[發明專利]薄壁低合金高強鋼對接頭一次成型焊接方法

在審

• 申請號: 202110045597.1
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN114762908A
• 公開（公告）日: 2022-07-19
• 發明（設計）人: 劉碩
• 申請（專利權）人: 寶山鋼鐵股份有限公司
• 主分類號: B23K9/02
• 分類號: B23K9/02;B23K9/095;B23K33/00
• 代理公司: 上海科琪專利代理有限責任公司 31117
• 代理人: 鄭明輝;葉知行

本發明涉及一種薄壁低合金高強鋼對接頭一次成型焊接方法，其步驟包括：選用相同的鋼板組合對接，所述鋼板為低合金高強鋼，壁厚小于等于13mm，屈服強度小于等于690MPa；采用V型坡口，坡口角度為40～90°，坡口背面設置墊板，鈍邊高度為2～5mm且不超過壁厚的一半，組對間隙為0～0.5mm；采用平焊或船型位置進行一次單道埋弧焊接；焊接熱輸入和壁厚、坡口角度、鈍邊高度滿足一定條件，焊接熱輸入和焊接電流、焊接電壓、焊接速度、焊絲直徑滿足一定條件，且焊接電流和焊絲直徑、鈍邊高度具有相關性。本發明能得到整體質量良好、焊道鋪展均勻、焊趾過渡平滑的一次單道埋弧焊接成型焊縫，能夠提高焊接接頭疲勞性能和延長服役壽命。

技術領域

本發明涉及低合金高強鋼焊接技術，特別涉及一種薄壁低合金高強鋼對接頭一次成型焊接方法。

背景技術

低合金高強鋼是指在低碳鋼中添加少量合金元素的工程結構鋼，由于其良好的強韌性與焊接性，適用于很多工業領域較重要的鋼結構，例如工程機械、海洋結構、煤機、橋梁、建筑結構等，尤其是在這些領域的交變動載場合，由低合金高強鋼制造的焊接結構得到廣泛應用。

焊接結構是用焊接方法制造的金屬結構，而由于焊接過程的非平衡加熱與冷卻以及由此引起的非平衡固態相變，使得焊接接頭往往成為整個結構的薄弱環節，制造與服役過程中的各種結構失效也經常與焊接接頭的性能弱化有關，其中焊接接頭疲勞失效是結構失效的主要形式。金屬材料基體的疲勞失效過程包括了疲勞裂紋萌生、穩定擴展與失穩斷裂，其中第一階段的裂紋萌生占據了疲勞壽命的大部分。然而，焊接接頭的疲勞行為與金屬材料基體最大的區別在于焊接過程中產生了大量宏觀或微觀不連續成為初始疲勞裂紋源，特別是表面焊趾部位的微觀缺陷，無需裂紋萌生直接進入擴展階段。同時，焊接過程產生的殘余拉應力、由焊趾幾何因素產生的應力集中促進了初始疲勞裂紋的擴展，加速了疲勞失效過程，主要表現為疲勞強度和疲勞壽命的降低。

中國專利201710670619.7公開了一種提高焊接件疲勞壽命的處理方法，通過磁場下的超聲沖擊降低焊接件焊接處的應力集中水平，減少了疲勞裂紋擴展幾率，提高了疲勞壽命。中國專利200710159341.3公開了焊接接頭通過焊趾TIG重熔后跟隨激冷處理來調整焊趾殘余應力場，使TIG重熔區原始殘余拉應力場轉變為有利于提高接頭疲勞強度的壓縮應力場的一種焊后處理方法。中國專利201310749922.8公開了一種脈沖強磁場輔助激光焊接方法與設備，將脈沖強磁場施加于剛剛焊接完成的激光焊接接頭及其周圍區域，在工件表面產生壓應力使接頭區域發生塑性變形，釋放殘余應力，以降低焊接接頭應力集中和結構變形程度，提高疲勞性能。

從上述專利來看，適用于提高動載工業結構焊接接頭疲勞性能的方法主要涉及兩個方面：一、改善焊趾幾何形貌，消除焊趾附近在焊接過程中形成的微小冶金缺陷，使得焊趾和母材過渡均勻，從而降低應力集中度；二、減小或消除焊接殘余拉應力，或引入殘余壓應力場，提高焊趾附近局部塑性變形能力。但是，這些方法基本都屬于焊后處理技術，需要在建造施工現場、結構件車間完成主體結構組裝與焊接后，在線或離線進行焊接接頭后處理，增加了產品生產周期和成本。而且，如果不能有效控制后處理技術細節，反而會導致焊接接頭疲勞性能下降，例如焊趾部位超聲沖擊處理，很容易使該部位形成附加微裂紋或使原有咬邊尺寸增大，成為服役過程中的疲勞裂紋源而加速結構失效。另外，基于低溫馬氏體相變的特種焊接材料，也能在一定程度上改善焊趾殘余應力狀態，但這類焊接材料需要高Cr、Ni以及超低碳合金成分，成本非常高，批量應用前景尚不明確，同時合金含量提高造成蓋面焊道鋪展性變差，不利于焊趾均勻平滑過渡，反而降低疲勞性能。

鑒于此，亟待開發一種適合大多數工業結構現場建造施工焊接的高性價比焊接方法，在無需大幅度改變現有生產硬件裝備條件的前提下，能實現穩定的焊接質量，以保證焊接接頭的疲勞性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種薄壁低合金高強鋼對接頭一次成型焊接方法，通過合理設置焊接接頭坡口形式，并構建一次成型焊接工藝參數的優化組合，以及結合焊接過程的質量控制，能得到整體質量良好、焊道鋪展均勻、焊趾過渡平滑的一次單道埋弧焊接成型焊縫。