[发明专利]一种强韧匹配良好的大热输入量电渣焊接头

说明书

技术领域

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的钢板而构成的一种强韧匹配良好的大热输入量电渣焊接头；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

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。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。

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。

专利CN103732776A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，且未考虑焊缝宽度对接头低温韧性的影响，而本发明提出的板厚≥40mm的焊接接头，采用更大的热输入焊接单道次成型，重点考察焊接接头各区域的强度匹配对电渣焊接头熔合线位置低温韧性的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用强度匹配改善热影响区中熔合线位置低温韧性的大热输入量电渣焊接头。该接头由板厚≥40mm的钢板经大热输入量电渣焊单道次对接而成，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。

工程实践中，尽管采用如CN104404369A等专利设计的大热输入钢板，但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。

本发明人对多个不同厚度规格、不同热输入量条件下的电渣焊接头进行综合分析，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。

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，从而造成熔合线位置韧性的恶化。

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。对于大热输入量电渣焊接头来说，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性变形而降低局部应力，从而改善熔合线处的低温韧性。本发明人在对塑性变形理论及试验研究的基础上，提出对于板厚超过40mm的高强度钢板，当粗晶热影响区的宽度在母材厚度的20%及其以下，且焊缝宽度在母材厚度的120%及其以下时，熔合线处的应力可限制到最小值，从而有利于改善该区域的低温韧性。