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碳素結構鋼及低合金高強鋼焊接方法選擇

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    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(chǎng)應推廣實(shí)心焊絲氣保焊，在實(shí)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(lái)巨大的效益。


    　　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(chǎng)應推廣實(shí)心焊絲氣保焊，在實(shí)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(lái)巨大的效益。

    　　關(guān)鍵詞：焊接設計；焊接方法；氣保焊；實(shí)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(mén)，其中水輪機座的施工工藝質(zhì)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(mén)制造多由國內知名船廠(chǎng)承擔，具焊接工藝比較成熟，相對船體制造的沒(méi)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(wèn)題是工地安裝時(shí)，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(kāi)發(fā)總公司工程建設部組織的“三峽工程金屬結構焊接技術(shù)專(zhuān)家咨詢(xún)會(huì )”，受益匪淺，但由于時(shí)間太短，會(huì )前對幾個(gè)承包單位的工作和試驗資料未及仔細學(xué)習，所以有些意見(jiàn)未能允分表達，現對有些觀(guān)點(diǎn)加以說(shuō)明。

    　　1、三峽工程壓力鋼管的選材思想和實(shí)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(zhì)鋼中的焊接無(wú)裂紋鋼(CF鋼)，其特點(diǎn)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(chǎn)過(guò)程中采用新技術(shù)，如在線(xiàn)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(shí)提高其塑性和韌性(-40℃時(shí)其AKv>200J甚至達300以上)，增加了在減輕重量情況下得到高質(zhì)量焊縫的可能性。

    　　2、從焊接設計出發(fā)，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(guān)于610U2類(lèi)型的低碳調質(zhì)鋼，本來(lái)其可焊性也是較好的，但是在焊接時(shí)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(fā)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(wú)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(huán)境均可不預熱。此種鋼冶煉技術(shù)優(yōu)越，其力學(xué)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(shí)，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(xué)指標以工作要求為主，不低于母材力學(xué)指標的保證值，再留有適當余量，而不應該以母材的實(shí)測值為標準，有時(shí)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(shí)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(guān)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(shí)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(zhì)量的水平綜合考慮，選擇原則應為：在好的勞動(dòng)條件下，低成本地完成高質(zhì)量的焊縫。

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

    　　(1)從保證焊接質(zhì)量出發(fā)，焊接冶金過(guò)程完善(如通過(guò)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(guò)焊接設備控制焊接質(zhì)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(zhì)量的主要問(wèn)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(diǎn)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(shí)驗：埋弧焊當0.3g/10mm時(shí)產(chǎn)生氣孔，而CO2焊1g/10mm才產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)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(shí)心焊絲和藥芯焊絲，它們有一些共同的特點(diǎn)，如熱量集中、高效，也有不同處(見(jiàn)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(yè)所用鋼材與三峽的16MnR和610U2基本類(lèi)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(yè)如石化、電力、機械等也基本相同。說(shuō)明這種焊接方法是金屬結構制造企業(yè)的看家方法。

    　　4、關(guān)于氣保焊的效率和質(zhì)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(gè)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(shí)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(zhì)不同，所以會(huì )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(shí)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(shí)，實(shí)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?jīng)]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(shí)間，從我國船廠(chǎng)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(zhì)量

    　　氣保焊不但可用于低合金高強鋼的焊接，而且可以說(shuō)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(zhì)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(zhì)量。當然對這樣一項跨世紀工程來(lái)說(shuō)，仍需作到萬(wàn)無(wú)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(zhì)鋼，一般均在焊態(tài)下使用。這兩類(lèi)鋼焊接接頭質(zhì)量的主要問(wèn)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(fā)生裂紋并有一定韌性。由于610U2屬于熱處理強化鋼在焊態(tài)下使用，如何同時(shí)保證焊縫的綜合性能及熱影響區的韌性，實(shí)踐證明雖不是非常困難，但在選擇焊接材料及工藝時(shí)應保證焊縫金屬一定的化學(xué)成分，選擇合適的線(xiàn)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A(yíng)C1-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(jìn)一步防止冷裂的發(fā)生。

    　　低C調質(zhì)鋼特別是CP鋼，含C量極低，熱影響區只能形成低C馬氏體、巳由于Ms點(diǎn)較高，能產(chǎn)生自回火，所以冷裂傾向不大，又由于含C，S量都低，Mn/S大，所以熱裂傾向很小，只要注意工藝的選用，不管是手工焊、埋弧焊，實(shí)心或藥芯氣保焊均可保證焊接質(zhì)量?？梢钥闯?，選擇焊材可以保證焊縫成分，但更重要的是選擇合適的工藝。

    　　選用氣保焊焊接上述兩種鋼，應該說(shuō)是最合適的方法，因為它熱量集中，容易控制熱輸入，又是一種低H焊接法；在允許的同樣線(xiàn)能量下，其焊接效率又大大高于手工焊，焊接變形小，不易引起應力集中和矯正工時(shí)，但是為什么至今在部分單位得不到認同呢?其原因首先是方法本身的局限性：氣保焊有惰性氣體非熔化極(T1G)、CO2氣體實(shí)心焊絲和藥芯焊絲、氧化性混合氣體實(shí)心和藥芯焊絲幾種。除TIG外均可用于此二種鋼，與手工焊和埋弧焊相比，實(shí)心焊絲保護焊不是氣渣聯(lián)合保護，在調整成分方面主要通過(guò)焊絲。在冶金反應方面單?，所以為保證質(zhì)量，冶煉專(zhuān)用配套焊絲很重要；另外，由于氣體起保護作用并參與熱反應，有許多優(yōu)點(diǎn)(如能形成帶電離子和壓縮電弧，電弧能量密度加大，低H)也有其缺點(diǎn)(如增C，形成氣孔)，所以，在焊接碳素結構鋼和熱軋正火低合金鋼常用的焊絲中，降低含C量，加大Mn、Si含量以保證焊縫的金屬成分和性能，特別是韌性。除氣保焊本身局限性外，我國配套焊絲極不完善(H08Mn2Si和H08Ma2SiA)，這就是許多部門(mén)采用氣保焊后不能達到希望的焊縫性能的原因。特別是在焊接低C調質(zhì)鋼時(shí)，需要針對鋼種選用合適的焊絲。加之選擇工藝程序不合理，設備使用不當，氣體選用處理不當，工人又都是手工焊轉行，自然推廣氣保焊就有一定阻力。

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