Q420高強鋼焊接工藝設計的研究報告

1、-. z.Q420高強鋼性能分析和焊接工藝研究*宇 *新華鋼構造工程*摘要：通過對低合金高強度構造鋼的焊接影響因素的分析, 為制定合理的焊接工藝提供了依據(jù), 應用該工藝保證了低合金高強度鋼的焊接效果。關鍵詞：焊接性；影響因素；工藝引言自20世紀60年代以來，低合金高強鋼領域取得了驚人的進展，由此而形成了“現(xiàn)代低合金高強鋼，在合金設計及生產(chǎn)工藝諸方面導入了很多新的概念，主要的是：Nb、V、Ti等強烈碳化物形成元素的應用，以及晶粒細化和析出強化為主要內容的鋼的強韌化機理的建立，出現(xiàn)了新一代的低合金高強鋼，即以低碳、高純潔度為特征的微合金化鋼；低合金高強度鋼不再是“簡易生產(chǎn)的普通低合金鋼，而是采用一

2、系列現(xiàn)代冶金新技術生產(chǎn)的精細鋼類，包括鐵水預處理、頂?shù)讖痛缔D爐冶煉、鋼包冶金、連鑄、控扎控冷熱機械處理等技術得到普遍應用，已成為低合金高強度鋼的根本生產(chǎn)流程。高強鋼的焊接性能也是塔桿設計和制造部門比擬關心的一個問題，這主要包括兩個方面，一時裂紋敏感性，二是焊接熱影響區(qū)的力學性能。如果焊接工藝不當，高強鋼焊接時，有焊接熱影響區(qū)脆化傾向，易形成熱裂紋，冷卻速度較快時，有明顯的冷裂傾向。焊接性試驗的相關內容1.1 試驗目的評價母材焊接性能的好壞，確定合理的焊接工藝參數(shù)。1.2 試驗方法最常用的方法直接法：焊接裂紋試驗冷裂紋試驗、熱裂紋試驗、再熱裂紋試驗、脆性斷裂。計算法間接法：碳當量法、焊接裂紋敏感

3、指數(shù)法。 式中：1.3 焊接冷裂紋敏感性分析鋼材的焊接冷裂紋敏感性一般與母材和焊縫金屬的化學成分有關，為了說明冷裂紋敏感性與鋼材化學成分的關系，通常用碳當量來表示。計算碳當量的公式很多，對于Q420鋼，采用了國際焊接學會(IIW)推薦的非調質鋼碳當量CeqIIW計算公式公式1和日本工藝標準JIS推薦的碳當量CeqJIS計算公式公式2進展計算。根據(jù)JGJ812002規(guī)定：鋼材碳當量小于0.38，焊接難度一般；在0.380.45*圍內，焊接程度較難。1.4 熱影響區(qū)最高硬度試驗 熱影響區(qū)最高硬度試驗是以測定焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向來評定鋼材的冷裂紋敏感性。試驗按照GB4675.584焊接熱影響區(qū)最高

4、硬度試驗方法的規(guī)定進展。試驗檢測面經(jīng)打磨拋光后，用2%硝酸酒精溶液淺腐蝕后，參照GB4675.5如圖1所示。圖1 硬度的檢測位置1.5 斜Y坡口焊接裂紋試驗斜Y坡口焊接裂紋試驗小鐵研主要是評定焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋的傾向性。試參照GB4975.184斜Y坡口焊接裂紋試驗方法的規(guī)定進展。試驗焊縫完畢后，經(jīng)48小時后進展裂紋檢查。1.6 鋼材的韌脆轉變溫度以得到27J的V型夏比沖擊值所對應的試驗溫度作為韌脆轉變溫度，測定Q420的韌脆轉變溫度。測定方法如下：直接將角鋼加工成沖擊試樣，并分別在20、0、-20和-40下進展沖擊實驗，根據(jù)實驗結果推斷出沖擊值為27J時所對應的溫度即為韌脆轉變溫度。沖擊

5、功值見圖2。圖2 Q420韌脆轉變溫度 結果說明：0時Q420角鋼的沖擊值大于27J，-5時沖擊值約在27J，因此Q420的韌脆轉變溫度約在-5。 加工單位應注意：在寒冷地帶施工時不要造成構件的損傷，如缺口等。Q420焊接影響因素的控制2.1 焊接方法的選擇高強鋼常用的焊接方法有焊條電弧焊、CO 2 氣體保護焊等，為了減少電弧熱量對母材的影響, 應采用能量較為集中的焊接方式, 如CO 2 氣體保護焊和混合氣體保護焊。為限制線能量, 不能采用大直徑的焊條或焊絲, CO 2 氣體保護焊時宜采用1.2或1.6的焊絲。2.2 焊接材料 選擇焊接材料時一般要求所得焊縫金屬在焊態(tài)下應具有接近于母材的機械性

6、能, 即“等強匹配。在特殊條件下, 如構造的剛度很大、冷裂紋很難防止時, 選擇比母材強度稍低的材料作為填充金屬, 即“低強匹配, 在少許犧牲焊縫強度而提高韌性的情況下, 對焊接接頭的性能更為有利。2.3 保護氣體在用CO 2 氣體保護焊焊接高強鋼時，CO 2 氣體純度是影響高強鋼焊接的重要因素之一, 應符合HG/T2537-1993規(guī)定或到達GB/T6052-1985規(guī)定的優(yōu)等品要求，一般要求CO 2 的體積分數(shù)在99.5% 以上。試驗說明: CO 2 的體積分數(shù)小于98.7% 時在焊縫中易出現(xiàn)氣孔, 當CO 2 體積分數(shù)高于99.11% 時才能得到致密焊縫。對CO 2 氣體的提純有兩種方法:

7、 一是在使用前將氣瓶倒立靜置放水的簡易方式; 二是在供氣裝置和設備間設置2 個 3 個枯燥器, 以得到純度較高的氣體。2.4 坡口處理 坡口內的銹蝕、水分、油污等也會導致氣孔和冷裂的產(chǎn)生, 所以在進展低合金高強鋼的焊接時, 一定要把坡口處理干凈。為了減少焊接量, 在板厚大于20mm 的鋼板拼接時盡量采用熔敷量較小的U形或*形坡口。3、工藝參數(shù)的選擇3.1 焊接順序 焊接順序的選擇應遵循以下原則:盡可能讓焊縫能自由收縮, 減少施焊時的拘束度, 圖紙設計時應防止穿插焊縫, 有穿插時設計應力釋放孔；先焊接收縮量大的焊縫, 減少內應力；把部件整體構造劃分為假設干個小部件, 將小部件按要求焊接后再組裝成

8、大部件, 這樣就大大減少了總裝時的焊接量, 減少一次受熱量。3.2 焊接電流、焊接電壓和焊接速度從減少裂紋的方面出發(fā), 焊接電流要大, 焊接速度慢些為佳；但從減少熱影響區(qū)脆化的角度出發(fā), 焊接電流要小, 焊接速度要快。因此在焊接電流的選擇上要兼顧兩者的冷卻速度*圍, 上限取決于不產(chǎn)生裂紋, 下限取決于熱影響區(qū)不出現(xiàn)脆化的混合組織。在支架生產(chǎn)中常用的高強鋼板厚為10mm 50mm , 接頭形式有T 形接頭(主筋、筋板、頂板間) , 對接接頭(板材拼接) , 角接接頭(側板與上板、頂板間)。在使用1.6 焊絲時, 焊接電流為280A 410A , 焊接電壓為29V 40V , 焊接速度為20m/h

9、 35m/h。3.3 焊接層數(shù)為限制過多熱量的輸入, 降低母材的過熱程度, 高強鋼焊接時應盡量采用多層、多道焊, 而且最好采用窄道焊而不作橫向擺動的運條技術。每層焊道以不超過7mm 為宜。這樣前一層焊道對后一層焊道有預熱作用, 后一層焊道又對前一層焊道起了緩冷的效果, 相互影響, 在嚴格控制層間溫度(2 000) 的條件下,有效減少了裂紋的出現(xiàn)和熱影響區(qū)性能的變化。3.4 焊前預熱和焊后熱處理高強鋼經(jīng)常在焊態(tài)下使用, 焊后一般不進展焊后熱處理。焊前預熱應根據(jù)鋼板厚度、屈服強度和母材溫度決定。在外界溫度太低時應進展焊前預熱, 板材強度越高、鋼板越厚, 預熱溫度就越高, 預熱溫度一般為20 150

10、。母材溫度不能低于10, 假設低于10, 必須進展預熱。4、Q420 焊接工藝評定4.1 選擇焊接材料及確定焊接接頭性能指標時應遵循與Q420鋼材的化學成分及力學性能保持一致。表 Q420鋼焊接接頭性能指標材料類別標準抗拉強度MPa屈服強度MPa延伸率%沖擊吸收功J母材JGJ81520-680420183420)評定指標手工焊52042018焊縫3420HAZ3420埋弧焊52042018焊縫3420HAZ3420CO252042018焊縫3420HAZ34204.2 焊接接頭的常見缺陷焊瘤焊瘤，亦稱滿溢。熔化金屬流淌到焊縫以外未熔化的母材上，堆積形成焊瘤。在焊瘤處，常伴有局部未熔合。焊瘤是由

11、填充金屬過多引起的，與間隙和坡口尺寸大小、焊速上下有關。2咬邊沿著焊縫與母材交界部位燒熔形成凹陷或溝槽的現(xiàn)象，稱之為咬邊。由于焊縫與母材交界處被熔去一定深度，而填充金屬又未能及時補充，即形成咬邊，如下圖。焊接時電流過大且焊速高時，以及焊條角度不當時，都可能產(chǎn)生這種缺陷。燒穿 燒穿是指局部熔化金屬自焊縫反面流出，形成穿孔的現(xiàn)象。這種缺陷在管壁較薄地鋼管相貫節(jié)點焊接時，最容易發(fā)生。當焊接電流過大，焊速過慢或電弧在*處停過久或間隙坡口尺寸過大時，都有可能形成這種缺陷?；】踊】?，是指在焊縫末端所形成的橢圓形凹坑。它是由操作者在即將焊完收弧時，電弧突然撤離所造成的。為焊透 熔焊時，焊接接頭根部未完全焊透

12、的現(xiàn)象，稱為未焊透，如下圖。未焊透意味著焊接接頭受力截面減少，嚴重影響焊接接頭，而且，它是應力最容易集中的地方。在鋼管相貫節(jié)點焊縫中，是不允許有未焊透缺陷存在的。這種缺陷無法用肉眼發(fā)現(xiàn)，一般要經(jīng)過*光、超聲波等探傷才能發(fā)現(xiàn)。形成未焊透的主要原因，是焊接電流太小，焊速過高或坡口角度太小，鈍邊太厚以及焊條直徑過大等。未融合熔焊時，焊道與母材之間或焊道與焊道之間，未能完全熔化的局部稱為未熔合。夾渣殘留在焊縫中的熔渣和其他外來物即為夾渣。焊接時，電流過小，焊速過快，致使焊縫金屬冷卻太快，夾渣來不及浮出；運條不正確，熔渣不易浮出，多層焊時前層焊縫的熔渣未去除干凈等都能造成夾渣。氣孔氣孔是焊縫常見的工藝缺陷之一，按其在焊縫的位置可分為外表氣孔和內部氣孔。裂紋生產(chǎn)中由于各鋼種和焊接構造本身特點的不同，可能出現(xiàn)各種裂紋，其中有焊縫的外表裂紋、內部裂紋，有熱影響區(qū)的橫向裂紋、縱向裂紋，有焊道下得裂紋、弧坑處的裂紋等。裂紋有時出現(xiàn)