基于药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法
阅读说明：本技术 基于药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法 (Low-carbon microalloyed steel high-heat input weldability evaluation method based on flux-cored wire ) 是由 刘硕 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法,其步骤依次包括：选用试验板为低碳微合金钢板；选用直径为1.2mm的气体保护药芯焊丝；所述一对试验板进行平焊位置对接焊,其坡口形式为正面为一侧带直边的V型坡口,正面坡口的直边侧底部带圆弧倒角,背面为V型坡口并设置陶瓷衬垫,当钢板厚度t＞25mm时,正面的坡口面向外偏折构成双V型坡口；采用熔化极气体保护焊接的方式对试验板进行焊接,热输入为3.0～4.0kJ/mm；完成焊接后,观察和检测焊接接头裂纹倾向以评估材料工艺焊接性,并通过焊接接头力学性能检测以评估材料使用焊接性。本发明兼顾工艺焊接性和使用焊接性评估需求,对不同领域使用的低碳微合金钢焊接性评估具有普适性。(The invention relates to a method for evaluating the high-heat input weldability of low-carbon microalloy steel based on a flux-cored wire, which sequentially comprises the following steps: selecting a test plate as a low-carbon microalloy steel plate; selecting a gas shielded flux-cored wire with the diameter of 1.2 mm; the pair of test plates are subjected to butt welding at flat welding positions, the groove form is a V-shaped groove with a straight edge on one side, the bottom of the straight edge side of the groove on the front side is provided with an arc chamfer, the back side is a V-shaped groove and is provided with a ceramic liner, and when the thickness t of the steel plate is more than 25mm, the groove face on the front side deflects outwards to form a double V-shaped groove; welding the test plate by adopting a gas metal arc welding mode, wherein the heat input is 3.0-4.0 kJ/mm; after welding is completed, the crack tendency of the welding joint is observed and detected to evaluate the process weldability of the material, and the mechanical property detection of the welding joint is used to evaluate the service weldability of the material. The method gives consideration to both the requirements of process weldability and use weldability evaluation, and has universality for evaluation of the weldability of the low-carbon micro-alloy steel used in different fields.)
技术领域
本发明涉及微合金钢焊接技术，特别涉及一种基于气体保护药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法。
背景技术
对于使用低碳微合金钢的重要工程结构，焊接是现场安装与施工的关键工序，焊接质量与效率也决定着工程项目的质量与效率，而低碳微合金钢材料的现场焊接性优劣将直接影响到焊接接头质量与安全服役。一般的，材料的焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性，前者主要是指焊接过程中避免焊接缺陷问题(包括各种类型的焊接裂纹敏感性)、得到连续完整焊接接头的能力，后者主要是指焊接接头的使用性能(包括强度、塑性、韧性等力学性能)。
近期，国外高等级管线管用户提出了一定焊接热输入条件下管线钢管现场焊接性评估要求，包括工艺焊接性和使用焊接性，特别是焊后接头低温冲击与断裂韧性试验位置要精确的位于理论上最薄弱的焊接热影响区粗晶区(CGHAZ)，从而系统评估材料在一定焊接热输入条件下的脆化倾向。这里，对于一定规格的低碳微合金管线钢，焊接热输入对焊接接头固态相变与微观组织演化具有重要影响，进而影响到接头整体脆化与服役安全。所以，不同的焊接热输入条件下，低碳微合金管线钢往往表现出不同的焊接性。
目前，针对钢铁材料工艺焊接性即焊接裂纹敏感性的评估方法很多，如：ISO17642-2标准提出了用于板材冷裂纹敏感性评估的TEKKEN试验，与GB 4675.1所述斜Y型坡口焊接裂纹试验方法类似，在高拘束条件下进行小尺度试验焊缝的焊接，以此评估材料在一定焊接条件下的冷裂纹敏感性，然而该种试验方法拘束条件过于苛刻，加之试验焊缝为不规则形状的单道焊缝，存在较高的焊接残余应力，更加有利于诱发冷裂纹，所以，这种方法较为保守，以此指导低碳微合金钢现场施工焊接将增加不必要的施工成本，不符合“合于使用”原则。GB/T 13817提供了一种刚性拘束焊接裂纹试验方法，其将试验钢板完全固定在一块厚度非常大的底板上，焊接过程中残余应力得不到释放，容易在接头区域诱发冷裂纹，这种方法同样偏保守，且焊接接头形式与低碳微合金钢结构常用接头型式也存在很大差异，不具有直接的现场施工焊接指导作用。中国专利201611208203.5公开的一种改进的斜Y型坡口焊接裂纹敏感性试验试件及其制造方法、中国专利201510012348.7公开的一种斜Y型坡口焊接裂纹试验拘束焊缝制造方法，均仅能解决一定条件下焊接性间接评估的问题。上述公开的专利与非专利文献均侧重于工艺焊接性的间接评估，对低碳微合金钢结构现场焊接施工具有一定的参考意义，但没有直接的指导作用，主要是其均无法顾及使用焊接性，而且接头设计形式与焊接工艺方法实施细节与低碳微合金钢结构主流的施工焊接条件相比，也存在较大差别。
中国专利201410516996.1公开了一种海洋平台用钢板焊接方法，采用了一般的K型坡口形式，如果焊接工艺实施过程控制得当，焊后能够得到单侧具有一定直度的熔合线，并满足CGHAZ位置冲击与断裂韧性取样要求，但其针对的是具体的特厚板(例如50～150mm)产品结构，对各个工业领域不具有普遍性，而且没有涉及单侧直边熔合线直度的保证措施，钢板较厚时焊后熔合线直度容易得到保证，而钢板较薄时焊接熔池很容易破坏熔合线直度。中国专利201510385434.2公开了一种大厚板焊接返修接头的CTOD试验方法、中国专利201510605044.1公开了一种焊接返修CTOD试验方法，两者虽然在板厚较厚时也具有一定的单侧直边熔合线特征，但均属于在成品焊接件中发现缺陷后的返修加工措施，不能满足具有普遍性的一定焊接热输入范围内低碳微合金钢同时评估工艺焊接性与使用焊接性的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于气体保护药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，在高热输入条件下，通过优化设计单侧直边的坡口形式、构建焊接工艺参数组合、焊枪倾斜角度和焊接过程质量控制等得到单侧熔合线直度良好的焊接接头，通过观察和检测焊接接头以评估材料的工艺焊接性和使用焊接性。
本发明是这样实现的：
一种基于药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，其步骤如下：
步骤一，选用试验板为低碳微合金钢板；
步骤二，选用直径为1.2mm的气体保护药芯焊丝；
步骤三，所述一对试验板进行平焊位置对接焊，其坡口形式为：正面为一侧带直边的V型坡口，坡口面与坡口中心轴线成角α，正面坡口的直边侧底部带圆弧倒角，圆弧的一端与直边垂直，圆弧的另一端与直边相切，背面为V型坡口且其坡口面与坡口中心轴线成角θ，坡口背面设置陶瓷衬垫，其中，α＝50～65°，θ＝40～60°，试验板最小间隙a为4～7mm，背面V型坡口高度b为2～3.5mm，圆弧半径R为3～8mm；当所述钢板厚度t＞25mm时，正面的坡口面向外偏折并与坡口中心轴线成角β构成双V型坡口，其中，β＝15～35°，下侧坡口高度c与钢板厚度t满足关系式：t*1/3≤c≤t*3/5；
步骤四，采用熔化极气体保护焊接的方式对试验板进行焊接，其中：保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体；根焊采用陶瓷衬垫辅助成型；根焊和填充盖面焊接所用的焊接工艺参数为：焊接热输入E为3.0～4.0kJ/mm；焊接电流为260～320A，焊接电压为26～31V，焊接速度为110～140mm/min，所述焊接电流、焊接电压与焊接速度的组合在保证焊缝成型质量的前提下能与试验所需的焊接热输入数值相匹配；焊枪摆动宽度为距离坡口边缘3～5mm范围内；焊接过程中，沿坡口宽度方向，焊枪与坡口的直边侧形成夹角δ＝3～25°；
步骤五，完成焊接后得到焊接接头，观察和检测焊接接头的裂纹倾向以评估材料的工艺焊接性，并通过焊接接头的力学性能检测以评估材料的使用焊接性。
所述步骤五中，力学性能检测包括单侧直边熔合线邻近的焊接热影响区粗晶区低温冲击与断裂韧性检测。
所述陶瓷衬垫正对坡口背面处设置弧形凹槽。
所述步骤四中的焊枪摆动路径为之字形，焊枪在坡口直边侧停留时间为50～150ms，焊枪在坡口斜边侧停留时间为30～80ms。
所述步骤四中的保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体，混合比例为Ar:CO2＝80:20，气体流量为20～27L/min。
本发明基于药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，首先，对于高热输入为3.0～4.0kJ/mm的条件，实际上已经超出了1.2mm细直径气体保护药芯焊丝的最佳适用范围，但由于气体保护药芯焊丝具备的良好操作性和热输入适应性，在较高热输入条件下仍然能够保证焊接过程稳定和成型质量，作为不同于现场施工的替代的焊接方法进行高热输入条件下的焊接性评估试验，其具有实施方便、操作灵活、硬件装备要求低、实施成本低和可重现性好的优点，对于不同领域的焊接性评估具有直接的指导意义。其次，通过优化设计特殊的单侧直边的焊接接头坡口形式、构建并匹配科学合理的焊接工艺参数组合(包括焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊枪摆动模式)、焊枪倾斜角度和焊接过程质量控制，能得到单侧熔合线直度良好的焊接接头，而且单侧直边的坡口形式并配合背面添加陶瓷衬垫辅助成型根焊，能够克服气体保护药芯焊丝熔透能力较弱的缺点，并充分利用药芯焊丝焊接电流密度大和热容量大的优点，确保背面焊缝均匀铺展成型，适当的坡口宽度和焊枪摆动能保证直边侧熔合质量。
本发明通过观察和检测焊接接头的裂纹倾向，可以评估材料的工艺焊接性。通过焊接接头的力学性能检测，特别是单侧直边熔合线邻近的焊接热影响区粗晶区(CGHAZ)低温冲击与断裂韧性检测，而且单侧直边熔合线直度能保证冲击韧性取样刻槽时80％位于CGHAZ，可以评估材料在高热输入条件下的使用焊接性，即同时兼顾了工艺焊接性和使用焊接性的评估需求，在给定的较高焊接热输入范围内，对不同行业与领域使用的低碳微合金钢焊接性评估具有普适性。同时，单侧直边熔合线特征保证了冲击韧性与断裂韧性取样过程中试验位置精确的位于焊接接头理论上最薄弱的CGHAZ，与实际的现场安装施工焊接条件相比，本发明具有高安全裕量，对现场的安全施工与运营具有重要的参考价值。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：具有普遍适用性，能同时满足较高热输入条件下工艺焊接性和使用焊接性的评估需求，且实施方便、操作灵活，对硬件装备要求低、实施成本低、可重现性好。
附图说明
图1为本发明基于药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法的钢板厚度超过25mm的焊接接头坡口形式的结构示意图；
图2为本发明的钢板厚度不超过25mm的焊接接头坡口形式的结构示意图；
图3为本发明的焊枪在沿坡口宽度方向上的倾斜角度示意图；
图4为本发明的实施例采用的具体的焊接接头坡口形式示意图。
图中，1试验板，2焊枪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1～图3，一种基于药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，主要针对各个工业领域各种电弧焊接过程中涉及的3.0～4.0kJ/mm较高焊接热输入范围的场合，应用直径为1.2mm气体保护药芯焊丝，结合较高热输入条件下焊接电弧与熔池特征，通过优化设计适应该焊接条件的单侧直边焊接接头的坡口形式，构建并匹配焊接工艺参数组合(包括焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊枪摆动模式)、焊枪倾斜角度以及焊接过程质量控制，特别是熔合线直度控制技术等，得到质量良好无缺陷的焊接接头，其步骤如下：
步骤一，选用试验板1为低碳微合金钢板。
步骤二，选用直径为1.2mm的气体保护药芯焊丝。
步骤三，所述一对试验板1进行平焊位置对接焊：
参见图1，当所述钢板厚度t＞25mm时，其坡口形式为：正面为一侧带直边的双V型坡口，下侧的坡口面与坡口中心轴线成角α，下侧的坡口面向外偏折并与坡口中心轴线成角β，正面坡口的直边侧底部带圆弧倒角，圆弧的一端与直边垂直，圆弧的另一端与直边相切，背面为V型坡口且其坡口面与坡口中心轴线成角θ，且坡口背面设置陶瓷衬垫，其中，α＝50～65°，β＝15～35°，θ＝40～60°，试验板最小间隙a为4～7mm，背面的V型坡口高度b为2～3.5mm，下侧坡口高度c与钢板厚度t满足关系式：t*1/3≤c≤t*3/5，圆弧半径R为3～8mm。
参见图2，当所述钢板厚度t≤25mm时，其坡口形式为：正面为一侧带直边的V型坡口，坡口面与坡口中心轴线成角α，正面坡口的直边侧底部带圆弧倒角，圆弧的一端与直边垂直，圆弧的另一端与直边相切，背面为V型坡口且其坡口面与坡口中心轴线成角θ，且坡口背面设置陶瓷衬垫，其中，α＝50～65°，θ＝40～60°，试验板最小间隙a为4～7mm，坡口背面的V型坡口高度b为2～3.5mm，圆弧半径R为3～8mm。
采用这种优化设计的焊接接头坡口形式，在保证单侧直边设计要求的同时，并采用坡口背面添加陶瓷衬垫辅助成型根焊方法，能够克服气体保护药芯焊丝熔透能力较弱的缺点，并充分利用其焊接电流密度大和热容量大的优点，使得直径为1.2mm的气体保护药芯焊丝的焊接热输入也能达到3.0～4.0kJ/mm这一较高的数值范围，即能控制背面焊缝均匀铺展与成型，又能通过适当的焊接接头坡口宽度以满足较高热输入时的焊枪摆动要求，保证直边侧熔合质量，而且直边侧底部的圆弧形过渡结构，能够避免高热输入条件下角部夹渣。
步骤四，采用熔化极气体保护焊接的方式对试验板1进行焊接，根据焊接热输入E为3.0～4.0kJ/mm，结合气体保护药芯焊丝电流密度大、熔敷速度快、焊接熔池宽、熔透能力弱的特点，构建焊接工艺参数组合。焊接保护气体为氩气和二氧化碳的混合气体，混合比例为Ar:CO2＝80:20，气体流量为20～27L/min。
根焊采用带有弧形凹槽的专用陶瓷衬垫辅助成型，弧形凹槽正对坡口背面中心处，根焊的焊接工艺参数和填充盖面焊接所用的焊接工艺参数相同，焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊枪摆动模式等，其中：焊接电流为260～320A，焊接电压为26～31V，焊接速度为110～140mm/min，在保证焊缝成型质量的前提下，所述焊接电流、焊接电压与焊接速度的组合能与试验所需的焊接热输入数值相匹配。采用适当的焊枪摆动改善焊缝的铺展和成型质量，同时能够分散高热输入条件下的热量，避免由于焊接熔池来不及凝固出现的聚集和流淌，从而造成焊瘤、局部虚焊以及由于熔渣不能及时上浮产生的夹渣缺陷。焊枪摆动路径为“之”字形，焊枪摆动宽度为距离坡口边缘3～5mm范围内，焊枪2在坡口直边侧停留时间为50～150ms，焊枪2在坡口斜边侧停留时间为30～80ms，参见图3。这样优化的焊枪摆动方式，既能保证焊接接头坡口边缘的充分熔合与焊缝成型质量，又不会使熔池破坏焊后直边侧直度。
参见图3，鉴于单侧直边坡口形式的直边侧未熔合缺陷的敏感性，根焊和填充盖面焊接时，焊枪倾斜方式为：沿坡口的宽度方向上，焊枪2与坡口的直边侧形成夹角δ＝3～25°。考虑到3.0～4.0kJ/mm较高热输入焊接条件下熔池尺寸增大，边缘熔合能力增强，焊枪倾斜角度不宜过大，否则焊枪位置诱导熔池形状将破坏焊后熔合线直度。同时，为了确保焊接接头的单侧熔合线直度良好，在焊接过程中，需要实时监控焊枪在焊道中的位置，如果由于坡口加工与组对精度问题出现焊枪偏离原设置位置的情况，需要迅速适时调整焊枪位置，否则直边侧未熔合缺陷产生的几率增加，并可能造成直边侧焊后熔合线直度的破坏。
步骤五，完成焊接后得到焊接接头，观察和检测焊接接头的裂纹倾向，以评估材料的工艺焊接性，并通过焊接接头的力学性能检测，特别是单侧直边熔合线邻近的焊接热影响区粗晶区低温冲击与断裂韧性检测，以评估材料的使用焊接性。
实施例
试验板1选用典型的厚度为t＝26.2mm的X70管线钢，坡口背面添加陶瓷衬垫辅助成型根焊方法，基于焊接热输入为3.0～4.0kJ/mm范围内和直径为1.2mm气体保护药芯焊丝，焊接保护气体为80％Ar+20％CO2混合气体，保护气体流量为20～27L/min，进行可焊接性评估试验。参见图4，具体的焊接接头坡口形式为：正面为一侧带直边的双V型坡口，正面坡口的直边侧底部带圆弧倒角，背面为V型坡口，其中：α＝60°，β＝30°，θ＝50°，a＝6mm，b＝3mm，c＝11mm，R＝5mm。
表1列出了实施例1～5的具体的焊接工艺参数、焊枪倾斜角度以及相应的焊接热输入值，如下所示：
表2列出了实施例1～5的缺陷检查与直边侧CGHAZ冲击韧性的评估结果，如下所示：
由表1和表2可见，不同的实施例所表现出的X70管线钢工艺焊接性良好，没有出现焊接裂纹和其他焊接缺陷，直边侧CGHAZ位置-10℃冲击韧性高于一般的验收标准要求，即冲击功最低要求为34J(参考NB/T 47016：承压设备产品焊接试件的力学性能检验)，随着焊接热输入的增加，冲击韧性下降。
本发明基于气体保护药芯焊丝的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，兼顾了材料在焊接过程中的工艺焊接性以及焊后的使用焊接性，在给定的较高焊接热输入范围内，对不同行业与领域使用的低碳微合金钢材料的可焊接性评估具有普适性和通用性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，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。