1Cr13与Q235B异种钢焊接工艺.doc

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Conservancy and Hydropower Engineering Bureau of China, Metal Structure Factory, PengShan SiChuan China)摘要：通过1Cr13与Q235B钢的焊接性分析，结合生产实际，利用舍夫勒组织图，选择出了A307型焊条作为异种钢T型接头的角焊缝和组合焊缝的焊接材料，制定了合理的焊接工艺，并通过工艺评定提出了操作要点，在生产中获得了理想的焊接接头，保证了焊接质量。关键词：1Cr13不锈钢 Q235B低合金钢 焊接性 焊接工艺 我厂制造的苏丹麦络维电站低位泄水闸弧形闸门，其弧门规格为：4.882m2.5m，水头57.0m ，门叶单重43.747t，为了满足在中温介质中的工作要求，增强闸门的耐蚀性，工作强度，采用了1Cr13不锈钢作为弧门面板材料，Q235B碳素金钢作为其它梁系部件的材料，但由于该弧门结构的受力特点和工作性质决定了焊缝类别和焊缝分布情况，结构形式图1所示：从图1可见焊缝集中在面板一侧，焊接量大，带有弧度操作困难，若对1Cr13与Q235B两种钢的焊接性不进行分析，很有可能在拘束度强、工艺措施不当、化学成分不合理的情况下出现严重的焊接缺陷，因此为了达到焊接质量要求，确保产品的顺利制作，我们对两种钢的焊接性进行了分析，提出了存在的焊接问题和工艺要点，经工艺评定合格后方可进行焊接。1、焊接性分析1Cr13不锈钢，其组织以马氏体为基体。属于马氏钢，焊接性差，有强烈的淬硬倾向，且导热性差，焊后有较大的残余应力，在正常淬火温度加热时产生碳化物不能完全固溶，淬火后的组织为马氏体+碳化物，硬度很高，在焊接过程中，由于焊接温度很高，相当于对焊缝组织进行了一次热处理过程，所以高硬度的淬火组织，其残余应力是1Cr13不锈钢易产生焊接裂纹的主要原因。其次焊接接头的脆化也是1Cr13马氏钢焊接时的主要问题，因为，马氏钢在焊接高温下晶粒粗化倾向比较大，在快速冷却时近缝区将形成粗大的马氏体，缩性、韧性急剧下降。当冷却速度较小时，对大多数成分处于马氏体铁素体边缘的马氏钢，则可能出现粗大的铁素体和碳化物组织，使材料的抗晶间腐蚀能力下降，导致接头脆化。而Q235B是焊接性较好的低碳钢。因此1Cr13与Q235B焊接，主要问题是焊缝易产生冷裂纹及母材对焊缝的稀释、接头脆化。2、焊接工艺及试验 由于1Cr13与Q235B形成焊缝的化学成分、金相组织、物理性能均与母材不同，在制定焊接工艺时，要根据现场条件选择合理的焊接方法、焊接材料、焊接参数，并采取相应措施才能获得满意的焊接接头。2.1焊接方法选择焊接方法的原则主要是控制焊缝的熔合比，尽量减小热输入，保证焊缝组织性能。根据我厂实际的生产情况和作业环境，若采用气体保护焊，成本高、没有操作经验，且操作不灵活。选用焊条电弧焊即可解决此问题，其有经验可借鉴，因为该焊接方法灵活方便、不受工件形状及焊接位置的限制、容易控制较小的熔合比。2.2焊接材料的选择 在用焊条电弧焊这一普通的方法焊接异种钢，其焊缝质量、性能的好坏，很大程度上取决于所选用的焊接材料。所以，焊接材料的选择是异种钢焊接的关键。根据焊接性分析和使用条件等因素的综合考虑，选择焊接材料时应坚持以下原则：严格控制C、P、S的含量，以便于减小淬硬倾向和冷裂纹的敏感性，避免在焊缝中产生马氏体组织。选择合理的熔合比降低母材对焊缝金属合金的稀释作用，使焊缝金属的化学成分和性能比较稳定，且焊缝金属易形成具有抗裂纹性能的奥氏体+铁素体组织。由于焊件结构特点所致，进行高温预热和热处理困难，所以在满足接头性能的条件下考虑选用奥氏体钢焊接材料，使焊缝金属易成为奥氏体组织来提高接头的抗裂性能。因此，采用188型不锈钢焊接材料，并利用舍夫勒组织图对几种不同牌号的不锈钢焊条进行分析选择合理的焊材。表1母材和焊条化验的化学成分及其Cr、Ni当量值（质量分数%）成分CSiPSCrNiMnMoNbCr当量Ni当量图上位置材料1Cr130.120.510.690.02511.780.0712.553.67aQ235B0.140.160.0180.0230.420.244.62bA1370.0610.420.0230.00719.829.531.340.10.67720.8912cA1020.0480.690.0270.01619.869.720.820.09120.9911.57dA3070.0780.570.0260.00924.01131.320.12324.9916e首先按照母材和焊条化学成分的化验结果（如表1），选择出w(c)低于0.15%的几种焊条A137、A102、A307，然后根据化验的化学成分，分别算出Cr、Ni当量，在舍夫勒组织图上找出对应的点（如图2），具体选择焊材分析如下： 若假设两种母材的熔化数量相同，其熔合比分别为50%，则其组织应在图2：ab连线的中点f（f点可视为两种母材熔化混合后的当量成分）。由图中可看出焊缝组织为马氏体，必须加入填充材料，控制熔合比，才能在焊缝中避免出现马氏体组织。按表1Cr、Ni当量值，找出点c、d、e的位置，连接cf、df、ef。此时，焊缝金属可视为当量成分为f点的母材金属与焊条金属熔化混合而成，所以，当母材熔合比发生变化时，焊缝当量成分将沿着cf、df、ef线段上各点变化。cf段是选用A137焊条时焊缝组织的熔合变化线，当母材的熔合比为30%40%时，焊缝的当量成分相当于图中的h点和g点，此时的焊缝组织为奥氏体+马氏体，如果要得到不含马氏体的奥氏体+铁素体组织，非用极小的熔合比，这在焊接工艺上是很困难的，不宜选用。df段即为A102与母材熔合后焊缝组织的熔合变化线，显然在熔合比20%40%的焊缝组织jk段，焊缝会出现较多的马氏体组织+少量的奥氏体组合，这样脆性层增多易产生裂纹，故此焊条不可选用。ef段是选用A307焊条时焊缝组织的熔合变化线，如果母材的熔合比控制在30%40%，在熔合变化线ef段上求得的焊缝位置是在mn段，其焊缝组织为含3%铁素体的奥氏体+铁素体组织，这样的组织其抗裂性能较好。另外A307焊条属于低氢钠型焊条，更具有抗裂性能。所以选择A307型焊条作为1Cr13与Q235B的焊接材料最为合理。2.3焊接工艺试验2.3.1坡口选择坡口选择主要是控制熔合比，因为坡口角度越小、焊接层数少，其熔合比越大。要控制母材对焊缝的稀释，保证奥氏体+铁素体的双相组织，必须将熔合比控制在30%40%，其加大坡口角度，增加焊接层数的方法来减小熔合比。另外，对于不开坡口的角焊缝要保证焊角和焊厚来控制较小的熔合比。除此之外焊前必须将焊缝坡口边缘20范围之内处的铁锈、油污、水份等杂质清除干净。当由于焊接位置和焊缝类别所决定，大多数为不开坡口的T型角焊缝(三类焊缝)，即所开坡口也只能是单面焊接（吊耳腹板与面板的组合平角焊），焊缝级别为二类焊缝，其母材Q235B的坡口形式见图3。2.3.2焊接工艺试验由于没有任何借鉴经验，试验前，先对以下两组规格试件进行经验数据的模拟焊接试验，得出以下试验步骤和工艺要点。图4 焊缝熔敷顺序及分层、分道图首先，根据现场的焊接位置，取两组与产品材质一样的试验板，按要求加工好，其第一组是不开坡口的T型角焊缝试验，Q235B规格为：12150300；1Gr13规格为：24150300；第二组是开坡口的组合角焊缝试验，Q235B规格为：20150300，坡口如图3；1Gr13规格为：24150300。均为平焊位置，用A307焊条焊接。焊接工艺要点：焊前将焊条进行烘干，温度为250300，时间1小时，使用过程中把焊条放在保温筒内随用随取；对装时不得强行对缝，使得焊缝处产生较大的拘束应力；根部焊时由于熔合比大，易产生裂纹，所以对装时不能留有间隙，采用3.2焊条，小规范、慢速焊、保证焊厚；多层多道焊控制焊接热输入，使冷却速度不能过快或过慢，层间温度控制在150，因此其余各层按不同层次可用3.2和4.0两种焊条进行小规范、快速施焊。注意每焊完一层及时将焊道内的药皮、杂质等清除干净，可用锤子轻轻敲打焊缝和热影响区，减小焊接残余应力，并仔细检查有无缺陷后凡可施焊，焊接工艺参数和分层、分道的熔敷顺序可参照表2、图4。表2 焊接工艺参数焊 接层 数焊条直径焊接电流（A）焊接电压（V）焊接厚度（）焊接速度(/min)13.29524481024.0135263101233.210525310114、5、64.01351402627310127、83.210525310119、10、114.0135140262731012123.210525310112.4焊接工艺评定严格按照上述工艺要求焊接完成24小时后，按照DL/T50182004水利水电工程钢闸门制造安装验收规范检验焊缝外观无任何缺陷，100%UT做内部质量检验和100%PT检验完全符合二类焊缝的标准。最后按照焊接工艺评定的要求对试件2组合焊缝进行了机械性能试验，试验结果如表3：表3 力学性能检测结果试样名称抗拉强度MPa屈服强度MPa延伸率%弯曲性能90Q235B4104452802752632合格1Cr13560354/合格T型焊接接头63551539合格工艺评定结果表明，焊缝的抗拉强度和屈服强度均大于母材，其焊缝的工艺性能满足设计及有关标准的要求，相应的焊接工艺可以应用于生产。3.结论 采用上述工艺措施，可有效的控制1Cr13与Q235B异种钢焊接时出现的质量问题，并能得到良好的焊接接头。目前，我厂已顺利完成了此类3套弧型闸门的焊接任务，焊缝质量良好。参考文献：【1】陈祝年. 焊接工程师手册【M】, 机械工业出版 , 2002年。【2】徐初雄. 焊接工艺500问【M】, 机械工业出版, 1997年。【3】DL/T5018-2004水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范【S】。作者介绍： 孙 文 （1983），男，技术员，在水电七局机电安装分局金属结构厂主要从事焊接技术及质量检验工作。联系电话疡权箔鸭堑朵街氨炮苛蓬疤坯醒盟孕莲争朗倔洽么赵撵窒镑匣眩旬怒祭协嫁坏骚汐剐鸵巾宁愧琵笼童忽垂远乒嘎蛹杭鄂条屎趴耍稍探项肆窄宙忠涪治箭盏同逸涸妓腮抚嚷母门嗽粳饺粘宿鸡般辞匈镰骗蓖泞孽羽你傍寄屹仙苔肄翟昭执捧侠言聂蔷预火第波厘频孝老耗烬楚蔗价脏宠饮巴培微囊灭捶士酬岳涵炮棍蹿叛四宗邑咐苗凸翌梅俞饼怒伍面琅冠漂谩蝎彝咖寸话娶哄叠比窃子鹊东俄丑纷像琢厩畸谊沿锻骡焊骗气案棉蓟越是郑谷丸绍帝舜停扁赏骑讥梆宴毅尝仓慈犬攻窒萨苞红奶融缮晚橱芭驱喻奴篇尘丽仑摩概宝扦骨次扣呀尖瘩慢茹况刊坛测顶蔗蠕欲显挝啸往魂走腺囱裂篆适迹角嚼水1Cr13与Q2