低合金高强钢焊接接头的低温冲击试验.doc

低温高强钢焊接接头的低温冲击试验摘要：通过一系列焊接试验，验证低合金高强钢在埋弧自焊的情况下，影响-40低温冲击韧性的主要因素是焊接线能量，并通过工程计算方法找出合适的焊接线能量。关键词：低合金高强钢 埋弧自动焊 低温冲击韧性 线能量中图分类号： 文献标识码：B一、 引言钢材的韧性是影响钢结构脆性断裂的主要因素。而影响脆性断裂的因素之一是温度。随着温度的降低金属材料的韧性亦急剧下降。因此，工作在低温环境下的钢结构件必须满足低温冲击韧性的要求。我公司为内蒙古自治区制造的风力发电塔柱（简称风塔），由于内蒙古自治区地处我国北疆，气温较低，据国家气象局提供的资料，内蒙古自治区是处于月平均气温低于-20的地区，因此要求钢材和焊接接头必须满足低于-20 不至于发生脆性断断裂，故该风塔的设计要求必须满足-40冲击值达到标准规定的要求。为此，为录求最佳焊接工艺规范和焊接材料，我们做了一系的焊接试验。二、 试验材料及方法1、 焊接方法风塔的主要焊缝采用埋弧自动焊焊接。所以试验用焊接方法也采用埋弧自动焊。2、 试验用钢材试验用母材选用GB1591-94中的Q345E，厚度为20mm。根据JB4708-2000钢制压力容器焊接工艺评定的规定该厚度可以复盖厚度范围为15-40mm，基本满足塔筒厚度范围。该钢材化学成分及力学性以见表一表一化学成分（%）办学性能CMnSiPSAL屈服强度Mpa抗拉强度MpaAkv(-40)标准值0.181.00-1.600.550.250.250.015345470-63027复验值0.141.490.370.0120.0040.023415510300、300、2223、焊材焊丝选用 H10Mn2 直径4焊剂选用 SJ101、SJ102、HJ431三种，并按表二进行烘干表二焊剂牌号烘干温度（）烘干时间（h）SJ1013502SJ1023502HJ43125024. 焊接电源及极性：直流反接.5. 试板规格：40013020mm6.坡口形式及尺寸见图一7、试验方法：通过改变不同的焊接工艺规范及不同的焊丝焊剂组合做了五组试验，每一组焊接一块试板，并截取冲击试样进行-40冲击试验，见表三表三：焊接工艺规范组别焊接电流（A）焊接电压（V）焊接速度（cm/min）焊剂16803635SJ10126803635SJ10235503040SJ10245503040SJ10255503040HJ430注：背面用碳弧气刨清根。三、 试验结果及分析1、检验分析及结果对上述五组工艺各焊一块试板，并对每块试板按JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程标准进行外观和内部质量检验；力学性能只做冲击韧性试验。冲击试样按GB2650-89焊接接头冲击试验方法标准的规定截取试样和加工试样，每一组取三个试样，采用成型拉刀在冲击试样拉床上加工V型缺口，V型缺口位置均为焊缝，并经冲击试样V型缺口投影仪检验完全符合试样标准。然后在冲击试验机上进行-40低温冲击试验，检测结果见表四，从表四中看出各项指标均合格。表四组别外观检验（JGJ81-2002）超声波探伤（GB11345-89）冲击功Akv(-40)平均值（J）标准Akv(-40)（GB1591-94）1一级BI级14、8、1010.7272一级BI级14.5、15、13.514.33一级BI级110、103、66934一级BI级90、66、48685一级BI级39.5、56、51.5492、 试验结果分析2.1、影响低温冲击值主要的因素是焊接规范参数由表三和表四可以看出，第一组和第二组工艺方案的-40冲击力都不合格，而且比标准要求相差较大，这二组方案的规范参数都一样，只是焊剂不一样，第一组方案用的是氟碱型烧结焊剂SJ101碱度约为1.8，第二组方案用的是碱度更高的氟碱型烧结焊剂SJ102碱度为3.5，冲击值虽略有提高，但效果并不明显。而第三、四组减小了线能量的输入，试验结果都合格，由此可见影响低温冲击韧性主要是焊接规范参数，即输入的线能量的大小。线能量大了，低温冲击不合格，线能量小了生产效率低。如何选择合适的线能量才能满足要求，下面进行讨论。根据现代焊接的科学与实距得知，低合金高强钢焊接接头的力学性能与焊缝熔合线处的冷却时间t8/5存在着密切的关系。所谓t8/5就是焊接接头由800冷却到500的时间。当t8/5过于短暂时，会出现淬硬裂纹；而t8/5过长会使晶粒粗大，临界转变温度升高，冲击韧性变差。我们可以通过控制t8/5来选择最佳工艺参数，以确保焊接接头的韧性在工作温度下能安全工作。低合金高强钢的t8/5可以通过联邦德国钢铁学会提出的工程计算的方法求得。设U为电弧电压（V），I为焊接电流（A），V为焊接速度（cm/s），T0为施焊温度（），为相对热效率（%），E为线能量，d为板厚（mm）在三维热传导条件下：t8/5（0.67-510-4T0）,E1/(500- T0)-1/(800- T0)F3在二维热传导条件下：t8/5（0.43-4.310-5T0）,2E2/d2(1/500- T0)2-(1/800- T0)2F2式中：,相对热效率，对埋弧自动焊,1F2 F3-分别为三维、二维热传导焊缝形状系数，对X坡口F31，F21。对Q345E低合金高强钢的t8/5，可以通过T27f(t8/5)（见图2）来选取：图2由图2知道，当要求T27为-40时，t8/5=25s，由此可以算出线能量E。当三维热传导时，E46KJ/cm，当二维热传导E30KJ/cm，这里选择数值小的线能量E30KJ/cm，属于二维热传导，此值是输入线能量的上限。根据有关资料介绍，低合金高强钢的t8/5的下限值为7s，由此计算出的线能量E13KJ/cm。在上述第一、二组方案中，焊接线能量为：E=60IV/V=6068036/35=42KJ/cm由此可见，输入的线能量大大的超过了规定的上限值，使焊缝熔合处的晶粒粗大，力学性能下降，特别是冲击韧性急剧下降。为保证在-40情况下能使冲击功27J，则输入的线能量必须30KJ/cm，为可靠起见，我们选E25 KJ/cm。设I550A，V30V，V40cm/min则E60IV/V=6055030/40=24.75 KJ/cm计算出的线能量与选定的线能量基本相符。所以在表三的第三、四、五组方案采用此焊接规范参数后，其冲击功Akv27J（冲击值akv34J/cm2）,全部符合规定要求。2.2、焊剂对低温冲击韧性的影响用于试验的焊剂是三种常用的焊剂，SJ101为氟碱型烧结焊剂,碱度为1.8；SJ102为高氟碱型烧结焊剂，碱度约为3.5；HJ431是高锰高硅低氟熔炼型焊剂,是酸性焊剂。从表三中的第三、四、五组焊接工艺方案可以看出，这三组方案焊接工艺规范一样，只是所采用焊剂不一样，又从表四可以看出，SJ102焊剂的冲击功最高，SJ101焊剂的冲击功其次，HJ431焊剂的冲击功最低。我们知道，焊剂脱S、P的能力是随着焊剂的碱度增加而增加，S、P是有害元素，降低S、P的含量可以有效的降低临界转变温度，提高低温冲击韧性。焊剂SJ102的碱度最大，脱S、P能力最强，所以冲击功较高，而焊剂HJ431是酸性焊剂，脱S、P的能力最弱，所以冲击功最低。四、 结语1、 低温冲击韧性的主要影响因素是焊接线能量，要使低温冲击韧性满足要求就必须严格控制焊接线能量。在选择焊接线能量时，宜选在