碳素结构钢及低合金高强钢焊接方法选择

发表于2005-10-24     1250人浏览     1人跟帖     总热度:54  

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高力生
2005-4-11
中国焊接网
本文原为高力生教授、潘际銮院士和闫炳义高级技师(焊接)参加三峡总公司召开的“三峡工程金属结构焊接专家咨询会”后的一个书面意见。编者将其节录整编成文予以发表,以期对三峡工程金属结构焊接技术的提高有所裨益。
三峡工程目前正在施工的重要结构主要有电站压力钢管、水轮机座和船闸门,其中水轮机座的施工工艺质量由国外公司负责,其余两项由国内制造商和施工单位承包,闸门制造多由国内知名船厂承担,具焊接工艺比较成熟,相对船体制造的没备和工艺已不是什么难事;由于材料为强度级别较低(Q345)的低合金钢,所以今后的主要问题是工地安装时,如何提高效率,降低成本。
  压力钢管的制作和安装将成为主要矛盾,工程前期共有压力钢管14条,约22500t,由于材料复杂(上段为16MnR,下段为610U2低合金高强钢),板厚度大(最厚达58mm),特别是管道直径大(φ12499mm),安装位置复杂,因此不同于常规管道的制作和安装。
  此次有幸参加了三峡开发总公司工程建设部组织的“三峡工程金属结构焊接技术专家咨询会”,受益匪浅,但由于时间太短,会前对几个承包单位的工作和试验资料未及仔细学习,所以有些意见未能允分表达,现对有些观点加以说明。
1、三峡工程压力钢管的选材思想和实践是成功的
  上段选用16MnR、下段选日本NKK的60kg级的610U2都是可焊性好的钢种,特别是日本的610U2,属于低碳调质钢中的焊接无裂纹钢(CF钢),其特点是含碳量低(≤0.09)、总碳当量低(CEQ2=0.39%)、裂纹敏感系数低(PCM≤0.19)。由于在钢材生产过程中采用新技术,如在线余热淬火等,在碳当量不大情况下,增加其淬透性,并加入多种微量元素,所以能在保证高强度的同时提高其塑性和韧性(-40℃时其AKv>200J甚至达300以上),增加了在减轻重量情况下得到高质量焊缝的可能性。
2、从焊接设计出发,选择焊材的原则
  16MnR是焊接结构应用最多的钢种,一般焊缝按等强设计,此钢种国内的焊接材料、焊接方法配套均非常成熟。
  关于610U2类型的低碳调质钢,本来其可焊性也是较好的,但是在焊接时若处理不当,在熔合区的冷裂和影响区的脆化和软化等缺陷也有发生,在特殊情况下特别是在工地安装中,对焊接热输入和预热等方面有一定要求。
  焊接无裂纹钢种,采用低H或超低H焊材,在板厚50mm以下或在0℃以上环境均可不预热。此种钢冶炼技术优越,其力学指标突出,特别是在屈强比的冲击性能方面(如本次选用的610U2就是这样),但在焊接时,如要求焊缝冲击性能达到母材要求,这显然是不合适,焊缝设计其力学指标以工作要求为主,不低于母材力学指标的保证值,再留有适当余量,而不应该以母材的实测值为标准,有时为了提高焊缝的塑韧性可适当降低焊缝的设计强度指标。实践证明,低强匹配的焊缝,往往能提高焊缝的韧性和抗裂纹敏感性。
3、关于焊接方法
  压力钢管的主要加工工艺是焊接,原则上,手工电弧焊、埋弧焊、气保护实心焊丝和药芯焊丝焊,自保护药芯焊丝等均可选用,应根据施工条件、结构形式、效率与成本核算、焊接质量的水平综合考虑,选择原则应为:在好的劳动条件下,低成本地完成高质量的焊缝。
  这次论证会上的基本结论是:厂房预制推行自动实心焊丝气保护焊;工地安装采用手工焊;研制全位置自动焊设备。对此结论大多数与会者虽能接收,但还存在某些疑虑。
  (1)从保证焊接质量出发,焊接冶金过程完善(如通过渗合金控制焊缝成分和H值含量);保护好;焊接热源能量集中,易控制热输入和焊接变形;能通过焊接设备控制焊接质量等,具有这些能力的焊接方法是最好的。
  对这二种钢特别是610U2应首选气保焊,因为低合金高强钢焊接质量的主要问题是焊接裂纹和热影响区的脆化和软化,而气保焊最大的特点是低H焊、易控制热输入,例如测扩散H含量平均值为:手工电弧焊的酸性焊条21.9,碱性焊条3.15;CO2保护焊1,MAG焊0.03,埋弧焊2.17,单位:ml/100g。
  焊接的抗锈能力实验:埋弧焊当0.3g/10mm时产生气孔,而CO2焊1g/10mm才产生气孔。所以,C02焊是一种低H焊接。另外气保焊能量密度大,在正常规范下,其热输入仅为手工焊的1/2~1/3(特别是脉冲MAG焊)而且变形小,这对具有一定热敏感性的高强钢极为重要。气保焊的优点是效率高成本低,因为它的熔化效率高,不用清渣换焊条,坡口小,熔敷金属少,坡口加工量少。
  (2)气保焊分实心焊丝和药芯焊丝,它们有一些共同的特点,如热量集中、高效,也有不同处(见后)。气保焊已成为焊接碳钢和低合金高强钢的主要工艺方法,我国造船工业所用钢材与三峡的16MnR和610U2基本类似,其熔化极气体保护所占比例已达60%以上(其中药芯焊丝又占气保焊50%以上),其它行业如石化、电力、机械等也基本相同。说明这种焊接方法是金属结构制造企业的看家方法。
4、关于气保焊的效率和质量
  由于气保焊特别是CO2焊有一定局限性,另一方面推广气保焊是个系统工程,从设备、焊材配套到焊缝设计等,全都要适应
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 发表于2005-10-24   |  只看该作者      

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5、关于韧性
  对韧性的担心源于焊接接头的低应力破坏,而低应力破坏的原因,是材料在一定温度下的塑脆转变和接头存在的缺陷扩张造成的,因此从质量保证体系上分别用冲击韧性和断裂韧性指标来控制以上两种原因所引起的脆性破坏。
  虽然过去发生的脆断实例均是在有缺陷的情况下产生的,但是接头中微小缺陷难于检测,而且断裂韧性的实验过于复杂,所以一般结构均以控制冲击韧性指标为主,但冲击韧性指标是材料塑性和强度的综合指标,塑脆转变温度又是一个范例,所以它不能单一成比例的反映其塑性。
  材料冲击韧性指标的确定过程(例如碳素钢的常温为27J,低合金钢-20℃及-30℃为47J),是以分析过去脆断实例和有关实验为基础且有一定裕量,所以在满足指标要求又不存在可检缺陷时,一般不会发生脆断事件,对重要结构还应做断裂韧性实验。
  焊接接头的韧性包括焊缝及近缝区韧性,近缝区的韧性主要与近缝区的脆化有关,近缝区脆化原因与晶粒数、析出相、灰杂物偏析、组织及其变化有关。所以提高接头韧性,对应控制焊缝合金化和热循环;而对近缝区只能合理选择母材、控制线能量和热循环。
  关于三峡工程所用两种钢的韧性控制问题,16MR焊接在我国已很有经验;对于610U2钢,制造厂成分匹配合理和炼钢技术高超,CEQ和PCM很低,综合性能很好,其冲击韧性在-20℃时均达200J以上;在选择焊材和焊接方法上,三峡的实践证明手工焊冲击韧性最高;但不能因此则认为只能用手工焊。
  根据以上分析,提高焊缝韧性决定于合金化和冷却速度(线能量和子热等)。而合金化靠选择焊材和保证过渡,因此,手工焊和气保焊药芯丝较有利,因为在国内手工焊条配套最全,两者均是气渣联合保护,但其它方法也都可以保证控制焊缝成分;对近缝区,由于母材已定,应从焊接工艺上控制线能量及预热手段。所以不管上述的那种焊接方法,只要能选择合适的焊材和焊接工艺,均可保证韧性要求,但对韧性指标的要求应科学而适当。
  从青云和葛洲坝集团提供的材料看,实验虽还不完善,但数据也完全说明此结论(见6.1,6.2内容)。无限制提高冲击韧度裕量不但在经济上不可取,在保证质量方面也无大好处,因为冲击韧度是代表塑性和强度的综合指标,冲击韧度很高时,σs会相应提高,断裂韧性的指标-裂纹容限尺寸就会减小,所以接头冲击韧度数值应保证其最低平均值达到母材的设计保证值且有一定裕量即可,不应以母材实测值为标准。
6、关于C02实心焊丝和药芯焊丝焊接
6.1 关于实心焊丝的焊接
  实心焊丝气保护焊应是这两种钢的首选工艺方法,不仅可在厂房内预制,还应用到工地安装上,但要在工地风力允许或解决防风措施情况下,上面已阐述了此方法的优点,效率是手工焊的2~3倍,低H,特别是脉冲焊,在平均电流较低的情况下达到大熔深,并能控制热输入和全位置焊的成形。
  ①此方法的韧性不但被过去的实践证明,本次葛洲坝集团的实验也证明了接头具有良好的冲击韧性。
②过去,实心焊丝CO2保护焊不被人欢迎的的另一个原因是这种方法飞溅大,焊缝成型不美观,设备复杂等,但随着技术进步,随着对工艺方法本质的认识和设备不断改进,利用气保焊工艺方法的特点和设备配合,可取得更大效益。
  由于气保焊的特点,熔滴过渡有短路、大滴、喷射三种方式 初期,三种过渡方式只决定于电弧电压和电流参数,在短路和大滴过渡时,熔滴是非轴向过渡,颗粒又大,所以焊接飞溅很大。而对于CO2气体又很难得到细滴喷射。后来采用了富氩的混合气体保护(Ar+20%~25%CO2或Ar+2%~5%C02),使产生喷射过渡的临界电流大大下降,焊接时飞溅极少,无噪音,全位置焊时易成形。
  气保焊的另一个技术进步就是脉冲焊的应用,脉冲焊采用峰值电流和维持电流间断改变,这对特殊(横立仰全位置)焊接有很大好处,而且对需控制热输入的材料以小的热输入(小的平均电流)达到高效高质量焊接。初期要得到脉冲焊较难,因为气保焊的电流大小决定于送丝速度,小规范时,送丝速度低,为短路过渡,电弧不稳,飞溅大,而现在设备先进,特别是逆变技术和计算机技术的结合,使脉冲焊不必以脉动送丝取得,且可在任意电流下得到喷射过渡,也可得到频率范围很宽的脉冲焊接――即现在几种混合气体不必单独输送,气体厂已混合好,另外焊把已把气丝电合一,送丝机经中间装置可长距离送丝。所以,根据其效率高,质量好,特别是脉冲焊的优点,应该尽量在工地安装中应用。
6.2 关于药芯焊丝的焊接
  药芯焊丝有气保护和自保护两大类,白保护主要用于工地安装和用气不方便的地方,防风能力可达四级(<15m/s,),由于仅靠熔渣和造气剂保护,药粉量相对焊条比例较少(焊条占30%,药芯占15%),所以一般不用于重要结构。
  气保护药芯焊丝属气联合保护,兼有气保护焊和手工焊两方面的优点,例如高效、冶金反应完善、工艺性能好、低H。特别是弧稳,飞溅少,熔敷速度是各种焊接方法中最高的,而且可以采用大电流进行全位置焊,对设备要求低等独特优点。所以国外此种方法的应用速度最快,且有适应各种要求的

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