一种强度500MPa级耐候钢的焊接工艺及在低温服役环境中的应用

一种强度500mpa级耐候钢的焊接工艺及在低温服役环境中的应用
技术领域
1.本发明属于高强耐候钢焊接工艺技术领域，具体涉及一种强度500mpa级耐候钢的焊接工艺及其在低温服役环境中的应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.500mpa级耐候钢作为低合金高强钢中的一种，具有较高的强度，良好的塑韧性和耐大气腐蚀性，性能明显优于普通结构钢，已被广泛用于列车、桥梁、高压输电塔等暴露在空气之中易受到大气腐蚀的结构中。
4.500mpa级耐候钢中含mn、cr、ni、cu等合金元素较多，是通过固溶强化、细晶强化和沉淀强化等机制提高强度的，焊接时控制合金元素含量使焊缝形成针状铁素体组织是保证耐候钢焊接接头强韧性的关键。目前常用的焊接方法有激光-电弧复合实芯焊丝焊接和co2气体保护药芯焊丝焊接工艺。激光-电弧复合实芯焊丝焊接由于焊接热输入较小，获得的焊缝组织主要为细小针状铁素体，能够保证接头具有足够的强韧性，但对接头装配要求严格，并且采用激光器使设备成本增加；采用co2气体保护药芯焊丝焊接工艺，可以获得较高的焊接效率，但由于焊接热输入较大，焊缝常出现粗大的先共析铁素体组织，降低接头的低温冲击韧性，不适用于低温服役的焊接结构。
5.为满足500mpa级耐候钢在低温场合下的应用要求，需开发热输入小、焊接效率高的焊接工艺，通过填充材料、工艺控制，减少合金元素烧损量，获得低成本、良好低温冲击性能的500mpa级耐候钢焊接结构。


技术实现要素：

6.本发明旨在提供一种强度500mpa级耐候钢的焊接工艺，解决现有耐候钢焊接结构不适于低温应用环境的问题。为了实现上述技术目的，本发明提供了一种结合药芯焊丝及冷金属过渡焊接的工艺，不仅解决耐候钢焊接结构低温服役性能，还显著提高了焊接接头的低温冲击性能，具有低成本、设备简单和易推广应用的特点。
7.本发明的第一目的：提供一种强度500mpa级耐候钢的药芯焊丝冷金属过渡焊接工艺，一方面采用药芯焊丝，通过优化药芯焊丝化学成分，增加焊缝金属针状铁素体的形核率，保证接头的低温冲击韧性；另一方面采用冷金属过渡焊接工艺，通过控制短路电流，降低焊接热输入，减少合金元素的烧损，同时阻止焊缝金属形成粗大的先共析铁素体组织。这两种作用同时提高了耐候钢焊接接头的低温冲击韧性，保证了接头在低温环境下应用的安全性。
8.经本发明优化后的药芯焊丝组分如下：c 0.05～0.1％,mn 0.6～1.5％,si0.4～
0.8％,ni 0.6～0.9％,cr 0.5～0.8％,cu 0.5～0.9％,ti 0.6～1.0％,s《0.005％,p《0.008％，余量为fe。本发明采用向药芯焊丝中添加少量的ti元素，ti元素在焊缝金属凝固过程中与母材形成tic质点，以这些质点为针状铁素体形核，促进晶内获得含量较多的针状铁素体组织，提高500mpa级耐候钢焊接接头的强韧性。
9.另外，本发明采用冷金属过渡焊接工艺。这种焊接工艺将送丝与熔滴过渡进行数字化协调，实现间断的送丝过程，当熔滴过渡的时候，电源会控制电流使其降至非常低，通过监控送丝过程实现“冷”和“热”交替焊接，降低焊接热输入。
10.本发明对上述焊接方法制备的耐候钢接头的强度及耐低温性能进行了考察，结果表明，接头强度可达到680mpa以上，高于母材强度，-60℃下焊缝的冲击功可达到140j以上，达到高韧级别。
11.基于上述焊接接头高强度、耐低温的性能，本发明提供的焊接方法、应用所述方法的耐候钢焊件非常适合于低温服役环境中的钢结构，如车辆底架、电力铁塔等，为上述复杂工况的施工提供了一种低成本的焊接方式。
12.以上一个或多个技术方案的有益效果是：
13.1、与现有焊接工艺相比，本发明提供的工艺具有焊接热输入小、工艺控制方便，对接头装配要求低等特点。
14.2、本发明采用向药芯焊丝中添加合金元素ti，在焊缝金属凝固过程中可以与母材形成tic质点，这些质点可以作为针状铁素体形核，促进更多的针状铁素体组织形成，提高500mpa级耐候钢焊接接头的强韧性。
附图说明
15.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
16.图1为实施例1中获得的500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属焊接获得的打底焊焊缝金属的组织特征图(放大倍数200
×
)；其中：1为先共析铁素体组织，2为针状铁素体组织。
17.图2为实施例1中获得的500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属焊接获得的填充焊焊缝金属的组织特征图(放大倍数200
×
)。
18.图3为实施例1中获得的500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属焊接获得的盖面焊焊缝金属的组织特征图(放大倍数200
×
)。
具体实施方式
19.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.正如背景技术所介绍的，现有技术中500mpa级耐候钢的焊接还存在焊接成本高、
无法满足低温服役要求的缺陷，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种基于药芯焊丝及冷金属过渡焊接工艺的、强度500mpa级耐候钢焊接方法。
22.第一方面，提供一种强度500mpa级耐候钢的焊接方法，采用药芯焊丝在富氩气体保护下对耐候钢焊件对接处进行多层多道焊接，所述焊接为冷金属过渡焊接工艺；
23.上述药芯焊丝的组分如下：c 0.05～0.1％,mn 0.6～1.5％,si 0.4～0.8％,ni0.6～0.9％,cr 0.5～0.8％,cu 0.5～0.9％,ti 0.6～1.0％,s《0.005％,p《0.008％，余量为fe。
24.上述焊接方法的具体步骤如下：
25.(1)焊件表面清理：将耐候钢待焊表面及其周围的氧化皮、铁锈和杂质清除干净；
26.(2)坡口加工：将耐候钢待焊件端面加工成v型坡口，坡口角度60
°
，间隙0.5～2mm，钝边1～2mm；
27.(3)焊接：对装配好的耐候钢焊件对接进行药芯焊丝填充三层焊道焊接，依次为打底焊、填充焊和盖面焊道；其中打底焊的焊接电流为240～250a，焊接电压25～26v，焊接速度32～35cm/min；填充焊的焊接电流为250～260a，焊接电压26～27v，焊接速度35～40cm/min；盖面焊的焊接电流为240～250a，焊接电压25～26v，焊接速度32～35cm/min；焊丝送进与回抽运动的频率70～90hz。
28.上述步骤(1)中：
29.所述焊件表面清理可采用钢丝刷或砂纸打磨，一种具体的实施方式如下：采用钢丝刷对耐候钢待焊表面及其周围先用钢丝刷刷至露出金属光泽，然后再用金相粗砂纸打磨平整。
30.上述步骤(2)中：
31.所述坡口的间隙和钝边根据耐候钢的厚度进行调整，调整方式如下：
32.厚度10～15mm的耐候钢板，间隙0.4～0.6mm，钝边0.8～1.2mm；
33.厚度15mm以上～25mm的耐候钢板，间隙0.8～1.2mm，钝边0.8～1.2mm；
34.厚度25mm以上～35mm的耐候钢板，间隙1.8～2.2mm，钝边1.8～2.2mm。
35.另外，所述坡口的形状为单面v形坡口。
36.上述步骤(3)中：
37.该焊接过程采用富氩气体氛围进行保护，所述富氩气体为氩气(ar)与二氧化碳(co2)的混合气体，混合比例为85～95:5～15；具体的实例中，为90％ar+10％co2，或95％ar+5％co2，或85％ar+15％co2，气体流量为15-18ml/min。
38.第二方面，提供第一方面所述焊接方法制备的耐候钢焊件。
39.第三方面，提供第一方面所述焊接方法、第三方面所述耐候钢焊件在低温服役环境用金属领域的应用。
40.上述低温服役环境如海洋、航空环境或极寒地区，可行的应用方式如用于制备列车车体、桥梁结构、船舶、集装箱、高压输电塔、输油管道等；尤其是轨道车辆底架、电力铁塔等结构，暴露在空气之中易受到大气腐蚀和低温的影响等。
41.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
42.以下实施例中耐候钢母材的型号为q500nh；
43.以下实施例中药芯焊丝的制备方法如下：称取药粉混合物(重量份组分为：金红石3％-10％份、金属铬粉2％-2.5％份、金属锰3％-10％份、金属镍粉1％-1.5％份、金属钛粉0.8％-1.2％份、硅铁3％-10％份、大理石2％-6％份、稳弧剂3％-8％份、抗气孔剂8％-10％、其余为铁粉)均匀置于碳钢钢带(尺寸为0.4*10mm)上，然后卷制成o型管，经过连续拉拔减径，制备成直径为1.2mm的金属粉型药芯焊丝。
44.实施例1
45.一种厚度12mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属过渡焊接工艺，包括如下步骤：
46.第一步：将耐候钢待焊表面及其周围先用钢丝刷刷至露出金属光泽，然后再用金相粗砂纸打磨平整，目的是将氧化皮、铁锈和杂质清除干净；
47.第二步：将耐候钢待焊件端面加工成v型坡口，坡口角度60
°
，间隙0.5mm，钝边1mm；
48.第三步：将上述装配好的耐候钢焊件对接进行药芯焊丝填充三层焊道焊接；药芯焊丝的化学成分(质量分数)为：c 0.08％,mn 1.5％,si 0.6％,ni 0.9％,cr0.6％,cu 0.5％,ti 0.6％,s 0.004％,p 0.007％，余量为fe；打底焊的焊接电流为240a，焊接电压25v，焊接速度32cm/min；填充焊的焊接电流为250a，焊接电压26v，焊接速度38cm/min；盖面焊的焊接电流为240a，焊接电压25v，焊接速度35cm/min；焊丝送进与回抽运动的频率70hz。焊接过程采用90％ar+10％co2混合气体进行保护，气体流量为15l/min。
49.针对厚度12mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属过渡焊接过程，焊接热输入为10～11kj/cm，因此获得的打底焊焊缝金属的组织大部分是针状铁素体组织，先共析铁素体组织较少(参考图1)；填充焊焊缝金属的组织几乎全部是针状铁素体(参考图2)；盖面焊焊缝金属的组织全部是针状铁素体(参考图3)，接头抗拉强度为682mpa，-60℃下焊缝的冲击功为155j。
50.实施例2
51.一种厚度20mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属过渡焊接工艺，包括如下步骤：
52.第一步：将耐候钢待焊表面及其周围先用钢丝刷刷至露出金属光泽，然后再用金相粗砂纸打磨平整，目的是将氧化皮、铁锈和杂质清除干净；
53.第二步：将耐候钢待焊件端面加工成v型坡口，坡口角度60
°
，间隙1mm，钝边1.5mm；
54.第三步：将上述装配好的耐候钢焊件对接进行药芯焊丝填充五层焊道焊接；药芯焊丝的化学成分(质量分数)为：c 0.1％,mn 0.6％,si 0.8％,ni 0.7％,cr 0.8％,cu 0.7％,ti 0.8％,s 0.004％,p 0.006％，余量为fe；打底焊的焊接电流为250a，焊接电压26v，焊接速度35cm/min；填充焊的焊接电流为260a，焊接电压27v，焊接速度40cm/min；盖面焊的焊接电流为240a，焊接电压25v，焊接速度32cm/min，焊丝送进与回抽运动的频率80hz；焊接过程采用90％ar+10％co2混合气体进行保护，气体流量为18l/min。
55.针对厚度20mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属过渡焊接过程，焊接热输入约为11kj/cm，因此获得的焊接接头抗拉强度为690mpa，-60℃下焊缝的冲击功为148j。
56.实施例3
57.一种厚度30mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属过渡焊接工艺，包括如下步骤：
58.第一步：将耐候钢待焊表面及其周围先用钢丝刷刷至露出金属光泽，然后再用金相粗砂纸打磨平整，目的是将氧化皮、铁锈和杂质清除干净；
59.第二步：将耐候钢待焊件端面加工成v型坡口，坡口角度60
°
，间隙2mm，钝边2mm；
60.第三步：将上述装配好的耐候钢焊件对接进行药芯焊丝填充三层焊道焊接；药芯焊丝的化学成分(质量分数)为：c 0.05％,mn 0.8％,si 0.4％,ni 0.6％,cr0.5％,cu 0.9％,ti 1.0％,s 0.005％,p 0.008％，余量为fe；打底焊的焊接电流为250a，焊接电压26v，焊接速度35cm/min；填充焊的焊接电流为260a，焊接电压27v，焊接速度35cm/min；盖面焊的焊接电流为250a，焊接电压26v，焊接速度32cm/min，焊丝送进与回抽运动的频率90hz；焊接过程采用90％ar+10％co2混合气体进行保护，气体流量为18l/min。
61.针对厚度30mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝冷金属过渡焊接过程，焊接热输入为10～11kj/cm，因此获得的焊接接头抗拉强度为702mpa，-60℃下焊缝的冲击功为142j。
62.对比例1
63.一种厚度12mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝混合气体保护焊接工艺，包括如下步骤：
64.第一步：将耐候钢待焊表面及其周围先用钢丝刷刷至露出金属光泽，然后再用金相粗砂纸打磨平整，目的是将氧化皮、铁锈和杂质清除干净；
65.第二步：将耐候钢待焊件端面加工成v型坡口，坡口角度60
°
，间隙0.5mm，钝边1mm；
66.第三步：将上述装配好的耐候钢焊件对接进行药芯焊丝填充三层焊道焊接；药芯焊丝的化学成分(质量分数)为：c 0.08％,mn 1.5％,si 0.6％,ni 0.5％,cr0.6％,cu 0.5％,ti 0.01％,s 0.004％,p 0.007％，余量为fe；打底焊的焊接电流为270a，焊接电压26v，焊接速度33cm/min；填充焊的焊接电流为280a，焊接电压27v，焊接速度38cm/min；盖面焊的焊接电流为260a，焊接电压26v，焊接速度36cm/min；焊接过程采用90％ar+10％co2混合气体进行保护，气体流量为15l/min。
67.针对厚度12mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝混合气体焊接过程，焊丝一直送进，没有回抽过程，焊接热输入为15～16kj/cm，获得的接头抗拉强度为660mpa，-60℃下焊缝的冲击功为139j。
68.对比例2
69.一种厚度20mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝混合气体保护焊接工艺，包括如下步骤：
70.第一步：将耐候钢待焊表面及其周围先用钢丝刷刷至露出金属光泽，然后再用金相粗砂纸打磨平整，目的是将氧化皮、铁锈和杂质清除干净；
71.第二步：将耐候钢待焊件端面加工成v型坡口，坡口角度60
°
，间隙1mm，钝边1.5mm；
72.第三步：将上述装配好的耐候钢焊件对接进行药芯焊丝填充五层焊道焊接；药芯焊丝的化学成分(质量分数)为：c 0.1％,mn 0.6％,si 0.8％,ni 0.3％,cr 0.8％,cu 0.7％,ti 0.08％,s 0.004％,p 0.006％，余量为fe；打底焊的焊接电流为260a，焊接电压27v，焊接速度35cm/min；填充焊的焊接电流为280a，焊接电压27v，焊接速度40cm/min；盖面焊的焊接电流为250a，焊接电压26v，焊接速度33cm/min；焊接过程采用90％ar+10％co2混合气体进行保护，气体流量为18l/min。
73.针对厚度20mm的强度500mpa级耐候钢混合气体焊接过程，焊丝一直送进，没有回
抽过程，焊接热输入约为17kj/cm，因此获得的焊接接头抗拉强度为650mpa，-60℃下焊缝的冲击功为136j。
74.对比例3
75.一种厚度30mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝混合气体保护焊接工艺，包括如下步骤：
76.第一步：将耐候钢待焊表面及其周围先用钢丝刷刷至露出金属光泽，然后再用金相粗砂纸打磨平整，目的是将氧化皮、铁锈和杂质清除干净；
77.第二步：将耐候钢待焊件端面加工成v型坡口，坡口角度60
°
，间隙2mm，钝边2mm；
78.第三步：将上述装配好的耐候钢焊件对接进行药芯焊丝填充三层焊道焊接；药芯焊丝的化学成分(质量分数)为：c 0.05％,mn 0.8％,si 0.4％,ni 0.3％,cr0.5％,cu 0.9％,ti 0.006％,s 0.005％,p 0.008％，余量为fe；打底焊的焊接电流为260a，焊接电压27v，焊接速度35cm/min；填充焊的焊接电流为270a，焊接电压27v，焊接速度35cm/min；盖面焊的焊接电流为260a，焊接电压27v，焊接速度33cm/min；焊接过程采用90％ar+10％co2混合气体进行保护，气体流量为18l/min。
79.针对厚度30mm的强度500mpa级耐候钢药芯焊丝混合气体焊接过程，焊丝一直送进，没有回抽过程，焊接热输入为15～17kj/cm，因此获得的焊接接头抗拉强度为660mpa，-60℃下焊缝的冲击功为130j。
80.对比上述实施例及对比例中的结果可以看出，本发明通过对药芯焊丝的组分优化，同时降低焊缝处的热量输入，有效降低了焊接接头中铁素体的长大，实现了焊缝抗拉强度及耐低温性能的有效提升。
81.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种强度500mpa级耐候钢的焊接方法，其特征在于，采用药芯焊丝在富氩气体保护下对耐候钢焊件对接处进行多层多道焊接，所述焊接为冷金属过渡焊接工艺；所述药芯焊丝的组分如下：c 0.05～0.1％,mn 0.6～1.5％,si 0.4～0.8％,ni0.6～0.9％,cr 0.5～0.8％,cu 0.5～0.9％,ti 0.6～1.0％,s<0.005％,p<0.008％，余量为fe。2.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法的具体步骤如下：(1)焊件表面清理：将耐候钢待焊表面及其周围的氧化皮、铁锈和杂质清除干净；(2)坡口加工：将耐候钢待焊件端面加工成v型坡口，坡口角度60
°
，间隙0.5～2mm，钝边1～2mm；(3)焊接：对装配好的耐候钢焊件对接进行药芯焊丝填充三层焊道焊接，依次为打底焊、填充焊和盖面焊道；其中打底焊的焊接电流为240～250a，焊接电压25～26v，焊接速度32～35cm/min；填充焊的焊接电流为250～260a，焊接电压26～27v，焊接速度35～40cm/min；盖面焊的焊接电流为240～250a，焊接电压25～26v，焊接速度32～35cm/min。3.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤(1)中：所述焊件表面清理方式如下：采用钢丝刷对耐候钢待焊表面及其周围先用钢丝刷刷至露出金属光泽，然后再用金相粗砂纸打磨平整。4.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤(2)中：所述坡口的间隙和钝边根据耐候钢的厚度进行调整，调整方式如下：厚度10～15mm的耐候钢板，间隙0.4～0.6mm，钝边0.8～1.2mm；厚度15mm以上～25mm的耐候钢板，间隙0.8～1.2mm，钝边0.8～1.2mm；厚度25mm以上～35mm的耐候钢板，间隙1.8～2.2mm，钝边1.8～2.2mm。5.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，步骤(3)中焊接过程采用富氩气体氛围进行保护，所述富氩气体为氩气与二氧化碳的混合气体，混合比例为85～95:5～15，气体流量为15-18ml/min。6.如权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，所述混合气体为90％ar+10％co2，或95％ar+5％co2，或85％ar+15％co2。7.如权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，所述混合气体为90％ar+10％co2。8.权利要求1-6任一项所述焊接方法制备的耐候钢焊件。9.权利要求1-6任一项所述焊接方法、权利要求8所述耐候钢焊件在低温服役环境用金属领域的应用。10.如权利要求9所述应用，其特征在于，所述应用方式包括用于制备列车车体、桥梁结构、船舶、集装箱、高压输电塔或输油管道。

技术总结
本发明涉及一种强度500MPa级耐候钢的焊接工艺及在低温服役环境中的应用。现有500MPa级耐候钢的焊接方法存在无法满足低温服役要求的缺陷，本发明提供了一种基于药芯焊丝和冷金属过渡焊接工艺，对药芯焊丝的成分进行优化，增加焊缝金属针状铁素体的形核率，保证接头的低温冲击韧性；另一方面采用冷金属过渡焊接工艺，通过控制短路电流，降低焊接热输入，减少合金元素的烧损。基于本发明工艺制备的耐候钢焊接接头具有良好的低温冲击韧性，能够满足低温服役环境的使用需求。低温服役环境的使用需求。低温服役环境的使用需求。


技术研发人员：王娟 王鹏 刘强 梁光 徐维普
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/9/19