[发明专利]薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法

说明书

本发明涉及一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，其步骤包括：选用相同的钢板组合对接，所述钢板为低合金高强钢，壁厚小于等于13mm，屈服强度小于等于690MPa；采用V型坡口，坡口角度为40～90°，坡口背面设置垫板，钝边高度为2～5mm且不超过壁厚的一半，组对间隙为0～0.5mm；采用平焊或船型位置进行一次单道埋弧焊接；焊接热输入和壁厚、坡口角度、钝边高度满足一定条件，焊接热输入和焊接电流、焊接电压、焊接速度、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，特别涉及一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法。

背景技术

低合金高强钢是指在低碳钢中添加少量合金元素的工程结构钢，由于其良好的强韧性与焊接性，适用于很多工业领域较重要的钢结构，例如工程机械、海洋结构、煤机、桥梁、建筑结构等，尤其是在这些领域的交变动载场合，由低合金高强钢制造的焊接结构得到广泛应用。

焊接结构是用焊接方法制造的金属结构，而由于焊接过程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。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。

中国专利201710670619.7公开了一种提高焊接件疲劳寿命的处理方法，通过磁场下的超声冲击降低焊接件焊接处的应力集中水平，减少了疲劳裂纹扩展几率，提高了疲劳寿命。中国专利200710159341.3公开了焊接接头通过焊趾TIG重熔后跟随激冷处理来调整焊趾残余应力场，使TIG重熔区原始残余拉应力场转变为有利于提高接头疲劳强度的压缩应力场的一种焊后处理方法。中国专利201310749922.8公开了一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备，将脉冲强磁场施加于刚刚焊接完成的激光焊接接头及其周围区域，在工件表面产生压应力使接头区域发生塑性变形，释放残余应力，以降低焊接接头应力集中和结构变形程度，提高疲劳性能。

从上述专利来看，适用于提高动载工业结构焊接接头疲劳性能的方法主要涉及两个方面：一、改善焊趾几何形貌，消除焊趾附近在焊接过程中形成的微小冶金缺陷，使得焊趾和母材过渡均匀，从而降低应力集中度；二、减小或消除焊接残余拉应力，或引入残余压应力场，提高焊趾附近局部塑性变形能力。但是，这些方法基本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，如果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结构失效。另外，基于低温马氏体相变的特种焊接材料，也能在一定程度上改善焊趾残余应力状态，但这类焊接材料需要高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，同时合金含量提高造成盖面焊道铺展性变差，不利于焊趾均匀平滑过渡，反而降低疲劳性能。

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焊接方法，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

本发明的目的在于提供一种薄壁低合金高强钢对接头一次成型焊接方法，通过合理设置焊接接头坡口形式，并构建一次成型焊接工艺参数的优化组合，以及结合焊接过程的质量控制，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埋弧焊接成型焊缝。