一种熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头

摘要

本申请公开了一种熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头，该接头由钢板经大热输入焊接单道次对接而成，焊接接头满足条件：1)、焊缝的抗拉强度是母材抗拉强度的80％‑110％，且粗晶热影响区的抗拉强度是焊缝抗拉强度的90％‑110％；2)、粗晶热影响区宽度是母材厚度的20％及其以下，焊缝宽度是母材厚度的120％及其以下；3)、粗晶热影响区的原奥氏体晶粒直径在300μm以下，晶内针状铁素体含量在50％以上。本发明可以形成板厚大于40mm的高强度钢板大热输入单道次焊接接头，特别是熔合线位置具有足够高的低温韧性。具有本发明特征的焊接接头在熔合线位置的‑20℃低温冲击值大于90J。

权利要求

1.一种熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头，其特征在于，该接头由钢板经大热输入焊接单道次对接而成，焊接接头满足条件：

1)、焊缝的抗拉强度是母材抗拉强度的0.89～0.98倍，且粗晶热影响区的抗拉强度是焊缝抗拉强度0.99～1.05倍；

2)、粗晶热影响区宽度是母材厚度的0.1～0.17倍，焊缝宽度是母材厚度的1.1～1.2倍；

3)、粗晶热影响区的原奥氏体晶粒直径在268～283mm，晶内针状铁素体含量在60％～

63％，

所述母材钢种为EH36，钢板的厚度为40～50mm，焊接方式采用电渣焊，热输入：485～

554kJ/cm。

说明书

一种熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头

技术领域

[0001] 本发明涉及一种焊接结构体、特别是单道次焊接板厚超过40mm的钢板而构成的大热输入焊接接头；通过各区域强度匹配设计改善了接头性能，尤其是热影响区中熔合线区域冲击韧性。

背景技术

[0002] 随着海工、船舶等结构工程的大型化，采用高效焊接方法来提高大厚度钢板的施工效率是十分必要的，如FCB法多丝埋弧焊、单丝/双丝气电立焊、单丝/双丝电渣焊等大热输入焊接技术被广泛应用。这些高效焊接技术有助于大幅减少焊道数量，实现厚板的单道次焊接成形。焊接热输入也随着板厚的增加而增大，特别是电渣焊的热输入可达400-1000kJ/cm，可单道次焊接板厚40-100mm的钢板。

[0003] 但对于抗拉强度级别800MPa以下的低合金钢而言，热影响区经过大热输入焊接时的热循环后，粗晶热影响区，特别是熔合线附近的粗晶热影响区晶粒严重粗化，并出现脆性组织，造成了该区域的韧性恶化。

[0004] 为了解决这一难题，研究者利用高熔点夹杂物粒子在粗晶热影响区对奥氏体晶界的钉扎效果抑制奥氏体晶粒粗大，并促进晶内强韧性良好的针状铁素体形核，开发出粗晶热影响区韧性优异的钢板(例如，JP2005036295、JP2008308736、JP2013136813、CN103114241A、CN104411849A、CN104404369A等)。尽管这些专利技术通过粗晶热影响区组织控制技术能一定程度改善熔合线区域的低温韧性，但均未考虑粗晶热影响区与焊缝之间的强度差异造成熔合线位置的应力集中，也会造成熔合线位置低温韧性波动。

[0005] 专利申请CN13732776A综合考虑了焊接接头热影响区强度和韧性的匹配关系，但公布的技术仅适用于厚度≤4mm的薄板，焊接热输入量较小；专利申请CN100537108C提出焊接接头强度匹配改善接头抗脆性断裂性能的技术属于大热输入范畴，但其规定焊缝宽度为板厚的70％及其以下，且未考虑对接头低温韧性的影响。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头，该接头由板厚≥40mm的钢板经大热输入焊接单道次对接而成，通过控制焊缝、热影响区和母材三者之间的强度匹配关系，改善焊接接头的低温韧性，尤其是焊接熔合线位置的低温韧性。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0008] 本申请实施例公开了一种熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头，该接头由钢板经大热输入焊接单道次对接而成，焊接接头满足条件：

[0009] 1)、焊缝的抗拉强度是母材抗拉强度的80％-110％，且粗晶热影响区的抗拉强度是焊缝抗拉强度的90％-110％；

[0010] 2)、粗晶热影响区宽度是母材厚度的20％及其以下，焊缝宽度是母材厚度的120％及其以下；

[0011] 3)、粗晶热影响区的原奥氏体晶粒直径在300μm以下，晶内针状铁素体含量在50％以上。

[0012] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，所述条件2)中，焊缝宽度是母材厚度的0.8～1.2倍。

[0013] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，所述条件2)中，粗晶热影响区宽度是母材厚度的0.06～0.17倍。

[0014] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，所述条件3)中，粗晶热影响区的原奥氏体晶粒直径在268～296mm。

[0015] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，所述条件3)中，晶内针状铁素体含量在52％～63％。

[0016] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，所述条件1)中，粗晶热影响区的抗拉强度是焊缝抗拉强度,0.93～1.05倍。

[0017] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，所述条件1)中，焊缝的抗拉强度是母材抗拉强度的0.83～1.05倍。

[0018] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，所述母材钢种为AH40或EH36。

[0019] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，所述钢板的厚度大于40mm。

[0020] 优选的，在上述的熔合线位置冲击韧性良好的大热输入焊接接头中，焊接接头满足条件：

[0021] 1)、钢种为EH36；

[0022] 2)、板厚40mm；

[0023] 3)、焊接方法：电渣焊；

[0024] 4)、热输入：485kJ/cm；

[0025] 5)、焊缝的抗拉强度是母材抗拉强度的0.89，且粗晶热影响区的抗拉强度是焊缝抗拉强度的0.99；

[0026] 6)、粗晶热影响区宽度是母材厚度的0.17，焊缝宽度是母材厚度的1.2；

[0027] 7)、粗晶热影响区的原奥氏体晶粒直径为268μm，晶内针状铁素体含量为63％。

[0028] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可以形成板厚大于40mm的高强度钢板大热输入单道次焊接接头，特别是熔合线位置具有足够高的低温韧性。具有本发明特征的焊接接头在熔合线位置的-20℃低温冲击值大于90J。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0030] 图1所示为本发明具体实施例3中电渣焊接EH36钢板接头及熔合线附近粗晶热影响区的典型组织照片。

具体实施方式

[0031] 工程实践中，尽管采用如CN104404369A等技术方案中的大热输入钢板，焊接接头的低温韧性，尤其是熔合线位置的冲击韧性还是存在波动大、不稳定现象。可见，仅仅通过控制母材组织或强度并不能确保焊接接头所有位置的低温韧性。

[0032] 发明人对多个不同厚度规格、不同热输入量条件下的焊接接头进行综合分析，详细调查焊缝区、粗晶热影响区和母材的微观组织、强度、低温冲击韧性等指标。试验结果显示：熔合线位置的低温韧性与其相邻区域的强度差值有关，差值较大时熔合线位置的冲击韧性较差。

[0033] 考虑到目前工程焊接结构设计中，因焊缝区的缺陷比例(如夹杂物、微细裂纹等)远远高于母材钢板，为了确保焊接接头的强度，常采用高强匹配原则(即选定焊缝金属时与母材强度相比形成高强匹配)。而采用低C低合金的TMCP钢板经大热输入焊接后，粗晶热影响区强度与高强设计的焊缝相差较大，因此造成熔合线附近的局部应力过大，从而造成韧性的恶化。

[0034] 因此，通过焊接粗晶热影响区与焊缝的强度匹配设计，降低大热输入焊接接头熔合线处的局部应力对该区域的韧性改善是至关重要的。对于大热输入焊接接头来说，局部应力主要来源于由焊接过程中不均匀温度场以及由它引起的局部塑形变形，因此限制熔合线附近粗晶热影响区和焊缝宽度与母材厚度的比例，有助于抑制该区域产生塑形变形而降低局部应力，从而改善熔合线处的低温韧性。

[0035] 同时，提高熔合线附近的微观抗脆性断裂特性也是十分必要的。通过调查熔合线附近发生脆性断裂的机理和组织的关系，可以发现，将原奥氏体晶粒尺寸抑制为较小尺寸，同时保证晶内具有相当比例的针状铁素体含量，就可以保证良好的低温韧性。

[0036] 综上所述，合理的匹配焊接粗晶热影响区与焊缝区的强度，控制粗晶热影响区、焊缝与母材厚度的比例，同时改善焊接粗晶热影响区的微观组织，可有效的改善焊接接头中熔合线位置的低温韧性，因此在大热输入单道次焊接板厚≥40mm的焊接接头的接头设计中，应满足以下条件：

[0037] (1)焊缝的抗拉强度是母材抗拉强度的80％-110％，且粗晶热影响区的抗拉强度是焊缝抗拉强度的90％-110％。

[0038] (2)粗晶热影响区宽度在母材厚度的20％及其以下，焊缝宽度在母材厚度的120％及其以下。

[0039] (3)粗晶热影响区的原奥氏体晶粒直径在300μm以下，晶内针状铁素体比例在50％以上。

[0040] 按照本发明，可以形成板厚大于40mm的高强度钢板大热输入单道次焊接接头，特别是熔合线位置具有足够高的低温韧性。

[0041] 本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

[0042] 本实施例中，对不同板厚的AH40和EH36钢板，选用不同强度级别的焊材进行大热输入电渣焊接，以形成不同强度匹配的接头，详细调查接头的各项参数见表1。

[0043] 焊接接头各区域的强度采用微型拉伸试样进行检测，低温韧性按照国标GB/T 2650-2008进行。腐蚀后，对焊接接头进行金相观察、对各区域进行尺寸测量、并对熔合线附近区域的粗晶热影响区的原奥氏体晶粒尺寸及晶内针状铁素体含量进行统计分析，结果见表1。

[0044] 表1 大热输入焊接接头参数对比

[0045]

[0046]

[0047] 注：表中字母缩写分别表示——CGHAZ(粗晶热影响区)、WM(焊缝)、BM(母材)、FL(熔合线)、TS(抗拉强度)、AF(针状铁素体)

[0048] 表1结果显示，实施例1-4中接头满足：

[0049] 0.9≤粗晶热影响区强度/焊缝强度≤1.1、0.8≤焊缝强度/母材强度≤1.1，并且粗晶热影响区宽度在母材厚度的30％以内，焊缝宽度在母材厚度的120％以内，熔合线附近的粗晶热影响区原奥氏体晶粒直径不超过300μm，其中的针状铁素体比例超过50％。

[0050] 实施例3中粗晶热影响区的典型组织如图1所示，因此能保证接头具有良好的强韧性能，特别是熔合线位置的-20℃低温冲击值大于90J。

[0051] 比较例采用与实施例相同的钢板，但采用更高强度匹配的焊缝。由表1可知，比较例1-4中焊缝具有更高的强度值，与粗晶热影响区和母材的强度差值相比实施例较大，粗晶热影响区与焊缝强度比例小于0.9，焊缝与母材的强度比例大于1.1。此外，比较例1-2的熔合线处的低温韧性较差。

[0052] 综上所述，按照本发明技术方案，可以利用各区域的强度匹配改善焊接接头、特别是熔合线位置的韧性，从而提供强韧性能良好的大热输入焊接接头。

[0053] 在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

[0054] 最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。