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碳素結構鋼及低合金高強鋼焊接方法選擇

08-22 13:18:35  瀏覽次數:788次  欄目:結構設計
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碳素結構鋼及低合金高強鋼焊接方法選擇


  編者按:本文原為高力生教授、潘際鑾院士和閆炳義高級技師(焊接)參加三峽總公司召開的“三峽工程金屬結構焊接專家咨詢會”后的一個書面意見。編者將其節錄整編成文予以發表,以期對三峽工程金屬結構焊接技術的提高有所裨益。本文已經原作者審閱。

  摘  要:三峽工程壓力鋼管選用16MnR和160Q2可焊性好的鋼種,其焊接方法首選氣保焊。在預制廠應推廣實心焊絲氣保焊,在實驗基礎上推廣藥芯焊絲氣保焊,推廣氣電立焊;在工地安裝立足于手工焊的基礎上推廣氣保護焊。這些方法必將帶來巨大的效益。

  關鍵詞:焊接設計;焊接方法;氣保焊;實心焊絲;藥芯焊絲



  三峽工程目前正在施工的重要結構主要有電站壓力鋼管、水輪機座和船閘門,其中水輪機座的施工工藝質量由國外公司負責,其余兩項由國內制造商和施工單位承包,閘門制造多由國內知名船廠承擔,具焊接工藝比較成熟,相對船體制造的沒備和工藝已不是什么難事;由于材料為強度級別較低(Q345)的低合金鋼,所以今后的主要問題是工地安裝時,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,由于材料復雜(上段為16MnR,下段為610U2低合金高強鋼),板厚度大(最厚達58mm),特別是管道直徑大(φ12499mm),安裝位置復雜,因此不同于常規管道的制作和安裝。

  此次有幸參加了三峽開發總公司工程建設部組織的“三峽工程金屬結構焊接技術專家咨詢會”,受益匪淺,但由于時間太短,會前對幾個承包單位的工作和試驗資料未及仔細學習,所以有些意見未能允分表達,現對有些觀點加以說明。

    1 三峽工程壓力鋼管的選材思想和實踐是成功的

  上段選用16MnR、下段選日本NKK的60kg級的610U2都是可焊性好的鋼種,特別是日本的610U2,屬于低碳調質鋼中的焊接無裂紋鋼(CF鋼),其特點是含碳量低(≤0.09)、總碳當量低(CEQ2=0.39%)、裂紋敏感系數低(PCM≤0.19)。由于在鋼材生產過程中采用新技術,如在線余熱淬火等,在碳當量不大情況下,增加其淬透性,并加入多種微量元素,所以能在保證高強度的同時提高其塑性和韌性(-40℃時其AKv>200J甚至達300以上),增加了在減輕重量情況下得到高質量焊縫的可能性。

    2 從焊接設計出發,選擇焊材的原則

  16MnR是焊接結構應用最多的鋼種,一般焊縫按等強設計,此鋼種國內的焊接材料、焊接方法配套均非常成熟。

  關于610U2類型的低碳調質鋼,本來其可焊性也是較好的,但是在焊接時若處理不當,在熔合區的冷裂和影響區的脆化和軟化等缺陷也有發生,在特殊情況下特別是在工地安裝中,對焊接熱輸入和預熱等方面有一定要求。

  焊接無裂紋鋼種,采用低H或超低H焊材,在板厚50mm以下或在0℃以上環境均可不預熱。此種鋼冶煉技術優越,其力學指標突出,特別是在屈強比的沖擊性能方面(如本次選用的610U2就是這樣),但在焊接時,如要求焊縫沖擊性能達到母材要求,這顯然是不合適,焊縫設計其力學指標以工作要求為主,不低于母材力學指標的保證值,再留有適當余量,而不應該以母材的實測值為標準,有時為了提高焊縫的塑韌性可適當降低焊縫的設計強度指標。實踐證明,低強匹配的焊縫,往往能提高焊縫的韌性和抗裂紋敏感性。

    3 關于焊接方法

  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、氣保護實心焊絲和藥芯焊絲焊,自保護藥芯焊絲等均可選用,應根據施工條件、結構形式、效率與成本核算、焊接質量的水平綜合考慮,選擇原則應為:在好的勞動條件下,低成本地完成高質量的焊縫。

  這次論證會上的基本結論是:廠房預制推行自動實心焊絲氣保護焊;工地安裝采用手工焊;研制全位置自動焊設備。對此結論大多數與會者雖能接收,但還存在某些疑慮。

  (1)從保證焊接質量出發,焊接冶金過程完善(如通過滲合金控制焊縫成分和H值含量);保護好;焊接熱源能量集中,易控制熱輸入和焊接變形;能通過焊接設備控制焊接質量等,具有這些能力的焊接方法是最好的。

  對這二種鋼特別是610U2應首選氣保焊,因為低合金高強鋼焊接質量的主要問題是焊接裂紋和熱影響區的脆化和軟化,而氣保焊最大的特點是低H焊、易控制熱輸入,例如測擴散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;CO2保護焊1,MAG焊0.03,埋弧焊2.17,單位:ml/100g。

  焊接的抗銹能力實驗:埋弧焊當0.3g/10mm時產生氣孔,而CO2焊1g/10mm才產生氣孔。所以,C02焊是一種低H焊接。另外氣保焊能量密度大,在正常規范下,其熱輸入僅為手工焊的1/2~1/3(特別是脈沖MAG焊)而且變形小,這對具有一定熱敏感性的高強鋼極為重要。氣保焊的優點是效率高成本低,因為它的熔化效率高,不用清渣換焊條,坡口小,熔敷金屬少,坡口加工量少。

  (2)氣保焊分實心焊絲和藥芯焊絲,它們有一些共同的特點,如熱量集中、高效,也有不同處(見后)。氣保焊已成為焊接碳鋼和低合金高強鋼的主要工藝方法,我國造船工業所用鋼材與三峽的16MnR和610U2基本類似,其熔化極氣體保護所占比例已達60%以上(其中藥芯焊絲又占氣保焊50%以上),其它行業如石化、電力、機械等也基本相同。說明這種焊接方法是金屬結構制造企業的看家方法。

    4 關于氣保焊的效率和質量

  由于氣保焊特別是CO2焊有一定局限性,另一方面推廣氣保焊是個系統工程,從設備、焊材配套到焊縫設計等,全都要適應新方法。所以推廣時還需制定規程和獎勵制度。

    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,弧區介質不同,所以會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。


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 燃弧率 熔敷速度 熔敷效率 平均熔深 

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手工焊 30% 35~50g/min 55% 3mm 
CO2 45% 平均90g/min 90~95% 6mm 
MIG/MAG >50% 60~140g/min 96~99% 4~6mm 
焊芯焊絲 >50% 140~200g/min 83~87% 4~6mm 

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  從表中熔敷速度和熔敷效率看,氣保焊單位時間熔敷到焊縫上的金屬量應該比手工焊多兩倍以上。在推廣氣保焊時,實際效率的提高往往達不到理論數據,很重要的原因是焊件坡口型式沒有做相應的改變;另外就是由于氣保焊設備材料不配套或使用不當,大大增加了輔助時間,從我國船廠統計看,氣保焊每日消耗焊材10~15kg(日本可到50kg),手工焊6~7kg。

    4.2 氣保焊的質量

  氣保焊不但可用于低合金高強鋼的焊接,而且可以說是焊接的首選方法。這不僅因為它比手工焊的效率最少高一倍以上,而且它最易保證高強鋼的焊接質量。

  如在1中所述,選材很好,碳當量和裂紋敏感系數都很小,可焊性良好,這就不需要很多復雜工藝而能保證質量。當然對這樣一項跨世紀工程來說,仍需作到萬無一失。16MnR屬于C-Mn系列的熱軋正火鋼,610U2屬于超低碳多元素調質鋼,一般均在焊態下使用。這兩類鋼焊接接頭質量的主要問題是保證焊縫的高綜合性能,防止影響區的脆化和軟化,保證熔合區和熱影響區不發生裂紋并有一定韌性。由于610U2屬于熱處理強化鋼在焊態下使用,如何同時保證焊縫的綜合性能及熱影響區的韌性,實踐證明雖不是非常困難,但在選擇焊接材料及工藝時應保證焊縫金屬一定的化學成分,選擇合適的線能量與適當的預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-AC3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。另外還應控制含H量,進一步防止冷裂的發生。

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