[发明专利]用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法

说明书

本发明涉及一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法，其步骤包括：选用相同的高强钢板组合对接，所述钢板的壁厚T≥13mm且屈服强度小于等于690MPa；采用X型坡口，上坡口角度为50～100°，下坡口角度为60～110°，上坡口和下坡口的深度比例为1.1～1.5，组对间隙为0～0.5mm；钝边高度R为4～10mm且R≤T/3；采用平焊或船型位置进行一次单道双面埋弧焊接；焊接热输入和坡口角度、坡口深度满足一定条件，焊接热输入和焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊丝直径满足一定条件，且焊接电流和焊丝直径、钝边高度具有相关性。本发明能得到整体质量良好、焊道铺展均匀、焊趾过渡平滑的一次单道双面埋弧焊接成型焊缝，能够提高焊接接头疲劳性能和延长服役寿命。

技术领域

本发明涉及低合金高强钢焊接技术，特别涉及一种用于动载场合的厚壁高强钢双面埋弧焊接方法。

背景技术

低合金高强钢因其良好的强韧性与焊接性在很多工业领域得到广泛应用，特别是工程机械、海洋结构、轨道车辆、重型能源装备等，由低合金高强钢制造的焊接结构多应用在这些领域的交变动载场合。焊接是现场生产制造的关键技术与主要工序，由于焊接过程本身的非平衡加热与冷却以及由此引起的非平衡固态相变，使得焊接接头往往成为整个结构的薄弱环节，制造与服役过程中的各种结构失效也经常与焊接接头的性能弱化有关，其中焊接接头疲劳失效是结构失效的主要形式，焊接接头动载疲劳性能是业界非常关注的技术指标。

金属材料基体的疲劳失效过程包括了疲劳裂纹萌生、稳定扩展与失稳断裂，其中第一阶段的裂纹萌生占据了疲劳寿命的大部分。然而，焊接接头的疲劳行为与金属材料基体最大的区别在于焊接过程中产生了大量宏观或微观不连续成为初始疲劳裂纹源，特别是表面焊趾部位的微观缺陷，无需裂纹萌生直接进入扩展阶段。同时，焊接过程产生的残余拉应力、由焊趾几何因素产生的应力集中促进了初始疲劳裂纹的扩展，加速了疲劳失效过程，主要表现为疲劳强度和疲劳寿命的降低。

当前，针对低合金钢焊接结构疲劳性能的改善与优化已有很多比较成熟的技术。中国专利200980130008.7公开了一种改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法，中国专利201280058280.0公开了一种焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，两者均公开了以超声冲击为主的焊接接头疲劳性能改善技术。中国专利200710159341.3公开了一种成熟应用的焊趾TIG重熔技术，通过调整焊趾区残余应力场与几何形貌，以改善焊接接头疲劳性能。从上述专利来看，针对动载场合工业结构焊接接头疲劳性能的改进方法主要涉及两方面：第一、改善焊趾几何形貌，消除焊趾附近由于焊接过程形成的微小冶金缺陷，提高焊趾与母材金属均匀过渡程度，从而降低动载疲劳服役过程中应力集中度，以提高疲劳性能；第二、改变接头附近残余应力特征，减小或消除焊接残余拉应力，或在焊趾附近表面形成残余压应力层，提高焊趾附近局部塑性变形能力，以改善疲劳性能。这些方法基本上都属于焊后处理技术，需要在建造施工现场、结构件车间完成主体结构组装与焊接后，在线或离线进行焊接接头后处理，增加了产品生产周期和成本。而且，如不能有效控制后处理技术细节，反而会导致焊接接头疲劳性能下降，例如焊趾部位超声冲击处理，很容易使该部位形成附加微裂纹或使原有咬边尺寸增大，成为服役过程中的疲劳裂纹源而加速失效。

中国专利01130810.9公开的用于提高焊接接头疲劳强度的焊条，通过焊接材料合金成分设计，在低温下焊条产生较大相变膨胀量，使焊缝金属的残余拉伸应力降低或产生残余压缩应力，用于提高疲劳强度。但这类焊材需要高Cr、Ni以及超低碳合金成分，成本非常高，批量应用前景尚不明确。另外，合金含量提高后，盖面焊道铺展性变差，不利于焊趾均匀平滑过渡，反而会造成疲劳性能下降。

鉴于此，亟待开发一种适合大多数工业结构现场建造施工焊接的高性价比技术方法，在无需大幅度改变现有生产硬件装备条件的前提下，能实现稳定的焊接质量，以保证焊接接头的疲劳性能。

发明内容