高拘束度厚鋼板自動焊接工藝研究

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1.概述

現代冶煉和制造技術的不斷提高，為大型鋼結構的生產和使用提供了有力保障，重型鋼結構制造行業日益發展，中厚板的焊接技術也越來越先進，如窄間隙焊接技術和多絲焊接技術的日趨成熟。但因各種限制，也有許多廠礦一時難以推廣上述工藝，仍然以單絲埋弧焊工藝為主，關注單絲埋弧焊工藝在中厚板結構中的應用，一段時期內仍具有相當的實際意義。筆者曾從事過大型水泥行業、電力行業管磨機和鍛壓機床大型壓力機的焊接工藝，對厚板焊接特別是高拘束度條件下的焊接工藝進行了大量實踐和總結，本文以管磨機支撐段（行業內稱滑環）的焊接工藝為例，分析高拘束度厚板焊接工藝的特點。

2.實例情況簡介

如圖1所示為建材行業采用較多的規格為φ5m的管磨機滑環的基本尺寸，材料一般用20G（現標準為Q245R），也有少部分廠家設計采用Q345—B板，投料尺寸筒體部分一般采用厚度115mm，腹板厚度90mm.

3.焊接性分析

（1）理論分析對常用碳鋼如Q245和低合金鋼Q345綜合評價其焊接性，特別是淬硬性，估算可用碳當量經驗公式：Ceq=C+Mn/6+Si/24。一般Ceq≤0.4%時認為焊接性良好，上述鋼材Ceq一般在0.4%~0.45%，屬于焊接性良好的鋼種。對于厚度大的鋼材焊接時，必須考慮合金元素和雜質對熱裂紋的影響。因此評價焊接熱裂紋傾向的碳當量計算公式：Ceq=C+2S+P/3+(Mn-1.0)/8+(Si-0.4)/7。相關資料指出，對于wc≥0.2%的碳鋼和低合金鋼，當雜質ws≥0.035%時，便足以引起埋弧焊的熱裂紋，因此應盡量將鋼中和焊絲中雜質S的含量分別控制在0.02%和0.01%以下，同時雜質P的含量也應控制在0.02%以下。由于構件使用的鋼板厚度大，同時筒體與腹板組合的環縫拘束度相當高，焊接過程中因厚板傳熱快，焊縫冷卻速度大，雖然是低碳鋼或低合金鋼，仍然會在焊縫中出現淬硬組織，在厚板形成的三維應力作用下，極有可能產生冷裂紋；而用于一般結構的鋼板和焊絲成分，冶煉時達到控制熱裂紋所需的雜質最高含量也不完全現實，從而出現熱裂紋的幾率也大大增加。（2）實際情況在實際制作過程中，由于剛開始沒有引起足夠重視，結果問題接連出現。首先，考慮厚板冷卻速度不周，焊接前只進行了簡單預熱，結果第一層焊接馬上全部開裂，再加焊一層，同樣開裂，后來調整了預熱工藝，保證底層焊縫質量后，中間層焊縫因焊接參數較大，又在焊縫中心出現大量熱裂紋。

4.工藝措施制定

根據理論分析及實際教訓，我們認真進行總結并制定了詳細工藝措施。（1）預熱溫度確定參照低合金鋼冷裂紋指數Pcm及考慮板厚的預熱溫度計算公式進行計算，并結合相關資料介紹的經驗，確定預熱溫度如下：鋼板對接預熱溫度：T≥100℃；滑環環縫焊接預熱溫度：T≥140℃。（2）焊絲焊劑選擇為提高抗熱裂性能，并考慮到厚板焊接后一般要求進行熱處理，碳鋼采用含錳焊絲H08MnA，配合HJ431焊劑，低合金鋼采用H10Mn2A，配合HJ431或SJ101焊劑，熔煉焊劑使用前250℃烘烤2h，燒結焊劑使用前350℃烘烤2h。（3）焊接參數確定進行了試板試焊（埋弧焊焊絲H08MnA、φ4mm，焊劑HJ431）底層焊接情況如表1所示。（4）焊后消氫處理和焊后消除應力熱處理由于此類結構焊接后要進行機加工，必須進行焊后消除應力熱處理，若焊后不能進行消除應力處理，需增加消氫處理工序。

5.焊接工藝要點

（1）焊接坡口設計根據多次試驗結果，既保證不焊穿又能有效防止底層熱裂紋的坡口形式如圖3所示。筒體部分采用對稱U形坡口，腹板則采用不對稱U形坡口，適當增加圓弧部分半徑（R10mm左右），減少鈍邊尺寸（由原來6mm減為3mm），可以在底層焊縫中盡量減少母材的熔入量，對防止根部熱裂有明顯作用。（2）組裝要求鋼板對接時采用定位板固定，裝配間隙控制在2mm以內。滑環類高拘束度結構件，應先粗加工，保證配合間隙盡量較小，并均勻分布，裝配腹板前先劃線，用定位板根據結構尺寸進行筒體上定位板的焊接再裝腹板，檢驗各部位裝配質量，不可點焊，否則預熱時因膨脹不勻定位焊縫拉裂形成潛在焊接缺陷。（3）預熱方法鋼板對接：采用煤氣（或氧乙炔火焰）預熱，溫度達到100℃以上。滑環預熱：采用筒體遠紅外履帶式電加熱結合腹板煤氣加熱方法，筒體先加熱使之膨脹，約30min后腹板開始加熱，保證筒體筒體預熱達到140~150℃，腹板預熱達到100~120℃，坡口間隙以2~3mm為宜。預熱范圍要求板厚3倍以上，用紅外線測溫槍近距離（200~350mm）垂直測量，同時預熱過程中要求用保溫棉進行保溫。環境溫度較低時預熱溫度應增加20~30℃。（4）焊接實施根據工藝試驗確定焊接材料，實際施焊時，當達到預熱溫度后，第一層用φ1.2mm絲徑的CO2焊接先進行填充以防止焊穿，然后采用埋弧焊焊接，焊接參數如表2所示。焊接過程中保證層間溫度碳鋼結構≥100℃，低合金鋼≥150℃；如果達不到此最低規定，應繼續通電預熱，但必須注意防止觸電等安全（良好接地措施）。一旦焊接除非特殊情況，一般要求連續焊接，禁止中途停留；特殊情況間斷后，必須重新預熱達到規定溫度后才能進行焊接，而且重新預熱的加熱速度要求控制好，不得高于50℃/h，以免產生應力開裂。自動焊焊縫形狀系數在1.3~1.5為佳，偏小的形狀系數，在厚板焊接時極易產生結晶裂紋。由于腹板對接必須考慮焊接變形的影響，所以采用不對稱坡口，從小坡口側先焊接，注意兩面交替焊接，隨時檢測角變形量并調整焊接順序，特別注意蓋面層的焊縫對角變形有較大影響；滑環筒體與腹板組合的環縫焊接也同樣要注意腹板變形量，一般以8~10mm為宜，達到此值時就必須翻面焊接；而筒體鋼板對接時因為鋼板長度大，自重大，在對接焊縫焊接時，因為自重作用，相當于進行了剛性固定，可以一次將一面焊接完畢再翻面。必須采用多層多道焊接，這樣既有利于減少結晶熱裂紋產生的幾率，又可大大減少焊接應力，同時每層每道焊縫對上層上道焊縫有回火作用，不僅提高了焊縫力學性能，而且利于焊縫殘余氫的逸出，對防止厚板焊接冷裂紋有很大作用。板材對接時焊絲與坡口母材間距以焊絲直徑為準，過大邊緣未熔合，過小易產生咬邊或焊道間未熔合。腹板與筒體組合環縫焊接時，自動焊機應做相應工裝，保證焊機焊接速度和焊絲角度方便調節，焊絲與腹板的夾角以70°~80°為宜，焊機改裝及實際焊接情形如圖4所示。（5）焊后熱處理如圖5所示，厚板類焊接結構因殘余應力較大，一般應進行焊后消除應力熱處理，對于板材對接焊縫，消除應力熱處理的升溫速度可以參照板厚進行計算：升溫速度v1≤5500/δ（℃/h）；降溫速度v2≤7000/δ（℃/h）；保溫時間t≥2+(δ-50)/100（h）；其中，δ為需熱處理的板厚。板材對接焊縫可以用履帶式加熱器進行熱處理，滑環類最好進爐內熱處理，如果沒有合適退火爐，采用功率足夠的履帶式加熱局部熱處理也可以得到較好效果。這時因為局部熱處理原因，加熱速度和冷卻速度均應比圖5中的參數降低10~20℃/h，并注意圍好保溫材料，防止空氣侵入和熱量損失。消除應力后應進行超聲波檢測，對角接焊縫還應檢查層狀撕裂缺陷。

6.結語

厚板焊接有其特殊性，預熱和連續小規范多層多道焊接是保證焊接質量的基本工藝措施，不能因為材料焊接性好就不引起重視。對拘束度較大的構件，更需強調預熱的作用，特別是考慮膨脹收縮原理，通過焊前預熱和電弧熱，使工件與焊縫同時膨脹和收縮，盡量減少焊縫過大應力，同時還要考慮層狀撕裂的問題（如選擇Z25以上板材），這樣才能保證焊接質量。筆者按照上述方法，焊接過建材行業磨機、鍛壓機床機架以及電力行業厚管板，均取得較好效果。

作者:張運孟 丁友蘭 單位:黃石聚達電力設備有限公司