高強度超厚板焊接技術

1、高強度超厚板焊接技術尚林義王東紅萬六百（中機建重工有限公司 廣東中山 528437）摘要：本文通過焊接工藝評定試驗及工程實例成功應用，認真分析總結了高強度超厚板的焊接性，并針對焊接接頭的特點、難點，選擇合適的焊接方法，制定科學的焊接工藝方案，采取嚴格有效的工藝管理，確保了超厚板焊接質量。關鍵詞：超厚板；焊接工藝；CO2焊接方法；焊接性；焊后熱處理隨著鋼結構產業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的高強度超厚板被用于大跨度、超高層、造型奇特的建筑工程和載荷大、沖擊性能要求高的重型鋼結構設備中，為了滿足這些結構的設計和使用要求，無疑對其結構的焊接技術和焊接質量提出更高的要求。例如：我公司承建的澳大利亞堆取料機重裝

2、備制造工程中就大量使用Q420C級高強鋼，其厚度在80mm-180mm之間，主要用在三角平臺、回轉平臺、十字平衡梁等重要受力部位和穿軸耳板部位。因Q420C鋼是正火交貨，再加上其強度高、板件厚，焊接時容易產生熱影響區(qū)的脆化和各種裂紋。那么，采取哪些措施來保證高強度超厚板焊接質量是本文分析研究的重點。1高強鋼焊接性能分析1.1 原材料選擇在本工程中，t80mm為Q420C材質，最大厚度為180mm，所以我們選用具有代表性的120mm厚材料進行試驗分析。1.2 原材料物理化學性能見表1-1表1-1Q420C原材料理化性能表鋼號化學成分（0.001%）機械性能CSiMnSPCrAlMoTiCuNbN

3、iVsMPabMPas%沖擊、彎曲(d=3a)Q420C17043014002125037136021303539560024.5合格1.3碳當量碳當量計算公式【1】：CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.17+1.4/6+(0.05+0.001+0.035)/5+(0.03+0.06)/15=0.4265%0.4%1.4預熱溫度確定為了計算方便準確，本文采用seferain法來計算預熱溫度，該方法考慮了成分碳當量和板厚的兩個因素。成分碳當量計算公式【2】：Cc=C+40(Mn+Cr)/360+20Ni/360+28Mo/360另外 引入了一個板厚碳當

4、量 Ct板厚碳當量計算公式【3】：Ct=0.005tCc （t為板厚 mm）總的碳當量計算公式【4】：C=Cc+Ct=Cc(1+0.005t) 預熱溫度Tp計算公式【5】：Tp=350c-0.25即預熱溫度可由公式【5】得出， 這種方法能較快速的得到構件焊前的預熱溫度。因此，由表1-1和公式【2】【3】【4】【5】可得到：預熱溫度Tp=184.45。1.5焊接性分析相關研究表明，碳當量CE大于0.4%時，鋼材焊接時基本上有淬硬傾向。當冷卻速度過快時，有可能產生馬氏體淬硬組織。尤其當板件較厚，拘束應力和擴散氫含量較高時，就必須采取適當措施來防止冷裂紋產生。式【1】中CE(IIW)=0.4265%

5、0.4%，對于t=120mm的Q420C鋼來說,其焊接性較差，所以焊接時必須采取有效措施來改善焊接性能和保證焊接質量。2 焊接方法及焊材選擇2.1焊接方法選擇在本工程中，厚板焊接方法選擇的是藥芯CO2氣體保護焊，其原因有四：一因Q420C鋼供貨狀態(tài)是正火，隨著焊接熱輸入增大，高溫停留時間長，其脆化就越顯著，所以要選擇熱輸入較小的焊接方法，避免熱影響區(qū)增大，防止正火鋼過熱區(qū)脆化；二藥芯CO2焊電流密度大、熱量集中、熔池小、熱影響區(qū)窄，因此焊后工件變形小，焊縫質量好；三藥芯CO2焊焊絲熔敷速度快、生產效率高、 操作簡單、 成本較低；四是與焊條電弧焊和埋弧焊相比有突出優(yōu)點：熔深比焊條電弧焊大，焊縫金

6、屬的含氫量較小，坡口設計時可比焊條電弧焊的坡口角度小、間隙小和鈍邊大，能夠減少填充量。比埋弧焊靈活，適用全位置焊接，電弧可見，便于調整。2.2焊材選擇焊材選用原則是在保證焊接結構安全的前提下，盡量選用工藝性能好、生產效率高的焊材。同時，我們也重點考慮了焊件的結構特點和工作條件，在不低于母材最低抗拉強度下，我們從提高焊接接頭的抗脆性斷裂能力和抗裂性能方面考慮，通過工藝試驗，最終選擇了含有少量Ni的林肯藥芯焊絲（LW-71）。3焊接工藝方案確定由于Q420C高強度鋼的碳當量較大，冷裂紋傾向大；又因為板件比較厚，焊接填充量大，高溫停留時間長，焊接應力大，容易產生變形；Z向性能比薄板差，容易產生層狀撕

7、裂?；谏鲜鲈颍诤覆拇_定后，我們分別從以下幾個方面確定焊接工藝方案：3.1坡口形式設計超厚板坡口設計時，需要注意幾個方面的問題：一焊接時CO2焊絲的可達性；二盡量減少焊縫金屬量，減小變形量；三確保焊縫熔透和內部質量?；谶@幾個方面考慮，我們將120mm板對接坡口設計成不對稱X型或K型坡口，如圖3-1所示的兩種形式：圖3-1平對接和T型接頭形式3.2焊前檢查在焊接作業(yè)前，焊接檢查員要做好以下幾個方面的檢查：3.2.1對持證焊工進行檢查核對；3.2.2對焊接設備進行檢查，檢查焊機工作性能是否正常，電流表、電壓表指示是否正常；CO2流量計是否正常，加熱是否正常；3.2.3使用焊材的規(guī)格、牌號與工

8、藝評定所確定的是否一致；3.2.4焊接工程師是否已經對焊接工藝進行了交底，焊工對焊接工藝是否清楚；3.2.5焊接環(huán)境溫度、濕度、風速等是否滿足焊接要求，必要時采取防護措施；3.2.6焊接接頭的清理工作是否完成，確保焊道中間及焊道周圍清潔、無污物、無銹跡等。3.3焊前預熱3.3.1預熱溫度由式【5】計算出的預熱溫度Tp=184.45，由于南方天氣較暖，焊后會及時進行后熱處理，所以，最終將預熱溫度確定為150-180之間。3.3.2加熱方式為了提高加熱效率和保證受熱均勻，我們采用火焰加熱和履帶式電加熱兩種方式配合使用。因為板件較厚，加熱時間較長，加熱面積較大，所以，加熱分兩個階段。開始階段采用火焰

9、均勻加熱，加熱區(qū)域在工件正反面的焊道及兩側100mm-150mm范圍，火焰要在工件表面不停游走，停留時間不宜過長。當工件表面溫度達到60以上時，改用電加熱，預熱速度在3/min,大約30min后達到150。3.3.3溫度測量 測溫采用紅外線測溫儀，測溫時間選擇在停止加熱2min后，測溫點設置在工件的正反面的焊道兩側各75mm處，測距不得大于200mm。3.4焊接3.4.1焊接規(guī)范參數焊絲LW-71，規(guī)格1.2mm，保護氣體CO2，純度99.5%，極性是直流反接。焊接規(guī)范參數見表3-1。表3-1焊接規(guī)范參數焊接層數焊材電流（A）電壓（V）焊接速度（mm/min）氣流量（l/min）焊嘴高度（mm

10、）第1層LW-71(E71T-1)200-22024-26200-26015-2010-15第2-n層240-28026-30280-36020-2515-203.4.2層間溫度控制雖然多層多道焊的后一層會對上一層進行熱處理，但層間溫度也不能過高，如果不控制層間溫度會造成熱影響區(qū)加大，近縫區(qū)晶粒長大，韌性降低。一般層間溫度不宜低于預熱溫度，稍高但不宜太高，控制在150-200之間即可。3.4.3焊接順序（1）先焊大坡口側，當完成焊縫的2/3時暫停施焊，反面進行清根；（2）清根完成后，檢查焊道根部是否有缺陷存在，并打磨出金屬光澤，刨槽要圓滑過渡，方便焊接；（3）從氣刨側繼續(xù)施焊，直至完成本側焊接

11、，在施焊過程中注意觀察或測量變形情況；（4）最后完成另一側1/3焊縫的焊接；（5）若是T型接頭，清根后可選擇兩名焊工對稱焊接。3.4.4焊接注意事項（1）同一條焊縫盡量一次完成，特殊情況下，應采取焊后保溫緩冷，在重新施焊前應按要求進行重新預熱處理；（2）焊接過程中應注意CO2流量計通電保溫，嚴格控制氣體的含水量；（3）焊接過程中應采用多層多道、窄焊道薄焊層的焊接方法；（4）焊接時，嚴格控制擺弧寬度，擺弧寬度控制在12mm-20mm之間，每層焊厚不超過4mm；（5）每焊完一層應進行一次層間溫度測量，當層溫超過3.4.2規(guī)定的溫度時應暫停焊接，待溫度降至規(guī)定范圍內時開始焊接；（6）每焊完一層應用手

12、動打磨機或風鏟清除焊道內氧化物和藥皮，并仔細檢查焊道內是否存在缺陷，如果有應進行清除后方可焊接；（7）焊接時應嚴格按照焊接工藝（WPS）規(guī)定的參數進行施焊，嚴禁焊工超規(guī)范焊接；（8）嚴禁在工件表面進行打火、起弧，工件表面嚴禁電弧擦傷；（9）在去除引、熄弧板或碼板時，應離開工件2mm-3mm位置用火焰切除，然后用電動打磨機磨除根部，嚴禁傷及母材；（10）焊接完成后，應立即按照第4章要求進行后熱處理；（11）焊接完成后48h進行無損檢測，當焊接檢驗發(fā)現缺陷時，應嚴格按照第5章要求進行返修處理。4焊后熱處理對于強度級別高的低合金鋼和厚度大、拘束度較大的焊接結構，采取焊后立即進行熱處理的方式，可以大大

13、降低氫在焊縫中的含量（即消氫），可有效減小焊接應力，預防延遲裂紋的產生。 4.1后熱溫度后熱溫度經驗公式【6】：Tpc=455.5CEp-114式中Tpc是后熱下線溫度（）；CEp是確定后熱溫度的碳當量（%）CEp=C+0.2033Mn+0.0473Cr+0.1288Mo+0.0292Ni+0.0359Cu+1.692S+0.844V-0.0792Si-1.595P即后熱溫度可由公式【6】得出，因此，由表1.2-1和公式【6】經計算得到：后熱溫度Tpc=86.37。參考式【6】計算結果，最終后熱溫度確定為100。4.2保溫時間當工件厚度t50mm時，最短保溫時間為(150+t)h/100(經驗

14、公式)，經計算可得最短保溫時間為2.7h。4.3保溫方式 采用履帶式電加熱方式進行保溫，將溫度控制在100±10之內。保溫期間需用紅外線測溫儀進行檢測，并用石棉布將焊縫周圍進行圍裹。當達到保溫時間后在空氣中進行自然冷卻。5焊縫檢驗及返修5.1外觀及無損檢測當工件溫度自然冷卻至環(huán)境溫度后，開始對焊縫進行外觀檢查，無損檢測（按圖紙要求）。無損檢測時間是焊接完成后48h。在堆取料機裝備工程制造過程中，我們對Q420C材質厚板焊接全部采用這種焊接工藝方案，焊縫經無損檢測合格率達到99%以上，所有焊縫沒有出現過焊接裂紋。5.2焊縫返修 當焊縫存在內部缺陷時，其返修工藝和檢驗程序嚴格按照原焊接工藝和檢驗程序執(zhí)行，同一處焊縫返修次數不宜超過兩次。6結論在高強鋼超厚板焊接中，首先，要認真分析原材料的焊接性以及焊接難點；其次，通過計算獲得合適的預熱溫度、層間溫度和后熱溫度；再次，根據材料的焊接性、結構特點，選擇合適的焊接方法，通過工藝評定