适用于极地低温环境使用的Q345E钢板焊接工艺的制作方法

适用于极地低温环境使用的q345e钢板焊接工艺
技术领域
1.本发明涉及机械加工技术领域；具体涉及适用于极地低温环境使用的q345e钢板焊接工艺。


背景技术：

2.在极地低温环境下使用的钻机构件由q345e钢板焊接而成，q345e钢板本身具备
‑
40℃低温环境下使用的性能，不能适用极地
‑
50℃环境下使用要求，需要采取工艺措施提高它的低温性能，使其满足极地
‑
50℃环境下使用要求。同时，相比原始的q345e钢板，钢板焊接后焊接接头的金相组织和力学性能会发生变化，低温性能有一定程度的下降，需要研究焊接接头的焊接工艺，保证其金相组织和力学性能变化后仍能满足接头需要具备
‑
50℃环境下使用要求。
3.影响钢板焊接接头性能的焊接工艺因素有钢板性能、焊接线能量、层间温度和焊接材料，不同的焊接线能量、层间温度和焊接材料形成的焊接接头具备不同的金相组织和力学性能。对于某种钢板要确定合适的焊接工艺，传统的方式是根据工程人员的经验预定不同的焊接线能量和焊接材料，实际焊接大量的焊接试样接头，测试这些接头的金相组织和力学性能，根据合适的测试结果选定对应的焊接工艺，此类工艺试验方法周期长，成本高。


技术实现要素：

4.本发明提供一种适用于极地低温环境使用的q345e钢板及焊接工艺，采用该工艺焊接选定的q345e钢板，其焊接接头的力学性能满足极地低温环境下的使用要求。
5.本发明的技术方案是，一种适用于极地低温环境使用的q345e钢板焊接工艺，其特征在于，包括确定钢材特性、焊接线能量、层间温度和焊接材料，具体步骤为：
6.1)按照钢材制造标准gb/t 1591
‑
2008的要求，钢材q345e仅规定了
‑
40℃的低温冲击功不低于34j，仅适用最低
‑
40℃的适用环境。为了适用
‑
50℃环境下使用要求，本发明选取q345e钢材时，控制其杂质含量和晶粒度，其中p、s含量均≤0.010％，，晶粒度10级以上，q345e钢材在
‑
50℃的低温冲击功≥34j；
7.2)用焊接热模拟的方法确定不同线能量情况下模拟试样的金相组织和晶粒度，根据金相组织和晶粒度判断确定力学性能从而确定合适的焊接线能量范围；
8.3)选定一种力学性能指标满足极地低温环境下使用要求的焊接材料；在步骤2)确定的焊接线能量范围内，使用选定的焊接材料焊接试板，焊接层间温度≤150℃；
9.4)从试板上切取试样，对试样进行力学性能测试；当力学性能测试结果满足
‑
50℃环境下使用要求时，确定适用于极地低温环境使用的q345e钢板焊接参数，最后根据确定的参数进行焊接。
10.进一步地，焊接热模拟的方法是在焊接热模拟机上对模拟试样输入预定的多种不同的焊接线能量，待模拟试样冷却后分析它们的金相组织和晶粒度，根据金相组织和晶粒
度判断其力学性能，由此选出合适的焊接线能量范围。
11.钢板焊接时由焊接热量引起组织相变及晶粒变粗，但由于焊接钢板的原始晶粒细小，晶粒度大于10级，因为晶粒度的遗传性，钢板焊接后，其晶粒度仍大于7级。
12.进一步地，金相组织包括铁素体、珠光体、贝氏体和马氏体，而且金相组织的晶粒度不小于7级；其中贝氏体组织具备强度和韧性的最佳匹配的特性，金相组织为贝氏体的模拟试样输入的焊接线能量为合适的焊接线能量。
13.进一步地，焊接线能量范围为11
‑
113kj/cm。优选焊接线能量范围为20
‑
36kj/cm。
14.进一步地，步骤4)中极地低温
‑
50℃环境下使用要求的焊接接头中，
‑
50℃条件的冲击功大于27j。
15.进一步地，焊接材料选择牌号为gfl
‑
71ni6，
‑
60℃条件的冲击功≥47j。
16.进一步地，适用于极地低温环境使用的q345e钢板焊接参数包括焊接电流、焊接电压和焊接速度，且焊接线能量＝焊接电流
×
焊接电压/焊接速度。
17.进一步地，焊接电流为200
‑
260a，焊接电压28
‑
30v，焊接速度为10
‑
22cm/min。
18.进一步地，极地低温环境为最低零下50℃。
19.本发明具备以下有益效果：
20.钢材q345制造标准为gb/t 1591
‑
2008，是一种能在
‑
40℃的低温环境下使用的低合金结构钢，具有钢板和型材两大类制品，产品规格型号众多，在建筑、桥梁和工程机械制造中得到了大量的应用，使用量多面广，是低温构件制造的优选材料。标准gb/t 1591
‑
2008中各种材料的最低适用环境温度为
‑
40℃的，本发明经过研究，通过控制q345e钢材的杂质含量和晶粒度：p、s含量不大于0.010％，晶粒度10级以上，使q345e在
‑
50℃的低温冲击功不低于34j，以适用
‑
50℃环境下使用要求。
21.q345e钢材焊接时由于高温热循环导致焊接接头的热影响区的金相组织和晶粒度发生变化，采用热模拟方式对不同线能量下的金相组织和晶粒度进行分析和优选，确定线能量范围，根据线能量计算出焊接电流、电压和焊接速度等参数。利用热模拟方式可以低成本、快速地制定焊接参数，避免了实物试焊高成本和长周期的过程。
22.通过控制q345e钢材的杂质含量和晶粒度、热模拟优选焊接参数、焊接层间温度的方式，将q345e钢材最低使用温度从
‑
40℃降到
‑
50℃，不需要重新开发新的钢种和市场，具有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
23.图1是q345e钢材的金相图和晶粒度，晶粒度为12级
24.图2是不同焊接线能量时的金相组织图。
25.图3是实施例1焊接试板图。
26.图4是实施例1焊接试样图。
27.图5是实施例2焊接试板图。
28.图6是实施例3焊接试板图。
具体实施方式
29.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会
理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。
30.实施例1：
31.待焊接试板情况：q345e钢板厚度为16mm，p含量为0.008％，s含量为.005％，晶粒度为12级，
‑
50℃冲击功大于65j。
32.1)使用焊接热模拟的方法确定不同线能量情况下模拟试样的金相组织和晶粒度，根据金相组织判断和晶粒度确定力学性能从而确定合适的焊接线能量范围；本案例中，焊接线能量为20
‑
26kj/cm。
33.2)选定一种力学性能指标满足极地低温环境下使用要求的焊接材料；在步骤1)确定的焊接线能量范围内，使用选定的焊接材料焊接试板；本案例中选择牌号为gfl
‑
71ni6的材料，该焊接材料
‑
60℃条件的冲击功大于47j。
34.3)焊接过程中，要求层间温度不大于150℃，本案例中，最高层温度为128℃。
35.4)从试板上切取冲击试样，根据美国钢结构规范aws d1.1要求从焊接钢板取三组共9个v形缺口冲击试样，如图4所示，其中一组缺口中心线位于焊缝中心(用“wm”表示，具体为图4中的1、2和3)，一组缺口缺口中心线离熔合线1mm(用“fl+1”表示，具体为图4中的4、5和6)，一组缺口缺口中心线离熔合线5mm(用“fl+5”表示，具体为图4中的7、8和10)。对试样进行力学性能测试，具体见表1；当力学性能测试结果满足
‑
50℃环境下使用要求时，确定适用于极地低温环境使用的q345e钢板焊接参数，具体地，焊接电流为200
‑
220a，焊接电压28v，焊接速度为14
‑
17cm/min。
36.最后根据上述确定的参数进行焊接，得到的产品如图3所示。
37.表1
[0038][0039]
结论：案例1中9个试样
‑
50℃条件的冲击功大于27j，焊接工艺可以用于
‑
50℃环境下使用的q345e钢板的焊接。
[0040]
实施例2：
[0041]
待焊接试板情况：q345e钢板厚度为16mm，p含量为0.008％，s含量为.005％，晶粒度为12级，
‑
50℃冲击功大于65j。
[0042]
1)使用焊接热模拟的方法确定不同线能量情况下模拟试样的金相组织和晶粒度，根据金相组织判断和晶粒度确定力学性能从而确定合适的焊接线能量范围；本案例中，焊接线能量为25
‑
30kj/cm。
[0043]
2)选定一种力学性能指标满足极地低温环境下使用要求的焊接材料；在步骤1)确定的焊接线能量范围内，使用选定的焊接材料焊接试板；本案例中选择牌号为gfl
‑
71ni6的材料，该焊接材料
‑
60℃条件的冲击功大于47j。
[0044]
3)焊接过程中，层间温度不大于150℃，本案例中，最高层温度为145℃。
[0045]
4)从试板上切取冲击试样，根据美国钢结构规范aws d1.1要求从焊接钢板取三组
共9个v形缺口冲击试样，其中一组缺口中心线位于焊缝中心(用“wm”表示)，一组缺口缺口中心线离熔合线1mm(用“fl+1”表示)，一组缺口缺口中心线离熔合线5mm(用“fl+5”表示)。对试样进行力学性能测试，具体见表2；当力学性能测试结果满足
‑
50℃环境下使用要求时，确定适用于极地低温环境使用的q345e钢板焊接参数，具体地，焊接电流为210
‑
240a，焊接电压29v，焊接速度为14
‑
15cm/min。
[0046]
最后根据上述确定的参数进行焊接。得到的产品如图5所示。
[0047]
表2
[0048][0049]
结论：本案例中9个试样
‑
50℃条件的冲击功大于27j，焊接工艺可以用于
‑
50℃环境下使用的q345e钢板的焊接。
[0050]
实施例3：
[0051]
待焊接试板情况：q345e钢板厚度为36mm，p含量为0.010％，s含量为0.008％，晶粒度为10级，
‑
50℃冲击功大于55j。
[0052]
1)使用焊接热模拟的方法确定不同线能量情况下模拟试样的金相组织和晶粒度，根据金相组织判断和晶粒度确定力学性能从而确定合适的焊接线能量范围；本案例中，焊接线能量为28
‑
35kj/cm。
[0053]
2)选定一种力学性能指标满足极地低温环境下使用要求的焊接材料；在步骤1)确定的焊接线能量范围内，使用选定的焊接材料焊接试板；本案例中选择牌号为gfl
‑
71ni6的材料，该焊接材料
‑
60℃条件的冲击功大于47j。
[0054]
3)焊接过程中，层间温度不大于150℃，本案例中，最高层温度为136℃。
[0055]
3)从试板上切取冲击试样，根据美国钢结构规范aws d1.1要求从焊接钢板取三组共9个v形缺口冲击试样，其中一组缺口中心线位于焊缝中心(用“wm”表示)，一组缺口缺口中心线离熔合线1mm(用“fl+1”表示)，一组缺口缺口中心线离熔合线5mm(用“fl+5”表示)。对试样进行力学性能测试，具体见表3；当力学性能测试结果满足
‑
50℃环境下使用要求时，确定适用于极地低温环境使用的q345e钢板焊接参数，具体地，焊接电流为210
‑
260a，焊接电压30v，焊接速度为13
‑
14cm/min。
[0056]
最后根据上述确定的参数进行焊接，得到的产品如图6所示。
[0057]
表3
[0058][0059]
结论：该案例中9个试样
‑
50℃条件的冲击功大于27j，焊接工艺可以用于
‑
50℃环境下使用的q345e钢板的焊接。