现代高强钢焊接性分析及工程案例研讨(ppt 52页).ppt

高强钢的焊接性分析及工程案例 唐山松下产业机器有限公司焊接技术应用中心 FATC 2008年10月 高强钢的发展及对焊接性的要求 管线钢 压力容器用钢 舰艇钢 桥梁钢 建筑结构钢 铁路重轨钢 电力及化工石油设备 汽车车辆 工程机械 海上采油平台钢等多种焊接结构用钢均已开始采用高强钢 其中管线钢是高强钢中发展最早 应用最成熟的钢种 应用高强钢能够减轻焊接结构的质量 节约材料和缩短焊接工期 使焊接产品和结构不但经济 而且可以提高生产效率和使用性能 高强钢的焊接性和结构的可靠性及安全性是高强钢应用的重要课题 高强钢的设计思想 高强与高韧性匹配 过去传统高强钢只注重钢材本身的性能 对焊接性考虑很少 而高强钢则是从提高钢的强韧性及改善焊接性两个方面入手解决新钢种的冶金问题 1 成分设计思想打破传统的C Mn Si系钢的设计思想 而是采用降碳 多种微量元素 如V Nb Ti Cu Re B等 合金化 并通过控轧控冷 TMCP 工艺提高强度 保证综合的力学性能 该类钢种具有如下成分特征 降碳 是为了改善塑性 韧性和焊接性碳是最主要的强化元素 但会强烈的恶化塑韧性和焊接性 因此 新钢种都严格控制碳含量 如X70 X80钢中的碳含量小于0 07 有的甚至达到超低碳 0 03 以下 水平 微合金化技术通过向钢中加入少量合金元素如Ti V Nb Al Re B等细化晶粒 净化基体 并实现沉淀强化 细小弥散的碳氮化物 氧化物 如TiN Ti C N TiO等 其中Ti的细化晶粒作用最强 高洁净化 通过精炼 清除杂质 净化基体 控制S P O N H的含量 钢中杂质 普低钢 S P O N H 250PPm经济洁净钢 S P O N H 120PPm超洁净钢 S P O N H 50PPm现在我国微合金钢杂质含量水平 w S w P 30PPmw O 10PPmw H 1PPm 2 轧钢工艺采用控轧控冷 TMCP 新技术 即控轧后立即加速冷却 以细化晶粒 在提高强度的同时提高塑韧性 传统的细晶粒钢 晶粒直径 100 m TMCP细晶钢 晶粒直径 10 50 m 超细晶粒钢 晶粒直径 0 1 10 m 3 焊接性要求 冷裂纹敏感系数 Pcm 0 2 碳当量 CE 0 4 采用上述技术思想已经开发出了多种新钢种 如结构钢 压力容器用钢 建筑用钢 海上采油平台用钢 管线钢X60 X65 X70 X80 X100 X120 对于X80以下的钢级 我国已经能够正常生产并供货 控制焊接工艺参数控制焊接工艺参数 线能量 E I U V J cm 预热 层温 后热等 控制高温停留时间tH和t8 5 800 500 冷却时间 避免晶粒长大 避免第二相粒子的集聚长大和不均匀的溶解与析出 获得高韧性的组织 低合金高强钢的焊接性分析 低合金高强钢从Q345 16Mn 再到Q360 Q390 一直到目前大面积推广采用的Q420 Q460等 高强钢冷裂敏感性 再热裂纹敏感性 层状撕裂敏感性 焊接材料和焊接工艺参数对高强钢焊接接头性能的影响 确定与之相匹配的合适焊材并焊接工艺优化 传统钢的焊接性 传统钢合金结构钢是通过提高碳和合金元素的含量并配合适当的热处理来提高钢的强度的 且韧性偏低 设计时并未考虑焊接性的需要 因此在焊接时焊接性问题比较突出 主要的焊接性问题是 1 焊接裂纹 包括冷裂纹 热裂纹 再热裂纹 层状撕裂等 2 脆化 过热脆化 淬硬脆化 混合组织脆化 析出脆化 应变时效脆化 3 软化 调质钢 焊接这类钢时往往需要预热比较高的温度 严格控制工艺参数 并采取必要的工艺措施才能保证焊接接头的焊接性 4 问题部位 往往是出现在HAZ 而不是焊缝 微合金钢的焊接性 裂纹倾向由于管线钢采用低碳 多种微量元素合金化 严格控制了S P含量 Pcm 0 2 Ceq 0 4 因此 管线钢的热裂倾向及冷裂倾向及脆化倾向均较小 焊接时预热温度较低 但当C S P发生偏析时 热裂倾向依然较大 埋弧焊时应采用高碱度焊剂 管道野外安装时 由于常用纤维素焊条打底 含氢量高 加之装配应力较大 冷裂纹倾向逐渐增大 需要采用预热 低氢等措施 强度级别低于600MPa时 如X80以下的钢种 裂纹一般在HAZ起裂 也可能向焊缝扩展 强度级别高于600MPa时 如管线钢X100 X120等 裂纹倾向增大 裂纹既可能出现在HAZ 又可能在焊缝中 具体起裂位置取决于氢的扩散及母材和焊缝的Ms点 裂纹位置可用焊缝及HAZ的马氏体转变点作判据 焊接热影响区的脆化及韧化 焊接热影响区的局部脆化示意图 X80钢热影响区的韧性分布 20 IRCGHAZ SCGHAZ 焊缝金属的合金化微合金高强钢通过冶炼 控轧控冷及微合金化技术相结合实现了细晶化 纯净化 从而实现了强韧性的最佳配合 这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现细晶化和洁净化 否则焊缝的性能将不能与钢种匹配 从而成为焊接接头的薄弱部位 但是焊接材料既不能向炼钢那样实现洁净化 又不能通过控轧控冷实现细晶化 因而其强韧性的匹配难以实现 因此 研制与微合金高强钢匹配的焊接材料是焊接技术人员亟待解决的重要课题 由上可知 微合金钢焊接时HAZ的焊接性问题已不像传统钢那样突出 而焊缝中的焊接性问题将突出出来 焊缝的合金化可通过下面几条途径开展研究 焊缝金属的洁净化通过冶炼技术使焊丝 钢带中的杂质含量达到或超过微合金钢的水平 控制焊缝中夹杂物的数量 种类 形态 尺寸及分布 原辅材料的洁净化 严格控制原辅材料中各种铁合金 矿物质 保护气体中的杂质含量 通过冶金反应清除杂质实现洁净化 焊缝金属的微合金化焊缝金属不能象钢那样通过控轧控冷实现细晶化 只能通过微合金化 使焊缝出现足够量的针状铁素体来提高强韧性 这种组织只适用于600MPa级以下的钢种 如X80管线钢以下的钢级 对于更高钢级 如X100 X120等 可通过焊缝实现超低碳贝氏体来提高强韧性 焊接热循环特性 焊接热循环中冷却时间t8 5的计算 二维热流 薄板 三维热流 厚板 t8 5计算式有关参数 由此可了解诸因素作用 E 名义焊接线能量 J cm E I U VT0 预热温度 板厚 cm 导热系数 J cm s 0 28c 容积比热容 J cm3 6 7 热效率K 预热修正系数 1 1 0 001T0 2 3 接头形状修正系数 I 焊接电流 A U 电弧电压 V V 焊接速度 cm s 热影响区性能一般特征 焊接缺欠分类 成型缺欠 咬边 焊瘤 余高 未焊透 错边 焊脚尺寸不足 变形结合缺欠 裂纹 气孔 未熔合性能缺欠 硬化 软化 脆化 耐蚀性恶化 疲劳强度下降 热影响区特点之一 硬化例 碳当量对高强钢热影响区硬化的影响 热影响区特点之一 硬化例 工艺参数对高强钢热影响区硬化的影响 16Mn SMAW 16mm WI 熔合线 热影响区特点之二 软化高强钢热影响区软化的控制 硬夹软 的 约束强化效应 SJ 带软化区的接头屈服点 SR 软化区的屈服点m b b 软化区宽度 板厚 K 常数 焊接热影响区特点之三 脆化例 焊接线能量对熔合区韧性的影响 不含V Ti Nb的高强钢 线能量E具有最佳值 含有能形成碳化物或氮化物的元素V Ti Nb的高强钢 焊接时易过热 须限制线能量E 产生冷裂纹的三要素 焊接接头中产生淬硬的马氏体组织焊接接头中扩散氢 H D含量高焊接接头中有较高的残余应力冷裂纹评定方法 碳当量估算法斜Y抗裂性试验法等冷裂纹敏感指数估算法 Pcm 高强钢焊接冷裂纹 冷裂三要素 敏感组成Pcm 扩散氢 H D 拘束度RF 冷裂敏感组成Pcm 冷裂敏感指数PW T610L T700 TH800汽车改装用高强钢化学成分 T610L T700 TH800高强钢力学性能和工艺性能 高强钢 管线钢的化学成分 高强钢 管线钢的力学性能 Domex700MC低合金高强钢的焊接 根据 低强匹配 的原则选择焊接材料 分别选用ER50 6实心焊丝和E91T1 B3药芯焊丝的焊接工艺 在焊前不预热 焊后不热处理 焊接线能量8 12kJ cm条件下用实心焊丝CO2气体保护焊进行多层多道焊 在焊前预热 焊后进行后热处理 焊接线能量10 15kJ cm条件下用药芯焊丝CO2气体保护焊焊接 两种工艺焊接性良好 获得满意的综合机械性能 采用CO2气体保护焊时 接头热影响区的组织 性能优于埋弧焊 塔吊臂800MPa高强钢H80 D80的焊接 在低碳锰钢的基础上通过加入适量的Cr Ni Mo Cu等元素和V Nb Ti B等微合金元素经热处理强化而成 焊接过程中如果热输入集中或冷却速度较低 在焊接热影响区易发生软化或脆化现象 若冷却速度较快 焊接热影响区易发生淬硬组织 有出现冷裂和韧性下降的倾向 焊前预热 改善母材金属的焊接性 延缓冷却过程 利于焊缝中氢的析出 降低接头内部的残余应力 低热输入 小参数焊接 利于控制熔池形状 降低缺陷几率 减小变形 同时能细化晶粒 改善焊缝宏观组织 采用多层多道焊工艺 每层焊道的厚度不超过3 5mm 控制层间 道间温度 利用H80钢 自回火 特性改善焊缝微观组织 获得良好的强韧性能 接头焊缝 残余应力不得大于屈服点的5 残余应力不合格时 应进行焊后热处理 WELDOX960低合金高强钢的焊接 WELDOX960低合金高强钢 具有细晶粒 超洁净度 高均匀性 高强度 高韧性和良好综合性能 低强匹配 原则选用瑞典生产的ED FK100高强焊丝 Ar CO2 混合气体保护焊工艺 预热温度 焊接热输入和后热温度等工艺因素对接头强度 弯曲性能和热影响区冲击韧性的影响 预热75 焊接线能量10 12KJ cm 层间温度80 85 的条件下进行多层多道焊接 冷裂和热裂敏感性小 接头屈服强度为928 8Mpa 失强率14 2 高强钢焊接材料选用原则 焊接性 接合性能 实用性能 工艺性 操作性能 成形性能 经济性 生产效率 消耗费用 注意因素 1母材的化学活性2不应追求焊缝成分与母材成分相同3焊缝成分不等于焊接材料成分4正确遵循技术标准 5等强性 等韧性 熔合比 CO2焊接时成分的变化 质量分数 CO2焊接15MnMoVN 神钢MG 51T焊丝的综合机械性能 屈服强度抗拉强度延伸率冲击韧性 s MPa b MPa Akv J 焊接方法CO246056032110MAG52060031160MAG焊的韧性及强度均高于CO2焊 高强钢焊丝的力学性能及焊丝选择 T610L高强钢采用JM 70 T700 TH800高强钢采用JM 100 奥运国家体育场 鸟巢 钢结构工程 YM 500CL5焊机被专家组指定为专用焊机 奥运国家体育场钢结构工程简介 建筑造型为 鸟巢 呈双曲面马鞍型 东西向短轴297 3米 两端相对标高68 5米 南北向长轴332米 两端相对标高40 1米 屋盖中间开洞长度为185 3米 宽度为127 5米主要构件为1 2 1 2米的箱型截面 大跨度屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上 钢材为Q345 Q460E 国内建筑钢结构首次使用 板厚20 110mm钢结构总重量5 2万吨 焊接工艺评定在焊接技术工作中的实际地位 大致有八个方面的工作 1 对金属材料的焊接性进行评定 2 对拟定的焊接工艺进行评定 3 对焊接材料进行复检 母材 焊材 4 对焊接设备 包括辅机 的性能进行评定 5 对焊工的技能进行培训和考核 6 组织工程 产品 施工 生产 实施焊接方案中的一切规定 7 对焊接质量进行检验 NDT 8 对焊接工程的失效进行分析和处理 奥运体育场钢结构焊接试验 试件组对和预热 110mm半V型坡口接头形式 Q460E Z35钢 Cep 0 47 模拟刚性固定焊接工艺评定试验23项 其它焊接工艺评定试验184项 全部合格 板厚 110mm 规格1000 650mm 加垫板间隙 8mm 单边V形坡口35 预热150 180 层温 150 25 焊丝JM 68 1 2CO2气体保护 仰焊操作 试验焊缝 焊缝超声波检验 机械性能试件 奥运体育场钢结构焊接试验 国家体育场 鸟巢 建设中松下焊机品质及优质的技术服务 鸟巢合拢信息卡及松下送丝机 上铉焊接 平 仰焊同时 鸟巢合拢后的夜景 当年鸟巢在焊接安装中 松下技术人员在现场维护焊机 鸟巢建设公司写来的焊机评价 高强钢混凝土泵车 泵车臂架焊接结构 WELDOX900低碳低合金调质高强钢钢板板厚 6 8 15 20 30m实心焊丝ER100S G ER120S G 1 2保护气体 85 Ar 15 CO2 泵车回转支架 泵车臂架焊接现场 全数字焊机在高强钢焊接中的应用 低合金调质高强钢的焊接工艺 产品名称 混凝土泵车钢材 WELDOX900低碳低合金调质高强钢钢板板厚 6 8 15 20 30mm 焊材选择与母材 等韧性 焊接方法选择 低氢性 焊丝 实心焊丝AWS ER100S G AWS ER120S G 1 2保护气体 85 Ar 15 CO2 检验要求 超声波探伤和磁粉探伤 预热温度和焊接线能量的确定 预热温度的确定 焊接裂纹小铁研试验法分不预热 T 75 T 100 T 150 四组试件 查表面裂纹率 断面裂纹率 根部裂纹率 预热方法的选择 整体预热 局部火焰预热相结合 焊接线能量的控制 Q 17KJ cm 焊接电流 电弧电压 焊接速度三者匹配关系 焊接工艺评定 MAG 实心焊丝 方法工艺评定 评定焊接接头的强度 朔性 冲击韧性 硬度值 依据焊接工艺评定数值 制定焊接工艺规程 WPS 指导焊接生产 E36 D36高强钢海洋平台导管架焊接 海洋平台导管架是采用E36 D36高强度钢管焊接而成 管径 300 1600 壁厚16 55 环 纵缝焊接工艺 1 2实心焊丝打底焊 1 2药芯焊丝填充热焊 埋弧焊填充盖面的组合工艺技术 松下500GR3 GM3全数字CO2焊机打底根焊 立向下焊 单面焊双面成形 正面和背面焊缝熔合好 缺陷少 探伤合格率高 同时满足了药芯焊丝填充热焊的工艺需要 各项技术性能优于某进口焊机 T K Y焊缝CO2焊接工艺 1 2实心焊丝打底根焊 药芯焊丝填充盖面焊 替代电焊条打底根焊 效率高 质量好 UT探伤完全合格 海洋平台 海洋平台导管架焊接接头形式 环缝电焊条打底根焊 接头多 效率低 环缝CO2打底根焊 效率高 质量好 T K Y焊缝CO2焊接 钢管环焊缝坡口形式 环焊缝打底正面成形 环焊缝背面成形 错边3mm D36 E36船舶和海洋平台用高强钢化学成分 及焊丝选择 D36 E36船舶和海洋平台用高强钢力学性能 高强钢MAG焊接工艺1 预热温度T 100 150 整体预热 局部火焰预热2 焊接线能量的控制 E 17KJ cm 焊接电流 电