(guò)程如下焊接前，將焊材在360°C -410°C烘干2小時(shí)，如圖1所示為焊接 位置，首先將超高強(qiáng)鋼端面設(shè)置角度為40°的V形坡口 ；然后采用熔化極混合氣體保護(hù)焊， 配合林肯STT技術(shù)打底，焊接要求單面焊雙面成型，打底采用AWS A5. 28 ER80S-GC Φ 1. Omm) 實(shí)心焊絲打底，并采用80%Ar和20%C(V混合氣體保護(hù)，送氣量為15-20L/min ；接著利用低氫 焊條電弧焊進(jìn)行填充和蓋面，焊材選用低氫焊條AWS A5.5 E11018M ( Φ2. 6mm)；采用預(yù)熱 處理，預(yù)熱溫度150°C -200°C，層間溫度控制在150°C _180°C，測(cè)溫時(shí)距離坡口距離為75mm ； 立焊方向采用自上而下；焊接完畢，用巖棉覆蓋焊接接頭使緩慢冷卻至室溫。焊接過(guò)程中注意焊槍左右擺動(dòng)的寬度小于等于2. 5倍的焊芯直徑，且每層焊縫厚 度小于等于焊芯直徑。焊接過(guò)程中工藝參數(shù)如表2。襄2駆讓
mm難SHdW. 5/_IOM mmmtolMimm2-4睡mi-2_LO￥ 幌鍾·m2 6氣偉_遽%CO::·*·mmWm15-20m■IiiliISic150-IWβ顏鏵1 犬H■瑪11字大 m2.5 _誦■續(xù)燁·千f拳長(zhǎng)m15-20 I ftIlSl C KEf)mmmrnrnA90-120manm&V15-11 ι HSISιβ/ι ι ilH+SO畫(huà)隱默Wmai-aimm MMmk95-1 mm mmf22,mm ■isml mmT0-1 mmnwmA /β·◎.. -2.3顯圓/3.試驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)AWS Dl. 1及美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM A370)選取力學(xué)性能檢測(cè)試樣，獲得 接頭的力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度760MPa，在-20°C的溫度下，焊縫沖擊功大于80J，在_40°C的 條件下，沖擊吸收功大于70J，完全符合焊接規(guī)范的要求。在宏觀腐蝕試驗(yàn)中，宏觀斷面沒(méi) 有發(fā)現(xiàn)未熔合及裂紋等焊接缺陷，證明填充金屬與母材熔合良好。實(shí)施例3
一種超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，包括以下步驟 1、選材1)超高強(qiáng)鋼工件1選用材質(zhì)為S460NH的鋼管，壁厚25. 4 mm，管徑Φ457. 2mm，該材料 具有強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，但焊縫易出現(xiàn)熱影響區(qū)的軟化、脆化，焊接冷裂紋等問(wèn)題，這類 鋼在海洋工程、造船等行業(yè)的重要結(jié)構(gòu)中具有廣泛的應(yīng)用。2)異種高強(qiáng)鋼工件2選用材質(zhì)為15CrNiMoV，其是一種鍛造鋼，板厚140 mm。2、焊接過(guò)程如下焊接前，將焊材在360°C _410°C烘干2小時(shí)，如圖1所示為焊接 位置，首先將超高強(qiáng)鋼端面設(shè)置V形坡口 ；然后采用熔化極混合氣體保護(hù)焊，配合林肯STT 技術(shù)打底，焊接要求單面焊雙面成型，打底AWS A5.28 ERSOS-G(OLOmm)實(shí)心焊絲打底，并 采用80%Ar和20%C02混合氣體保護(hù)，送氣量為15-20L/min ；接著利用低氫焊條電弧焊進(jìn)行 填充和蓋面，焊材選用低氫焊條AWS A5.5 E11018M (Φ3. 2mm)；采用預(yù)熱處理，層間溫度控 制在150°C -180°C，測(cè)溫時(shí)距離坡口距離為75mm ；立焊方向?yàn)樽陨隙?；焊接完畢，用巖棉 覆蓋焊接接頭使緩慢冷卻至室溫。焊接過(guò)程中注意焊槍左右擺動(dòng)的寬度小于等于2. 5倍的焊芯直徑，且每層焊縫寬 度小于等于焊芯直徑。焊接過(guò)程中工藝參數(shù)如表3
表3焊接工藝參數(shù)mmMtk_25 4/140坡口角度*舉鐘咖StaWii_2-4_-1-2 ιιιιιι.........................................._10_顯鐘gm3 1氣體組成%tQ.imkMUliftis-m氣寸-20mmmmE150-180 ιΙ ΜλΜin面12■電醒大鍾2 j IiiSMmmnrnrnmi15-20畫(huà)漏醒S< /mm 1111/llll c Kir)manrnmλ90-12 AtfitiV15-17mnnmMmf mm130-150manwrnkσ/n OJ-OJS隨棚頓K%-mSiAfJIitIV；mm SMS / inimm；SBAW ψ0 8-2 3S攝■量I_敘1$1 ._畫(huà)_
3.試驗(yàn)結(jié)果分析
根據(jù)AWS Dl. 1及美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM A370)選取力學(xué)性能檢測(cè)試樣，測(cè)得 抗拉強(qiáng)度620MPa，-20°C溫度焊縫的沖擊吸收功大于70J，- 40°C溫下的焊縫沖擊吸收功大 于60J;分別對(duì)焊縫、母材及熱影響區(qū)進(jìn)行了維氏硬度測(cè)試，其平均硬度HVlO < 350，均符合 焊接規(guī)范的要求。宏觀腐蝕試驗(yàn)中，宏觀斷面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)未熔合及裂紋等焊接缺陷，試驗(yàn)證明 填充金屬與母材熔合良好。
權(quán)利要求
超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，其特征在于，包括以下步驟1)坡口形式超高強(qiáng)鋼端面設(shè)置坡口角度35° 45°，異種高強(qiáng)鋼鍛件端面為直面, 采用適當(dāng)?shù)母块g隙及鈍邊。
2.2)焊接方法和焊接材料的選擇采用熔化極混合氣體保護(hù)焊GMAW，配合林肯STT 技術(shù)打底，焊接要求單面焊雙面成型，焊絲選用AWS A5.28 ER80S-G，保護(hù)氣體為體積比為 80%Ar和20%C02，氣體流量15-20 L/Min ；填充和蓋面采用低氫焊條電弧焊SMAW，焊條選用 AffS A5. 5 E11018M。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，其特征在于在步驟1)以 前還包括將焊條在360°C _410°C溫度下進(jìn)行烘干2小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，其特征在于對(duì)超高 強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼鍛件采用預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度150°C -200°C之間，層間溫度控制在 1500C _180°C，測(cè)溫時(shí)距離坡口距離為75讓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼鍛件的焊接工藝，其特征在于GMAW焊 接電流90-120 A ；GMAW焊接電壓15-17 V ；GMAW焊接速度130-150 mm/min ；GMAW焊接熱輸 入0.6-0. 9 KJ/mm ;SMAW焊接電流95-130 A ；SMAW焊接電壓22-24 V ；SMAW焊接速度70-140 mm/min ；SMAff 焊接熱輸入 0. 8-2. 3 KJ/mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，其特征在于SMAW焊接過(guò) 程中，焊槍左右擺動(dòng)的寬度小于等于2. 5倍的焊芯直徑，且每層焊縫寬度小于等于焊芯直 徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，其特征在于GMAW焊接過(guò) 程中立焊方式為自上向下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)所述超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，其特征在于 焊接完畢，用巖棉覆蓋焊接接頭使緩慢冷卻至室溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)所述超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，其特征在于 所述坡口根部間隙為2-4mm，鈍邊l_2mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，屬于焊接加工領(lǐng)域。本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種超高強(qiáng)鋼與異種高強(qiáng)鋼的焊接工藝，使焊接接頭成型良好，無(wú)焊接缺陷，且力學(xué)性能滿足產(chǎn)品要求。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案包括以下步驟1)坡口形式超高強(qiáng)鋼端面設(shè)置坡口角度37°-45°，異種高強(qiáng)鋼鍛件端面為直面,采用適當(dāng)?shù)母块g隙及鈍邊；2)焊接方法和焊接材料的選擇采用熔化極混合氣體保護(hù)焊GMAW，配合林肯STT技術(shù)打底，焊接要求單面焊雙面成型，焊絲選用AWSA5.28ER80S-G，保護(hù)氣體選擇80%Ar和20%CO2 進(jìn)行混合配比,氣體流量15-20L/Min；填充和蓋面采用低氫焊條電弧焊SMAW，焊條選用AWSA5.5E11018M。本發(fā)明用于超高強(qiáng)鋼和異種高強(qiáng)鋼的焊接加工。
文檔編號(hào)B23K35/00GK101954524SQ20101051443
公開(kāi)日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者宋順, 樊銘林, 王新昌, 程尚華, 賈曉燕, 高衛(wèi)東 申請(qǐng)人:蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司