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    碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)鋼焊接方法選擇
    
                                  
                    
    作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    					
    
					時間：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(yù)制廠應(yīng)推廣實(shí)心焊絲氣保焊，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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(chǔ)上推廣氣保護(hù)焊。這些方法必將帶來巨大的效益。 
      

      

      
　　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(yù)制廠應(yīng)推廣實(shí)心焊絲氣保焊，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)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(chǔ)上推廣氣保護(hù)焊。這些方法必將帶來巨大的效益。
      

      
　　關(guān)鍵詞：焊接設(shè)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(jié)構(gòu)主要有電站壓力鋼管、水輪機(jī)座和船閘門，其中水輪機(jī)座的施工工藝質(zhì)量由國外公司負(fù)責(zé)，其余兩項(xiàng)由國內(nèi)制造商和施工單位承包，閘門制造多由國內(nèi)知名船廠承擔(dān)，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(qiáng)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(fù)雜(上段為16MnR，下段為610U2低合金高強(qiáng)鋼)，板厚度大(最厚達(dá)58mm)，特別是管道直徑大(φ12499mm)，安裝位置復(fù)雜，因此不同于常規(guī)管道的制作和安裝。
      

      
　　此次有幸參加了三峽開發(fā)總公司工程建設(shè)部組織的“三峽工程金屬結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)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(yàn)資料未及仔細(xì)學(xué)習(xí)，所以有些意見未能允分表達(dá)，現(xiàn)對有些觀點(diǎn)加以說明。
      

      
　　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(diào)質(zhì)鋼中的焊接無裂紋鋼(CF鋼)，其特點(diǎn)是含碳量低(≤0.09)、總碳當(dāng)量低(CEQ2=0.39%)、裂紋敏感系數(shù)低(PCM≤0.19)。由于在鋼材生產(chǎn)過程中采用新技術(shù)，如在線余熱淬火等，在碳當(dāng)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(qiáng)度的同時提高其塑性和韌性(-40℃時其AKv>200J甚至達(dá)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(shè)計出發(fā)，選擇焊材的原則
      

      
　　16MnR是焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多的鋼種，一般焊縫按等強(qiáng)設(shè)計，此鋼種國內(nèi)的焊接材料、焊接方法配套均非常成熟。
      

      
　　關(guān)于610U2類型的低碳調(diào)質(zhì)鋼，本來其可焊性也是較好的，但是在焊接時若處理不當(dāng)，在熔合區(qū)的冷裂和影響區(qū)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(yù)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(huán)境均可不預(yù)熱。此種鋼冶煉技術(shù)優(yōu)越，其力學(xué)指標(biāo)突出，特別是在屈強(qiáng)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(dá)到母材要求，這顯然是不合適，焊縫設(shè)計其力學(xué)指標(biāo)以工作要求為主，不低于母材力學(xué)指標(biāo)的保證值，再留有適當(dāng)余量，而不應(yīng)該以母材的實(shí)測值為標(biāo)準(zhǔn)，有時為了提高焊縫的塑韌性可適當(dāng)降低焊縫的設(shè)計強(qiáng)度指標(biāo)。實(shí)踐證明，低強(qiáng)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(hù)實(shí)心焊絲和藥芯焊絲焊，自保護(hù)藥芯焊絲等均可選用，應(yīng)根據(jù)施工條件、結(jié)構(gòu)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(yīng)為：在好的勞動條件下，低成本地完成高質(zhì)量的焊縫。
      

      
　　這次論證會上的基本結(jié)論是：廠房預(yù)制推行自動實(shí)心焊絲氣保護(hù)焊；工地安裝采用手工焊；研制全位置自動焊設(shè)備。對此結(jié)論大多數(shù)與會者雖能接收，但還存在某些疑慮。
      

      
　　(1)從保證焊接質(zhì)量出發(fā)，焊接冶金過程完善(如通過滲合金控制焊縫成分和H值含量)；保護(hù)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(shè)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(yīng)首選氣保焊，因?yàn)榈秃辖鸶邚?qiáng)鋼焊接質(zhì)量的主要問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)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(kuò)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(hù)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(yàn)：埋弧焊當(dāng)0.3g/10mm時產(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(guī)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(qiáng)鋼極為重要。氣保焊的優(yōu)點(diǎn)是效率高成本低，因?yàn)樗娜刍矢撸挥们逶鼡Q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(見后)。氣保焊已成為焊接碳鋼和低合金高強(qiáng)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基本類似，其熔化極氣體保護(hù)所占比例已達(dá)60%以上(其中藥芯焊絲又占?xì)獗：?0%以上)，其它行業(yè)如石化、電力、機(jī)械等也基本相同。說明這種焊接方法是金屬結(jié)構(gòu)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系統(tǒng)工程，從設(shè)備、焊材配套到焊縫設(shè)計等，全都要適應(yīng)新方法。所以推廣時還需制定規(guī)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(qū)介質(zhì)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。
      

      
　　--------------------------------------------------------------------------------
      

      
　　燃弧率 熔敷速度 熔敷效率 平均熔深
      

      
　　--------------------------------------------------------------------------------
      

      
　　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
      

      
　　--------------------------------------------------------------------------------
      

      
　　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(yīng)該比手工焊多兩倍以上。在推廣氣保焊時，實(shí)際效率的提高往往達(dá)不到理論數(shù)據(jù)，很重要的原因是焊件坡口型式?jīng)]有做相應(yīng)的改變；另外就是由于氣保焊設(shè)備材料不配套或使用不當(dāng)，大大增加了輔助時間，從我國船廠統(tǒng)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(qiáng)鋼的焊接，而且可以說是焊接的首選方法。這不僅因?yàn)樗仁止ず傅男首钌俑咭槐兑陨希宜钜妆ＷC高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量。
      

      
　　如在1中所述，選材很好，碳當(dāng)量和裂紋敏感系數(shù)都很小，可焊性良好，這就不需要很多復(fù)雜工藝而能保證質(zhì)量。當(dāng)然對這樣一項(xiàng)跨世紀(jì)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(diào)質(zhì)鋼，一般均在焊態(tài)下使用。這兩類鋼焊接接頭質(zhì)量的主要問題是保證焊縫的高綜合性能，防止影響區(qū)的脆化和軟化，保證熔合區(qū)和熱影響區(qū)不發(fā)生裂紋并有一定韌性。由于610U2屬于熱處理強(qiáng)化鋼在焊態(tài)下使用，如何同時保證焊縫的綜合性能及熱影響區(qū)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應(yīng)保證焊縫金屬一定的化學(xué)成分，選擇合適的線能量與適當(dāng)?shù)念A(yù)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(yīng)控制含H量，進(jìn)一步防止冷裂的發(fā)生。
      

      
　　低C調(diào)質(zhì)鋼特別是CP鋼，含C量極低，熱影響區(qū)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。可以看出，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(yīng)該說是最合適的方法，因?yàn)樗鼰崃考校菀卓刂茻彷斎耄质且环N低H焊接法；在允許的同樣線能量下，其焊接效率又大大高于手工焊，焊接變形小，不易引起應(yīng)力集中和矯正工時，但是為什么至今在部分單位得不到認(rèn)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(hù)焊不是氣渣聯(lián)合保護(hù)，在調(diào)整成分方面主要通過焊絲。在冶金反應(yīng)方面單?，所以為保證質(zhì)量，冶煉專用配套焊絲很重要；另外，由于氣體起保護(hù)作用并參與熱反應(yīng)，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(jié)構(gòu)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)，這就是許多部門采用氣保焊后不能達(dá)到希望的焊縫性能的原因。特別是在焊接低C調(diào)質(zhì)鋼時，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(shè)備使用不當(dāng)，氣體選用處理不當(dāng)，工人又都是手工焊轉(zhuǎn)行，自然推廣氣保焊就有一定阻力。
      

      
          
		  
      				
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