高強(qiáng)度超厚板焊接技術(shù)

1、高強(qiáng)度超厚板焊接技術(shù)尚林義王東紅萬(wàn)六百（中機(jī)建重工有限公司 廣東中山 528437）摘要：本文通過(guò)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)及工程實(shí)例成功應(yīng)用，認(rèn)真分析總結(jié)了高強(qiáng)度超厚板的焊接性，并針對(duì)焊接接頭的特點(diǎn)、難點(diǎn)，選擇合適的焊接方法，制定科學(xué)的焊接工藝方案，采取嚴(yán)格有效的工藝管理，確保了超厚板焊接質(zhì)量。關(guān)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(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的高強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)備中，為了滿足這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用要求，無(wú)疑對(duì)其結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)和焊接質(zhì)量提出更高的要求。例如：我公司承建的澳大利亞堆取料機(jī)重裝

2、備制造工程中就大量使用Q420C級(jí)高強(qiáng)鋼，其厚度在80mm-180mm之間，主要用在三角平臺(tái)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、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(qiáng)度高、板件厚，焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱影響區(qū)的脆化和各種裂紋。那么，采取哪些措施來(lái)保證高強(qiáng)度超厚板焊接質(zhì)量是本文分析研究的重點(diǎn)。1高強(qiáng)鋼焊接性能分析1.1 原材料選擇在本工程中，t80mm為Q420C材質(zhì)，最大厚度為180mm，所以我們選用具有代表性的120mm厚材料進(jìn)行試驗(yàn)分析。1.2 原材料物理化學(xué)性能見(jiàn)表1-1表1-1Q420C原材料理化性能表鋼號(hào)化學(xué)成分（0.001%）機(jī)械性能CSiMnSPCrAlMoTiCuNbN

3、iVsMPabMPas%沖擊、彎曲(d=3a)Q420C17043014002125037136021303539560024.5合格1.3碳當(dāng)量碳當(dāng)量計(jì)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(yù)熱溫度確定為了計(jì)算方便準(zhǔn)確，本文采用seferain法來(lái)計(jì)算預(yù)熱溫度，該方法考慮了成分碳當(dāng)量和板厚的兩個(gè)因素。成分碳當(dāng)量計(jì)算公式【2】：Cc=C+40(Mn+Cr)/360+20Ni/360+28Mo/360另外 引入了一個(gè)板厚碳當(dāng)

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

5、0.4%，對(duì)于t=120mm的Q420C鋼來(lái)說(shuō),其焊接性較差，所以焊接時(shí)必須采取有效措施來(lái)改善焊接性能和保證焊接質(zhì)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(hù)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(shí)間長(zhǎng)，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(guò)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(zhì)量好；三藥芯CO2焊焊絲熔敷速度快、生產(chǎn)效率高、 操作簡(jiǎn)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(diǎn)：熔深比焊條電弧焊大，焊縫金

6、屬的含氫量較小，坡口設(shè)計(jì)時(shí)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(jiàn)，便于調(diào)整。2.2焊材選擇焊材選用原則是在保證焊接結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡量選用工藝性能好、生產(chǎn)效率高的焊材。同時(shí)，我們也重點(diǎn)考慮了焊件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件，在不低于母材最低抗拉強(qiáng)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(guò)工藝試驗(yàn)，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(qiáng)度鋼的碳當(dāng)量較大，冷裂紋傾向大；又因?yàn)榘寮容^厚，焊接填充量大，高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，焊接應(yīng)力大，容易產(chǎn)生變形；Z向性能比薄板差，容易產(chǎn)生層狀撕

7、裂。基于上述原因，在焊材確定后，我們分別從以下幾個(gè)方面確定焊接工藝方案：3.1坡口形式設(shè)計(jì)超厚板坡口設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意幾個(gè)方面的問(wèn)題：一焊接時(shí)CO2焊絲的可達(dá)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(nèi)部質(zhì)量?；谶@幾個(gè)方面考慮，我們將120mm板對(duì)接坡口設(shè)計(jì)成不對(duì)稱X型或K型坡口，如圖3-1所示的兩種形式：圖3-1平對(duì)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(gè)方面的檢查：3.2.1對(duì)持證焊工進(jìn)行檢查核對(duì)；3.2.2對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行檢查，檢查焊機(jī)工作性能是否正常，電流表、電壓表指示是否正常；CO2流量計(jì)是否正常，加熱是否正常；3.2.3使用焊材的規(guī)格、牌號(hào)與工

8、藝評(píng)定所確定的是否一致；3.2.4焊接工程師是否已經(jīng)對(duì)焊接工藝進(jìn)行了交底，焊工對(duì)焊接工藝是否清楚；3.2.5焊接環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速等是否滿足焊接要求，必要時(shí)采取防護(hù)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(wú)污物、無(wú)銹跡等。3.3焊前預(yù)熱3.3.1預(yù)熱溫度由式【5】計(jì)算出的預(yù)熱溫度Tp=184.45，由于南方天氣較暖，焊后會(huì)及時(shí)進(jìn)行后熱處理，所以，最終將預(yù)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?yàn)榘寮^厚，加熱時(shí)間較長(zhǎng)，加熱面積較大，所以，加熱分兩個(gè)階段。開(kāi)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(cè)100mm-150mm范圍，火焰要在工件表面不停游走，停留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)工件表面溫度達(dá)到60以上時(shí)，改用電加熱，預(yù)熱速度在3/min,大約30min后達(dá)到150。3.3.3溫度測(cè)量 測(cè)溫采用紅外線測(cè)溫儀，測(cè)溫時(shí)間選擇在停止加熱2min后，測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置在工件的正反面的焊道兩側(cè)各75mm處，測(cè)距不得大于200mm。3.4焊接3.4.1焊接規(guī)范參數(shù)焊絲LW-71，規(guī)格1.2mm，保護(hù)氣體CO2，純度99.5%，極性是直流反接。焊接規(guī)范參數(shù)見(jiàn)表3-1。表3-1焊接規(guī)范參數(shù)焊接層數(shù)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(huì)對(duì)上一層進(jìn)行熱處理，但層間溫度也不能過(guò)高，如果不控制層間溫度會(huì)造成熱影響區(qū)加大，近縫區(qū)晶粒長(zhǎng)大，韌性降低。一般層間溫度不宜低于預(yù)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(cè)，當(dāng)完成焊縫的2/3時(shí)暫停施焊，反面進(jìn)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(guò)渡，方便焊接；（3）從氣刨側(cè)繼續(xù)施焊，直至完成本側(cè)焊接

11、，在施焊過(guò)程中注意觀察或測(cè)量變形情況；（4）最后完成另一側(cè)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(duì)稱焊接。3.4.4焊接注意事項(xiàng)（1）同一條焊縫盡量一次完成，特殊情況下，應(yīng)采取焊后保溫緩冷，在重新施焊前應(yīng)按要求進(jìn)行重新預(yù)熱處理；（2）焊接過(guò)程中應(yīng)注意CO2流量計(jì)通電保溫，嚴(yán)格控制氣體的含水量；（3）焊接過(guò)程中應(yīng)采用多層多道、窄焊道薄焊層的焊接方法；（4）焊接時(shí)，嚴(yán)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(guò)4mm；（5）每焊完一層應(yīng)進(jìn)行一次層間溫度測(cè)量，當(dāng)層溫超過(guò)3.4.2規(guī)定的溫度時(shí)應(yīng)暫停焊接，待溫度降至規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)開(kāi)始焊接；（6）每焊完一層應(yīng)用手

12、動(dòng)打磨機(jī)或風(fēng)鏟清除焊道內(nèi)氧化物和藥皮，并仔細(xì)檢查焊道內(nèi)是否存在缺陷，如果有應(yīng)進(jìn)行清除后方可焊接；（7）焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝（WPS）規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行施焊，嚴(yán)禁焊工超規(guī)范焊接；（8）嚴(yán)禁在工件表面進(jìn)行打火、起弧，工件表面嚴(yán)禁電弧擦傷；（9）在去除引、熄弧板或碼板時(shí)，應(yīng)離開(kāi)工件2mm-3mm位置用火焰切除，然后用電動(dòng)打磨機(jī)磨除根部，嚴(yán)禁傷及母材；（10）焊接完成后，應(yīng)立即按照第4章要求進(jìn)行后熱處理；（11）焊接完成后48h進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，當(dāng)焊接檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照第5章要求進(jìn)行返修處理。4焊后熱處理對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別高的低合金鋼和厚度大、拘束度較大的焊接結(jié)構(gòu)，采取焊后立即進(jìn)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(yīng)力，預(yù)防延遲裂紋的產(chǎn)生。 4.1后熱溫度后熱溫度經(jīng)驗(yàn)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(dāng)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(jīng)計(jì)算得到：后熱溫度Tpc=86.37。參考式【6】計(jì)算結(jié)果，最終后熱溫度確定為100。4.2保溫時(shí)間當(dāng)工件厚度t50mm時(shí)，最短保溫時(shí)間為(150+t)h/100(經(jīng)驗(yàn)

14、公式)，經(jīng)計(jì)算可得最短保溫時(shí)間為2.7h。4.3保溫方式 采用履帶式電加熱方式進(jìn)行保溫，將溫度控制在100±10之內(nèi)。保溫期間需用紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行檢測(cè)，并用石棉布將焊縫周圍進(jìn)行圍裹。當(dāng)達(dá)到保溫時(shí)間后在空氣中進(jìn)行自然冷卻。5焊縫檢驗(yàn)及返修5.1外觀及無(wú)損檢測(cè)當(dāng)工件溫度自然冷卻至環(huán)境溫度后，開(kāi)始對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，無(wú)損檢測(cè)（按圖紙要求）。無(wú)損檢測(cè)時(shí)間是焊接完成后48h。在堆取料機(jī)裝備工程制造過(guò)程中，我們對(duì)Q420C材質(zhì)厚板焊接全部采用這種焊接工藝方案，焊縫經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格率達(dá)到99%以上，所有焊縫沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)焊接裂紋。5.2焊縫返修 當(dāng)焊縫存在內(nèi)部缺陷時(shí)，其返修工藝和檢驗(yàn)程序嚴(yán)格按照原焊接工藝和檢驗(yàn)程序執(zhí)行，同一處焊縫返修次數(shù)不宜超過(guò)兩次。6結(jié)論在高強(qiáng)鋼超厚板焊接中，首先，要認(rèn)真分析原材料的焊接性以及焊接難點(diǎn)；其次，通過(guò)計(jì)算獲得合適的預(yù)熱溫度、層間溫度和后熱溫度；再次，根據(jù)材料的焊接性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的焊接方法，通過(guò)工藝評(píng)定