高强度超厚板焊接技术

1、高强度超厚板焊接技术尚林义王东红万六百（中机建重工有限公司 广东中山 528437）摘要：本文通过焊接工艺评定试验及工程实例成功应用，认真分析总结了高强度超厚板的焊接性，并针对焊接接头的特点、难点，选择合适的焊接方法，制定科学的焊接工艺方案，采取严格有效的工艺管理，确保了超厚板焊接质量。关键词：超厚板；焊接工艺；CO2焊接方法；焊接性；焊后热处理随着钢结构产业的快速发展，越来越多的高强度超厚板被用于大跨度、超高层、造型奇特的建筑工程和载荷大、冲击性能要求高的重型钢结构设备中，为了满足这些结构的设计和使用要求，无疑对其结构的焊接技术和焊接质量提出更高的要求。例如：我公司承建的澳大利亚堆取料机重装

2、备制造工程中就大量使用Q420C级高强钢，其厚度在80mm-180mm之间，主要用在三角平台、回转平台、十字平衡梁等重要受力部位和穿轴耳板部位。因Q420C钢是正火交货，再加上其强度高、板件厚，焊接时容易产生热影响区的脆化和各种裂纹。那么，采取哪些措施来保证高强度超厚板焊接质量是本文分析研究的重点。1高强钢焊接性能分析1.1 原材料选择在本工程中，t80mm为Q420C材质，最大厚度为180mm，所以我们选用具有代表性的120mm厚材料进行试验分析。1.2 原材料物理化学性能见表1-1表1-1Q420C原材料理化性能表钢号化学成分（0.001%）机械性能CSiMnSPCrAlMoTiCuNbN

3、iVsMPabMPas%冲击、弯曲(d=3a)Q420C17043014002125037136021303539560024.5合格1.3碳当量碳当量计算公式【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预热温度确定为了计算方便准确，本文采用seferain法来计算预热温度，该方法考虑了成分碳当量和板厚的两个因素。成分碳当量计算公式【2】：Cc=C+40(Mn+Cr)/360+20Ni/360+28Mo/360另外 引入了一个板厚碳当

4、量 Ct板厚碳当量计算公式【3】：Ct=0.005tCc （t为板厚 mm）总的碳当量计算公式【4】：C=Cc+Ct=Cc(1+0.005t) 预热温度Tp计算公式【5】：Tp=350c-0.25即预热温度可由公式【5】得出， 这种方法能较快速的得到构件焊前的预热温度。因此，由表1-1和公式【2】【3】【4】【5】可得到：预热温度Tp=184.45。1.5焊接性分析相关研究表明，碳当量CE大于0.4%时，钢材焊接时基本上有淬硬倾向。当冷却速度过快时，有可能产生马氏体淬硬组织。尤其当板件较厚，拘束应力和扩散氢含量较高时，就必须采取适当措施来防止冷裂纹产生。式【1】中CE(IIW)=0.4265%

5、0.4%，对于t=120mm的Q420C钢来说,其焊接性较差，所以焊接时必须采取有效措施来改善焊接性能和保证焊接质量。2 焊接方法及焊材选择2.1焊接方法选择在本工程中，厚板焊接方法选择的是药芯CO2气体保护焊，其原因有四：一因Q420C钢供货状态是正火，随着焊接热输入增大，高温停留时间长，其脆化就越显著，所以要选择热输入较小的焊接方法，避免热影响区增大，防止正火钢过热区脆化；二药芯CO2焊电流密度大、热量集中、熔池小、热影响区窄，因此焊后工件变形小，焊缝质量好；三药芯CO2焊焊丝熔敷速度快、生产效率高、 操作简单、 成本较低；四是与焊条电弧焊和埋弧焊相比有突出优点：熔深比焊条电弧焊大，焊缝金

6、属的含氢量较小，坡口设计时可比焊条电弧焊的坡口角度小、间隙小和钝边大，能够减少填充量。比埋弧焊灵活，适用全位置焊接，电弧可见，便于调整。2.2焊材选择焊材选用原则是在保证焊接结构安全的前提下，尽量选用工艺性能好、生产效率高的焊材。同时，我们也重点考虑了焊件的结构特点和工作条件，在不低于母材最低抗拉强度下，我们从提高焊接接头的抗脆性断裂能力和抗裂性能方面考虑，通过工艺试验，最终选择了含有少量Ni的林肯药芯焊丝（LW-71）。3焊接工艺方案确定由于Q420C高强度钢的碳当量较大，冷裂纹倾向大；又因为板件比较厚，焊接填充量大，高温停留时间长，焊接应力大，容易产生变形；Z向性能比薄板差，容易产生层状撕

7、裂。基于上述原因，在焊材确定后，我们分别从以下几个方面确定焊接工艺方案：3.1坡口形式设计超厚板坡口设计时，需要注意几个方面的问题：一焊接时CO2焊丝的可达性；二尽量减少焊缝金属量，减小变形量；三确保焊缝熔透和内部质量。基于这几个方面考虑，我们将120mm板对接坡口设计成不对称X型或K型坡口，如图3-1所示的两种形式：图3-1平对接和T型接头形式3.2焊前检查在焊接作业前，焊接检查员要做好以下几个方面的检查：3.2.1对持证焊工进行检查核对；3.2.2对焊接设备进行检查，检查焊机工作性能是否正常，电流表、电压表指示是否正常；CO2流量计是否正常，加热是否正常；3.2.3使用焊材的规格、牌号与工

8、艺评定所确定的是否一致；3.2.4焊接工程师是否已经对焊接工艺进行了交底，焊工对焊接工艺是否清楚；3.2.5焊接环境温度、湿度、风速等是否满足焊接要求，必要时采取防护措施；3.2.6焊接接头的清理工作是否完成，确保焊道中间及焊道周围清洁、无污物、无锈迹等。3.3焊前预热3.3.1预热温度由式【5】计算出的预热温度Tp=184.45，由于南方天气较暖，焊后会及时进行后热处理，所以，最终将预热温度确定为150-180之间。3.3.2加热方式为了提高加热效率和保证受热均匀，我们采用火焰加热和履带式电加热两种方式配合使用。因为板件较厚，加热时间较长，加热面积较大，所以，加热分两个阶段。开始阶段采用火焰

9、均匀加热，加热区域在工件正反面的焊道及两侧100mm-150mm范围，火焰要在工件表面不停游走，停留时间不宜过长。当工件表面温度达到60以上时，改用电加热，预热速度在3/min,大约30min后达到150。3.3.3温度测量 测温采用红外线测温仪，测温时间选择在停止加热2min后，测温点设置在工件的正反面的焊道两侧各75mm处，测距不得大于200mm。3.4焊接3.4.1焊接规范参数焊丝LW-71，规格1.2mm，保护气体CO2，纯度99.5%，极性是直流反接。焊接规范参数见表3-1。表3-1焊接规范参数焊接层数焊材电流（A）电压（V）焊接速度（mm/min）气流量（l/min）焊嘴高度（mm

10、）第1层LW-71(E71T-1)200-22024-26200-26015-2010-15第2-n层240-28026-30280-36020-2515-203.4.2层间温度控制虽然多层多道焊的后一层会对上一层进行热处理，但层间温度也不能过高，如果不控制层间温度会造成热影响区加大，近缝区晶粒长大，韧性降低。一般层间温度不宜低于预热温度，稍高但不宜太高，控制在150-200之间即可。3.4.3焊接顺序（1）先焊大坡口侧，当完成焊缝的2/3时暂停施焊，反面进行清根；（2）清根完成后，检查焊道根部是否有缺陷存在，并打磨出金属光泽，刨槽要圆滑过渡，方便焊接；（3）从气刨侧继续施焊，直至完成本侧焊接

11、，在施焊过程中注意观察或测量变形情况；（4）最后完成另一侧1/3焊缝的焊接；（5）若是T型接头，清根后可选择两名焊工对称焊接。3.4.4焊接注意事项（1）同一条焊缝尽量一次完成，特殊情况下，应采取焊后保温缓冷，在重新施焊前应按要求进行重新预热处理；（2）焊接过程中应注意CO2流量计通电保温，严格控制气体的含水量；（3）焊接过程中应采用多层多道、窄焊道薄焊层的焊接方法；（4）焊接时，严格控制摆弧宽度，摆弧宽度控制在12mm-20mm之间，每层焊厚不超过4mm；（5）每焊完一层应进行一次层间温度测量，当层温超过3.4.2规定的温度时应暂停焊接，待温度降至规定范围内时开始焊接；（6）每焊完一层应用手

12、动打磨机或风铲清除焊道内氧化物和药皮，并仔细检查焊道内是否存在缺陷，如果有应进行清除后方可焊接；（7）焊接时应严格按照焊接工艺（WPS）规定的参数进行施焊，严禁焊工超规范焊接；（8）严禁在工件表面进行打火、起弧，工件表面严禁电弧擦伤；（9）在去除引、熄弧板或码板时，应离开工件2mm-3mm位置用火焰切除，然后用电动打磨机磨除根部，严禁伤及母材；（10）焊接完成后，应立即按照第4章要求进行后热处理；（11）焊接完成后48h进行无损检测，当焊接检验发现缺陷时，应严格按照第5章要求进行返修处理。4焊后热处理对于强度级别高的低合金钢和厚度大、拘束度较大的焊接结构，采取焊后立即进行热处理的方式，可以大大

13、降低氢在焊缝中的含量（即消氢），可有效减小焊接应力，预防延迟裂纹的产生。 4.1后热温度后热温度经验公式【6】：Tpc=455.5CEp-114式中Tpc是后热下线温度（）；CEp是确定后热温度的碳当量（%）CEp=C+0.2033Mn+0.0473Cr+0.1288Mo+0.0292Ni+0.0359Cu+1.692S+0.844V-0.0792Si-1.595P即后热温度可由公式【6】得出，因此，由表1.2-1和公式【6】经计算得到：后热温度Tpc=86.37。参考式【6】计算结果，最终后热温度确定为100。4.2保温时间当工件厚度t50mm时，最短保温时间为(150+t)h/100(经验

14、公式)，经计算可得最短保温时间为2.7h。4.3保温方式 采用履带式电加热方式进行保温，将温度控制在100±10之内。保温期间需用红外线测温仪进行检测，并用石棉布将焊缝周围进行围裹。当达到保温时间后在空气中进行自然冷却。5焊缝检验及返修5.1外观及无损检测当工件温度自然冷却至环境温度后，开始对焊缝进行外观检查，无损检测（按图纸要求）。无损检测时间是焊接完成后48h。在堆取料机装备工程制造过程中，我们对Q420C材质厚板焊接全部采用这种焊接工艺方案，焊缝经无损检测合格率达到99%以上，所有焊缝没有出现过焊接裂纹。5.2焊缝返修 当焊缝存在内部缺陷时，其返修工艺和检验程序严格按照原焊接工艺和检验程序执行，同一处焊缝返修次数不宜超过两次。6结论在高强钢超厚板焊接中，首先，要认真分析原材料的焊接性以及焊接难点；其次，通过计算获得合适的预热温度、层间温度和后热温度；再次，根据材料的焊接性、结构特点，选择合适的焊接方法，通过工艺评定