基于双丝埋弧焊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 基于双丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法 (Low-carbon micro-alloy steel high-heat input weldability evaluation method based on twin-wire submerged arc welding ) 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双丝埋弧焊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；低碳微合金埋弧焊丝和碱性烧结焊剂配合使用；所述一对试验板进行平焊位置对接焊,钢板厚度t＞35mm时其坡口形式为一侧直边的带钝边双V型坡口,钢板厚度t≤35mm时其坡口形式为一侧直边的带钝边V型坡口,坡口背面设置同质垫板；采用双丝自动埋弧焊接的方式对试验板进行焊接,双丝同时共熔池焊接,热输入为3.0～6.0kJ/mm；完成焊接后,观察和检测焊接接头裂纹倾向以评估材料的工艺焊接性,并通过焊接接头力学性能检测以评估材料的使用焊接性。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 low-carbon micro-alloy steel high-heat input weldability assessment method based on twin-wire submerged arc welding, which sequentially comprises the following steps: selecting a test plate as a low-carbon microalloy steel plate; the low-carbon microalloy submerged arc welding wire and the alkaline sintered flux are matched for use; the pair of test plates are subjected to butt welding at flat welding positions, the groove form is a blunt-edged double V-shaped groove with a straight edge at one side when the thickness t of the steel plate is larger than 35mm, the groove form is a blunt-edged V-shaped groove with a straight edge at one side when the thickness t of the steel plate is smaller than or equal to 35mm, and a homogeneous base plate is arranged on the back of the groove; welding the test plate by adopting a double-wire automatic submerged arc welding mode, simultaneously welding the double wires by using a molten pool, and controlling the heat input to be 3.0-6.0 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 service weldability of the material is evaluated through the mechanical property detection of the welding joint. 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，特别涉及一种基于双丝埋弧焊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。此外，在大量应用低碳微合金钢厚板的其他工业领域，比如船舶制造、海洋工程结构、压力容器、高等级建筑结构等，在制造施工时，为了提高焊接效率，热输入一般高于3.0kJ/mm，对材料的现场焊接性均具有很高要求。
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形式也存在很大差异，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，与高热输入焊接条件差别较大，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、中国专利201110181417.9公开了一种特厚钢板T型接头埋弧焊接工艺，两者均采用了一般的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，但是其均为具体的特厚板(例如50～150mm)产品结构，对各个工业领域不具有普遍性。同时，它们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。另外，在双丝或多丝自动埋弧焊接领域，中国专利201710439703.8公开了一种大线能量焊接用高强度特厚钢板双丝埋弧焊接方法、中国专利201410009083.0公开了一种海洋环境用高耐候多丝埋弧焊钢管制备方法，两者均是针对具体的工业领域与材料，采用非对称X型坡口，利用双丝或多丝埋弧焊接的技术优势，提供了具体产品制造的解决方案，同样也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。
鉴于此，对于低碳微合金钢，亟需一种与现场施工条件接近的安全、可靠、完备的可焊接性评估方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双丝埋弧焊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，通过特殊的单侧直边坡口形式、构建并优化焊接工艺参数组合、焊枪位置设置以及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：
一种基于双丝埋弧焊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，选用低碳微合金埋弧焊丝和碱性烧结焊剂，焊丝直径为2.5～5.0mm；
步骤三，所述一对试验板进行平焊位置对接焊：
当所述钢板厚度t＞35mm时，其坡口形式为一侧直边的带钝边双V型坡口，所述钝边向外偏折形成下V型坡口，下V型坡口向外偏折形成上V型坡口，下V型坡口与坡口中心轴线成角α1，上V型坡口与坡口中心轴线成角β，且在坡口背面设置同质垫板，其中，α1＝55～70°，β＝20～40°，钝边高度a1为2～6mm，下V型坡口高度b为4～12mm且b小于钢板厚度t的1/3，垫板厚度c1为6～20mm，垫板覆盖坡口的宽度d1为50～300mm，所述试验板的组对间隙为0～1mm；
当所述钢板厚度t≤35mm时，其坡口形式为一侧直边的带钝边V型坡口，坡口面与坡口中心轴线成角α2，且在坡口背面设置同质垫板，其中，α2＝35～60°，钝边高度a2为2～6mm，垫板厚度c2为6～20mm，垫板覆盖坡口的宽度d2为50～300mm，所述试验板的组对间隙为0～1mm；
步骤四，采用双丝自动埋弧焊接的方式对试验板进行焊接，双丝包括前丝和后丝，双丝同时共熔池焊接，其中：
所用的焊接工艺参数为：焊接热输入E为3.0～6.0kJ/mm；前丝的焊接电流I前与前丝直径R前的关系为I前＝(150～250)R前；后丝的焊接电流I后与后丝直径R后的关系为I后＝(120～200)R后；所述各丝的焊接电压分别与焊接电流、焊丝干伸长度相匹配，且各丝的焊接电流、焊接电压与焊接行走速度的组合能与试验所需的焊接热输入数值相匹配；
焊接过程中，沿着焊接方向，前丝焊枪向前的倾斜角度为δ1＝10～30°，后丝焊枪向后的倾斜角度δ2＝5～25°；沿坡口宽度方向，前丝焊枪与坡口的直边侧形成夹角θ＝10～30°，后丝焊枪竖直设置；各丝端头与坡口的直边侧的距离L为L＝E/2+2.0，L的单位为mm，E为焊接热输入；
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。
所述步骤四的焊接工艺参数中：前丝的焊接电流为380～1200A，焊接电压为28～38V；后丝的焊接电流为300～1000A，焊接电压为31～40V；各焊丝的焊接行走速度为400～1200mm/min，各焊丝的间距为15～35mm。
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。
本发明基于双丝埋弧焊的低碳微合金钢高热输入焊接性评估方法，首先，根据高热输入为3.0～6.0kJ/mm的条件下的焊接熔池与焊缝成型特征，并结合双丝埋弧焊接在该热输入范围内具备最好的适用性与质量稳定性的技术特点实现，双丝埋弧焊接能够充分保证焊接评估试验的焊接质量与成功率，特别是有助于解决直边侧熔合质量难题。其次，通过设计特殊的单侧直边的焊接接头坡口形式、构建并优化科学合理的焊接工艺参数组合(包括焊接电流、焊接电压、焊接行走速度、焊丝间距)和焊枪位置设置，以及焊接过程质量控制，特别是熔合线直度控制技术，能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。本发明同时兼顾了工艺焊接性和使用焊接性的评估需求，并考虑到各个工业领域低碳微合金钢结构生产高效焊接的要求以及双丝埋弧焊接对该热输入范围的适应性，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直接指导作用。
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为本发明基于双丝埋弧焊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35mm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35mm的焊接接头坡口形式的结构示意图；
图3为本发明的前丝焊枪和后丝焊枪在焊接方向上的倾斜角度示意图；
图4为本发明的前丝焊枪在沿坡口宽度方向上的倾斜角度示意图；
图5为本发明的后丝焊枪在沿坡口宽度方向上的倾斜角度示意图；
图6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垫板，3前丝焊枪，4后丝焊枪。
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5，一种基于双丝埋弧焊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产品与结构制造过程中涉及的3.0～6.0kJ/mm较高焊接热输入范围的场合，应用直径为2.5～5.0mm低碳微合金钢埋弧焊丝与常用烧结焊剂，结合较高热输入条件下焊接电弧与熔池特征，通过特殊设计的适应该焊接条件的单侧直边焊接接头的坡口形式，构建并优化焊接工艺参数组合，焊枪位置设置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，选用低碳微合金埋弧焊丝和常用碱性烧结焊剂配合使用，焊丝直径为2.5～5.0mm。
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＞35mm时，其坡口形式为一侧直边的带钝边双V型坡口，所述钝边向外偏折形成下V型坡口，下V型坡口向外偏折形成上V型坡口，下V型坡口与坡口中心轴线成角α1，上V型坡口与坡口中心轴线成角β，且在坡口背面设置同质垫板2，其中，α1＝55～70°，β＝20～40°，钝边高度a1为2～6mm，下V型坡口高度b为4～12mm且b小于钢板厚度t的1/3，垫板2厚度c1为6～20mm，垫板2覆盖坡口的宽度d1为50～300mm，所述试验板1的组对间隙为0～1mm。
参见图2，当所述钢板厚度t≤35mm时，其坡口形式为一侧直边的带钝边V型坡口，坡口面与坡口中心轴线成角α2，且在坡口背面设置同质垫板2，其中，α2＝35～60°，钝边高度a2为2～6mm，垫板2厚度c2为6～20mm，垫板2覆盖坡口的宽度d2为50～300mm，所述试验板1的组对间隙为0～1mm。
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同质垫板2辅助成型根焊方法，垫板2尺寸厚度要求适中，既保证根焊时不出现烧穿，又不能因垫板2过厚增加操作难度。钝边尺寸较大，能够充分利用双丝埋弧焊接熔透能力强的优点。坡口的开口宽度能满足焊枪根据需要优化的设置要求，从而保证单侧直边充分熔透，同时坡口的开口宽度不宜过宽从而导致焊接效率的降低。
步骤四，采用双丝自动埋弧焊接的方式对试验板1进行焊接，双丝包括前丝和后丝，双丝同时共熔池焊接。
根据3.0～6.0kJ/mm焊接热输入范围内双丝埋弧焊接需要，结合双丝埋弧焊接熔透深度大、坡口边缘熔合能力强的特点，构建并优化所用的焊接工艺参数，包括：
当焊接热输入E为3.0～6.0kJ/mm时，前丝的焊接电流I前与前丝直径R前的关系为I前＝(150～250)R前；后丝的焊接电流I后与后丝直径R后的关系为I后＝(120～200)R后；所述各丝的焊接电压分别与焊接电流、焊丝干伸长度相匹配，且各丝的焊接电流、焊接电压与焊接行走速度的组合能与试验所需的焊接热输入数值相匹配。
根据上述关系式，当前丝直径R前和后丝直径R后为2.5～5.0mm时，前丝的焊接电流为380～1200A，焊接电压为28～38V；后丝的焊接电流为300～1000A，焊接电压为31～40V；各丝的焊接行走速度为400～1200mm/min，前丝和后丝的间距为15～35mm，保证双丝共熔池。在焊接过程中，根据实际需要，前丝和后丝可以选择相同直径，也可以采用不同直径焊丝组合。
参见图3，在双丝埋弧焊接过程中，由于前丝对熔透深度作主要贡献，为了保证较大尺寸的钝边充分熔透，前丝焊枪3设置为沿焊接方向向前倾斜角度为δ1＝10～30°，由于后丝主要起到填充坡口的作用，后丝焊枪4设置为沿焊接方向向后倾斜角度δ2＝5～25°。
参见图4和图5，鉴于单侧直边坡口形式的直边侧未熔合缺陷的敏感性，沿坡口的宽度方向上，前丝焊枪3与坡口的直边侧形成夹角θ＝10～30°，而在焊接热输入E为3.0～6.0kJ/mm条件下，双丝埋弧焊接熔池尺寸较大，对坡口边缘的熔合能力较强，前丝焊枪3与坡口的直边侧的夹角角度不宜过大，否则会破坏焊后熔合线直度，另外，焊接过程中为双丝共熔池，因而后丝焊枪4不需要倾斜，即为竖直设置，不影响直边侧的熔合。
另外，考虑到不同焊接热输入时，熔池尺寸的变化及其对坡口边缘熔合行为的影响，当焊接热输入E在3.0～6.0kJ/mm范围内变化时，各丝端头与坡口的直边侧的距离L满足关系式：L＝E/2+2.0，L的单位为mm，E的单位为kJ/mm。在一定的焊接热输入范围内，当焊丝端头与坡口直边侧距离适当时，使得直边侧熔合良好，且不会破坏焊后直边侧熔合线直度，能得到质量良好无缺陷的焊接接头，其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。
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
参见图6，试验板1选用典型的厚度为t＝40mm的EH36造船用钢，坡口背面添加同质垫板2辅助成型根焊方法，基于焊接热输入为3.0～6.0kJ/mm范围内的双丝埋弧焊接，进行可焊接性评估试验，具体的焊接接头形式为一侧直边的带钝边双V型坡口，其中：α1＝60°，β＝30°，a1＝2～6mm，b＝10mm，c1＝10mm，d1＝100mm。应用的焊丝与焊剂匹配为AWS F9A4-EG，焊丝直径为4.0mm。
表1列出了实施例1～6的具体的焊接工艺参数组合，如下所示：
表2列出了实施例1～6的具体的焊枪位置设置、各丝端头与坡口的直边侧的距离L、相应的热输入值以及获得的焊接质量评估结果，如下所示：
由表1和表2可见，所有的实施例焊接过程稳定，焊接质量良好，能够用于典型低碳微合金钢厚板焊接热输入范围为3.0～6.0kJ/mm的具有单侧直边熔合线特征的焊接性评估。这里所述的焊接质量主要包括焊缝外观成型质量和内部成型质量，评判标准参考ANSI/AWS D1.1：钢结构焊接规范。
本发明基于双丝埋弧焊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厚板焊接性评估具有普适性和通用性，能广泛应用于相关工业领域，对低碳微合金钢工业应用中具有高安全性要求的焊接性快速准确评估具有直接的指导意义和重要的实用价值。
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。
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