碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)鋼焊接方法選擇

1、碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)鋼焊接方法選擇三峽工程目前正在施工的重要結(jié)構(gòu)主要有電站壓力鋼管、水輪機(jī)座和船閘門(mén)， 其中水輪機(jī)座的施工工藝質(zhì)量由國(guó)外公司負(fù)責(zé)，其余兩項(xiàng)由國(guó)內(nèi)制造商和施工單位 承包，閘門(mén)制造多由國(guó)內(nèi)知名船廠(chǎng)承擔(dān)，具焊接工藝比較成熟，相對(duì)船體制造的沒(méi) 備和工藝已不是什么難事；由于材料為強(qiáng)度級(jí)別較低 （Q345） 的低合金鋼，所以今后 的主要問(wèn)題是工地安裝時(shí)，如何提高效率，降低成本。 壓力鋼管的制作和安裝將成為主要矛盾，工程前期共有壓力鋼管 14條，約 22500t ， 由于材料復(fù)雜（上段為16MnR下段為610U2低合金高強(qiáng)鋼），板厚度大（最厚達(dá)58mm） 特別是管道直徑大（ 12499mm

2、）安裝位置復(fù)雜，因此不同于常規(guī)管道的制作和安裝。 此次有幸參加了三峽開(kāi)發(fā)總公司工程建設(shè)部組織的“三峽工程金屬結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)專(zhuān) 家咨詢(xún)會(huì)”，受益匪淺，但由于時(shí)間太短，會(huì)前對(duì)幾個(gè)承包單位的工作和試驗(yàn)資料未 及仔細(xì)學(xué)習(xí)，所以有些意見(jiàn)未能允分表達(dá)，現(xiàn)對(duì)有些觀點(diǎn)加以說(shuō)明。1、三峽工程壓力鋼管的選材思想和實(shí)踐是成功的上段選用16MnR下段選日本NKK的60kg級(jí)的610U2都是可焊性好的鋼種，特別是 日本的610U2屬于低碳調(diào)質(zhì)鋼中的焊接無(wú)裂紋鋼（CF鋼），其特點(diǎn)是含碳量低（200J甚至達(dá)300以上），增加了在減輕重量情況下得到高質(zhì)量焊縫的可能性。2、從焊接設(shè)計(jì)出發(fā)，選擇焊材的原則16MnF是焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用最

3、多的鋼種，一般焊縫按等強(qiáng)設(shè)計(jì)，此鋼種國(guó)內(nèi)的焊接材料、 焊接方法配套均非常成熟。關(guān)于610U2類(lèi)型的低碳調(diào)質(zhì)鋼，本來(lái)其可焊性也是較好的，但是在焊接時(shí)若處理不 當(dāng)，在熔合區(qū)的冷裂和影響區(qū)的脆化和軟化等缺陷也有發(fā)生，在特殊情況下特別是 在工地安裝中，對(duì)焊接熱輸入和預(yù)熱等方面有一定要求。焊接無(wú)裂紋鋼種，采用低 H或超低H焊材，在板厚50mm以下或在0C以上環(huán)境均可 不預(yù)熱。此種鋼冶煉技術(shù)優(yōu)越， 其力學(xué)指標(biāo)突出， 特別是在屈強(qiáng)比的沖擊性能方面 （如 本次選用的610U2就是這樣），但在焊接時(shí)，如要求焊縫沖擊性能達(dá)到母材要求，這 顯然是不合適，焊縫設(shè)計(jì)其力學(xué)指標(biāo)以工作要求為主，不低于母材力學(xué)指標(biāo)的保證 值

4、，再留有適當(dāng)余量，而不應(yīng)該以母材的實(shí)測(cè)值為標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)為了提高焊縫的塑韌 性可適當(dāng)降低焊縫的設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)。實(shí)踐證明，低強(qiáng)匹配的焊縫，往往能提高焊縫 的韌性和抗裂紋敏感性。3、關(guān)于焊接方法壓力鋼管的主要加工工藝是焊接，原則上，手工電弧焊、埋弧焊、氣保護(hù)實(shí)心焊絲 和藥芯焊絲焊，自保護(hù)藥芯焊絲等均可選用，應(yīng)根據(jù)施工條件、結(jié)構(gòu)形式、效率與 成本核算、焊接質(zhì)量的水平綜合考慮，選擇原則應(yīng)為：在好的勞動(dòng)條件下，低成本 地完成高質(zhì)量的焊縫。這次論證會(huì)上的基本結(jié)論是：廠(chǎng)房預(yù)制推行自動(dòng)實(shí)心焊絲氣保護(hù)焊；工地安裝采用 手工焊；研制全位置自動(dòng)焊設(shè)備。對(duì)此結(jié)論大多數(shù)與會(huì)者雖能接收，但還存在某些 疑慮。（1）從保證焊接質(zhì)量

5、出發(fā)，焊接冶金過(guò)程完善（如通過(guò)滲合金控制焊縫成分和 H值含 量）；保護(hù)好；焊接熱源能量集中，易控制熱輸入和焊接變形；能通過(guò)焊接設(shè)備控制 焊接質(zhì)量等，具有這些能力的焊接方法是最好的。對(duì)這二種鋼特別是610U2應(yīng)首選氣保焊，因?yàn)榈秃辖鸶邚?qiáng)鋼焊接質(zhì)量的主要問(wèn)題是 焊接裂紋和熱影響區(qū)的脆化和軟化，而氣保焊最大的特點(diǎn)是低 H焊、易控制熱輸入，例如測(cè)擴(kuò)散H含量平均值為：手工電弧焊的酸性焊條 21.9，堿性焊條3.15 ; C02保護(hù)焊1，MAG旱0.03，埋弧焊2.17，單位：ml/100g。焊接的抗銹能力實(shí)驗(yàn)：埋弧焊當(dāng) 0.3g/10mm時(shí)產(chǎn)生氣孔，而C02焊1g/10mm才產(chǎn)生 氣孔。所以，C02焊是

6、一種低H焊接。另外氣保焊能量密度大，在正常規(guī)范下，其熱 輸入僅為手工焊的1/21/3（特別是脈沖MAG旱）而且變形小，這對(duì)具有一定熱敏感 性的高強(qiáng)鋼極為重要。氣保焊的優(yōu)點(diǎn)是效率高成本低，因?yàn)樗娜刍矢?，不?清渣換焊條，坡口小，熔敷金屬少，坡口加工量少。（2） 氣保焊分實(shí)心焊絲和藥芯焊絲，它們有一些共同的特點(diǎn)，如熱量集中、高效，也 有不同處（見(jiàn)后）。氣保焊已成為焊接碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼的主要工藝方法，我國(guó)造 船工業(yè)所用鋼材與三峽的16MnF和610U2基本類(lèi)似，其熔化極氣體保護(hù)所占比例已 達(dá) 60%以上（其中藥芯焊絲又占?xì)獗：?50%以上），其它行業(yè)如石化、電力、機(jī)械等也 基本相同。說(shuō)明這種

7、焊接方法是金屬結(jié)構(gòu)制造企業(yè)的看家方法。4、關(guān)于氣保焊的效率和質(zhì)量由于氣保焊特別是C02旱有一定局限性，另一方面推廣氣保焊是個(gè)系統(tǒng)工程，從設(shè) 備、焊材配套到焊縫設(shè)計(jì)等，全都要適應(yīng)新方法。所以推廣時(shí)還需制定規(guī)程和獎(jiǎng)勵(lì) 制度。4.1 氣保焊的效率 一種焊接方法的效率，由它的熔深、能量密度、熔化速度、熔敷效率等因素決定， 除此以外，被焊工件的坡口型式及其填允量，也直接影響效率。手工焊和氣保焊熱源雖都是電弧，但是由于燃弧率不同，弧區(qū)介質(zhì)不同，所以會(huì)影 響熔深和能量密度，從而使熔化速度，熔敷效率有很大差別。燃弧率熔敷速度熔敷效率平均熔深手工焊 30%3& 50g/min55%3mmCO245平均 90g/

8、min90 95%6mmMIG/MAG5O%6014Og/mi n96 99%6mm焊芯焊絲 50%14200g/min83 87%6mm從表中熔敷速度和熔敷效率看，氣保焊單位時(shí)間熔敷到焊縫上的金屬量應(yīng)該比手工焊多兩倍以上。在推廣氣保焊時(shí)，實(shí)際效率的提高往往達(dá)不到理論數(shù)據(jù)，很重 要的原因是焊件坡口型式?jīng)]有做相應(yīng)的改變；另外就是由于氣保焊設(shè)備材料不配套 或使用不當(dāng)，大大增加了輔助時(shí)間，從我國(guó)船廠(chǎng)統(tǒng)計(jì)看，氣保焊每日消耗焊材 1015kg（日本可到50kg），手工焊67kg。4.2 氣保焊的質(zhì)量 氣保焊不但可用于低合金高強(qiáng)鋼的焊接，而且可以說(shuō)是焊接的首選方法。這不僅因 為它比手工焊的效率最少高一倍以

9、上，而且它最易保證高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量。如在 1 中所述，選材很好，碳當(dāng)量和裂紋敏感系數(shù)都很小，可焊性良好，這就不需 要很多復(fù)雜工藝而能保證質(zhì)量。當(dāng)然對(duì)這樣一項(xiàng)跨世紀(jì)工程來(lái)說(shuō)，仍需作到萬(wàn)無(wú)一 失。16MnRS于C-Mn系列的熱軋正火鋼，610U2屬于超低碳多元素調(diào)質(zhì)鋼，一般均 在焊態(tài)下使用。這兩類(lèi)鋼焊接接頭質(zhì)量的主要問(wèn)題是保證焊縫的高綜合性能，防止 影響區(qū)的脆化和軟化， 保證熔合區(qū)和熱影響區(qū)不發(fā)生裂紋并有一定韌性。 由于 610U2 屬于熱處理強(qiáng)化鋼在焊態(tài)下使用，如何同時(shí)保證焊縫的綜合性能及熱影響區(qū)的韌性，實(shí)踐證明雖不是非常困難，但在選擇焊接材料及工藝時(shí)應(yīng)保證焊縫金屬一定的化學(xué) 成分，選擇合適的線(xiàn)

10、能量與適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和層間溫度相配合，從而得到合適的 t8/5 ， 以保證熱影響在AC1-AC；之間的部分得到合適的組織（最多的針狀鐵素體，最少的M-A 組元）和品粒度。另外還應(yīng)控制含 H量，進(jìn)一步防止冷裂的發(fā)生。低C調(diào)質(zhì)鋼特別是CP鋼，含C量極低，熱影響區(qū)只能形成低 C馬氏體、巳由于Ms 點(diǎn)較高，能產(chǎn)生自回火，所以冷裂傾向不大，又由于含C, S量都低，Mn/S大，所以熱裂傾向很小，只要注意工藝的選用，不管是手工焊、埋弧焊，實(shí)心或藥芯氣保焊 均可保證焊接質(zhì)量?？梢钥闯?選擇焊材可以保證焊縫成分,但更重要的是選擇合 適的工藝。選用氣保焊焊接上述兩種鋼,應(yīng)該說(shuō)是最合適的方法,因?yàn)樗鼰崃考?容易控制

11、熱輸入，又是一種低H焊接法；在允許的同樣線(xiàn)能量下，其焊接效率又大大高于手 工焊,焊接變形小,不易引起應(yīng)力集中和矯正工時(shí),但是為什么至今在部分單位得 不到認(rèn)同呢 ?其原因首先是方法本身的局限性：氣保焊有惰性氣體非熔化極（T1G）、C02氣體實(shí)心焊絲和藥芯焊絲、氧化性混合氣體實(shí)心和藥芯焊絲幾種。除TIG外均可 用于此二種鋼,與手工焊和埋弧焊相比,實(shí)心焊絲保護(hù)焊不是氣渣聯(lián)合保護(hù),在調(diào) 整成分方面主要通過(guò)焊絲。在冶金反應(yīng)方面單,所以為保證質(zhì)量,冶煉專(zhuān)用配套 焊絲很重要；另外,由于氣體起保護(hù)作用并參與熱反應(yīng),有許多優(yōu)點(diǎn)（如能形成帶電離子和壓縮電弧，電弧能量密度加大，低H）也有其缺點(diǎn)（如增C,形成氣孔），

12、所以， 在焊接碳素結(jié)構(gòu)鋼和熱軋正火低合金鋼常用的焊絲中，降低含C量，加大Mn Si含量以保證焊縫的金屬成分和性能,特別是韌性。除氣保焊本身局限性外,我國(guó)配套 焊絲極不完善（H08Mn2Si和H08Ma2SiA，這就是許多部門(mén)采用氣保焊后不能達(dá)到希 望的焊縫性能的原因。特別是在焊接低C調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，需要針對(duì)鋼種選用合適的焊絲。 加之選擇工藝程序不合理,設(shè)備使用不當(dāng),氣體選用處理不當(dāng),工人又都是手工焊 轉(zhuǎn)行，自然推廣氣保焊就有一定阻力。5、關(guān)于韌性 對(duì)韌性的擔(dān)心源于焊接接頭的低應(yīng)力破壞，而低應(yīng)力破壞的原因，是材料在一定溫 度下的塑脆轉(zhuǎn)變和接頭存在的缺陷擴(kuò)張?jiān)斐傻模虼藦馁|(zhì)量保證體系上分別用沖擊 韌性和

13、斷裂韌性指標(biāo)來(lái)控制以上兩種原因所引起的脆性破壞。雖然過(guò)去發(fā)生的脆斷實(shí)例均是在有缺陷的情況下產(chǎn)生的，但是接頭中微小缺陷難于 檢測(cè)，而且斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)過(guò)于復(fù)雜，所以一般結(jié)構(gòu)均以控制沖擊韌性指標(biāo)為主， 但沖擊韌性指標(biāo)是材料塑性和強(qiáng)度的綜合指標(biāo)，塑脆轉(zhuǎn)變溫度又是一個(gè)范例，所以 它不能單一成比例的反映其塑性。材料沖擊韌性指標(biāo)的確定過(guò)程（例如碳素鋼的常溫為27J，低合金鋼-20 C及-30 C為 47J） ，是以分析過(guò)去脆斷實(shí)例和有關(guān)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)且有一定裕量，所以在滿(mǎn)足指標(biāo)要 求又不存在可檢缺陷時(shí)， 一般不會(huì)發(fā)生脆斷事件， 對(duì)重要結(jié)構(gòu)還應(yīng)做斷裂韌性實(shí)驗(yàn)。 焊接接頭的韌性包括焊縫及近縫區(qū)韌性，近縫區(qū)的韌性主要

14、與近縫區(qū)的脆化有關(guān)， 近縫區(qū)脆化原因與晶粒數(shù)、析出相、灰雜物偏析、組織及其變化有關(guān)。所以提高接 頭韌性，對(duì)應(yīng)控制焊縫合金化和熱循環(huán)；而對(duì)近縫區(qū)只能合理選擇母材、控制線(xiàn)能 量和熱循環(huán)。關(guān)于三峽工程所用兩種鋼的韌性控制問(wèn)題，16MR旱接在我國(guó)已很有經(jīng)驗(yàn)；對(duì)于610U2 鋼，制造廠(chǎng)成分匹配合理和煉鋼技術(shù)高超，CEQ和PCM艮低，綜合性能很好，其沖擊韌性在-20 C時(shí)均達(dá)200J以上；在選擇焊材和焊接方法上，三峽的實(shí)踐證明手工焊 沖擊韌性最高；但不能因此則認(rèn)為只能用手工旱。根據(jù)以上分析，提高焊縫韌性決定于合金化和冷卻速度 （ 線(xiàn)能量和子熱等 ） 。而合金 化靠選擇焊材和保證過(guò)渡，因此，手工焊和氣保焊藥

15、芯絲較有利，因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)手工 焊條配套最全，兩者均是氣渣聯(lián)合保護(hù)，但其它方法也都可以保證控制焊縫成分； 對(duì)近縫區(qū)，由于母材已定，應(yīng)從焊接工藝上控制線(xiàn)能量及預(yù)熱手段。所以不管上述 的那種焊接方法，只要能選擇合適的焊材和焊接工藝，均可保證韌性要求，但對(duì)韌 性指標(biāo)的要求應(yīng)科學(xué)而適當(dāng)。從青云和葛洲壩集團(tuán)提供的材料看，實(shí)驗(yàn)雖還不完善，但數(shù)據(jù)也完全說(shuō)明此結(jié)論 （ 見(jiàn)6.1 ，6.2 內(nèi)容） 。無(wú)限制提高沖擊韌度裕量不但在經(jīng)濟(jì)上不可取，在保證質(zhì)量方面也 無(wú)大好處，因?yàn)闆_擊韌度是代表塑性和強(qiáng)度的綜合指標(biāo)，沖擊韌度很高時(shí)，（T S會(huì)相應(yīng)提高，斷裂韌性的指標(biāo) -裂紋容限尺寸就會(huì)減小，所以接頭沖擊韌度數(shù)值應(yīng)保證其 最

16、低平均值達(dá)到母材的設(shè)計(jì)保證值且有一定裕量即可，不應(yīng)以母材實(shí)測(cè)值為標(biāo)準(zhǔn)。6、關(guān)于C02實(shí)心焊絲和藥芯焊絲焊接6.1 關(guān)于實(shí)心焊絲的焊接 實(shí)心焊絲氣保護(hù)焊應(yīng)是這兩種鋼的首選工藝方法，不僅可在廠(chǎng)房?jī)?nèi)預(yù)制，還應(yīng)用到 工地安裝上，但要在工地風(fēng)力允許或解決防風(fēng)措施情況下，上面已闡述了此方法的 優(yōu)點(diǎn)，效率是手工焊的23倍，低H,特別是脈沖焊，在平均電流較低的情況下達(dá) 到大熔深，并能控制熱輸入和全位置焊的成形。此方法的韌性不但被過(guò)去的實(shí)踐證明，本次葛洲壩集團(tuán)的實(shí)驗(yàn)也證明了接頭具有 良好的沖擊韌性，其數(shù)據(jù)如下：焊絲和保護(hù)氣所達(dá)到的沖擊韌性（平均值）J（-20 C）鋼種沖擊韌性部位要求值國(guó)產(chǎn)08MnSi+CO日本

17、MG50 A葉20%CO216Mn陽(yáng)27(常溫)焊縫熱影響區(qū)45941244974152 47(-20 C)焊縫熱影響區(qū)日本 MG60 A葉20%CO2MGA63A葉20%CO2610U247(-40 C )108.6105 128265294，不斷過(guò)去，實(shí)心焊絲CO2保護(hù)焊不被人歡迎的的另一個(gè)原因是這種方法飛濺大，焊縫 成型不美觀，設(shè)備復(fù)雜等，但隨著技術(shù)進(jìn)步，隨著對(duì)工藝方法本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和設(shè)備不 斷改進(jìn)，利用氣保焊工藝方法的特點(diǎn)和設(shè)備配合，可取得更大效益。 由于氣保焊的特點(diǎn)，熔滴過(guò)渡有短路、大滴、噴射三種方式初期，三種過(guò)渡方式只 決定于電弧電壓和電流參數(shù)， 在短路和大滴過(guò)渡時(shí)， 熔滴是非軸向過(guò)渡

18、， 顆粒又大， 所以焊接飛濺很大。而對(duì)于 CO2氣體又很難得到細(xì)滴噴射。后來(lái)采用了富氬的混合 氣體保護(hù)（A葉20%25%CO或 Ar+2%5%C02）使產(chǎn)生噴射過(guò)渡的臨界電流大大下降， 焊接時(shí)飛濺極少，無(wú)噪音，全位置焊時(shí)易成形。氣保焊的另一個(gè)技術(shù)進(jìn)步就是脈沖焊的應(yīng)用，脈沖焊采用峰值電流和維持電流間斷 改變，這對(duì)特殊 （ 橫立仰全位置 ）焊接有很大好處，而且對(duì)需控制熱輸入的材料以小 的熱輸入（小的平均電流）達(dá)到高效高質(zhì)量焊接。初期要得到脈沖焊較難，因?yàn)闅獗?焊的電流大小決定于送絲速度，小規(guī)范時(shí)，送絲速度低，為短路過(guò)渡，電弧不穩(wěn)， 飛濺大，而現(xiàn)在設(shè)備先進(jìn)，特別是逆變技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使脈沖焊

19、不必以 脈動(dòng)送絲取得，且可在任意電流下得到噴射過(guò)渡，也可得到頻率范圍很寬的脈沖焊 接即現(xiàn)在幾種混合氣體不必單獨(dú)輸送，氣體廠(chǎng)已混合好，另外焊把已把氣絲電 合一，送絲機(jī)經(jīng)中間裝置可長(zhǎng)距離送絲。所以，根據(jù)其效率高，質(zhì)量好，特別是脈 沖焊的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該盡量在工地安裝中應(yīng)用。6.2 關(guān)于藥芯焊絲的焊接 藥芯焊絲有氣保護(hù)和自保護(hù)兩大類(lèi)，白保護(hù)主要用于工地安裝和用氣不方便的地方， 防風(fēng)能力可達(dá)四級(jí)（21%; Ak-200C，美國(guó)平均108J、98J、日本平均85J）;南韓焊 絲其 5 5 一般為 16%- 19%Ak-20 C平均值 TWE811Nil42-49J,TWE911Ni2F均 52-67J , 但3 b（ 5 s）高，5低，剛滿(mǎn)足要求值也不理想。其實(shí)，葛洲壩集團(tuán)自己的藥芯焊絲 的實(shí)驗(yàn)也否認(rèn)了上述資料的結(jié)論。從以上實(shí)驗(yàn)可以得到這樣的結(jié)論：只要焊材選擇適當(dāng)，氣保護(hù)藥芯焊接完全可以 滿(mǎn)足母材的性能要求；藥芯焊絲制造水平影響焊絲穩(wěn)定性；接頭的塑性不僅取 決于焊材和氣體， 而且還取決于線(xiàn)能量和預(yù)熱等工藝參數(shù)。 上述試驗(yàn)均為特殊位置， 如經(jīng)仔細(xì)研究后確定工藝參數(shù)，其接頭性能可能比上述試驗(yàn)還好。關(guān)于自保護(hù)藥性焊絲能否采用，首先看為什么采用，如果焊低合金高強(qiáng)鋼的重要結(jié) 構(gòu)，為保證質(zhì)量必須采用堿性或鈦鈣加 Ni 的焊絲，