余麗梅

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川 彭山 620860）

Q345R與610N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼大厚度異種鋼的焊接工藝研究

余麗梅

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司機(jī)電安裝分局，四川 彭山 620860）

通過對(duì)Q345R與610N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼大厚度異種鋼的焊接性分析、選擇合理的焊接方法和焊接材料,并進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，總結(jié)出了Q345R與610N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼大厚度異種鋼焊接的工藝方法，成功地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中。

Q345R；610N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼；大厚度；異種鋼；焊接工藝評(píng)定；焊接參數(shù)

對(duì)于高強(qiáng)鋼的焊接，特別是大厚度高強(qiáng)鋼與低合金鋼的焊接，焊前分析、焊接工藝評(píng)定、選擇合理的焊接材料、焊接方法、焊接參數(shù)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。通過對(duì)厚度為52mm的610N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼WDB620與厚度為60mm的Q345R低合金容器鋼的大厚度異種鋼進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了焊接材料、焊接方法、焊接熱輸入等選擇的正確性，從而制定合理的焊接工藝，保證了焊接質(zhì)量。此工藝在四川瓦屋山水電站焊接施工中得以運(yùn)用，并取得了成功，解決了大厚度異種鋼焊接施工難題。為同類施工提供了參考。

1 焊接性分析

Q345R是常用的容器鋼材料，其焊接性能良好，焊接時(shí)一般不需要采取特殊的工藝措施。但厚度大于30mm或剛性較大的焊接接頭在焊接時(shí)需進(jìn)行預(yù)熱；而610N級(jí)的高強(qiáng)鋼，其焊接性能較差，焊接熱輸入范圍較窄，主要問題是焊接接頭裂紋和熱影響區(qū)的軟化、脆化等缺陷較容易產(chǎn)生。焊接時(shí)要控制好熱輸入和道間溫度。兩種材料的化學(xué)成分見表1。

表1 Q345R與610N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

2 焊接工藝試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)DL/T 5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》和GB/T11345-89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》的要求，沿鋼板的軋制方向分別取立焊、仰焊2個(gè)焊接位置的板狀試樣進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。

2.1 焊接方法

焊接方法的選擇,除了考慮現(xiàn)場(chǎng)施焊條件及生產(chǎn)效率,還應(yīng)考慮施工單位的焊接設(shè)備、焊接能力和鋼材的具體板厚等因素。對(duì)于厚度為52mm的600N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼+厚度為60mm的Q345R的大厚度異種鋼板焊接,其焊接方法選用焊條電弧焊。

2.2 焊接材料及設(shè)備的選擇

正確選用焊接材料、預(yù)熱溫度和層間溫度是焊接異種鋼的關(guān)鍵。根據(jù)DL/T501-2007中的6.3.7條，異種鋼焊接時(shí)，應(yīng)按強(qiáng)度低的一側(cè)的鋼板選擇焊接材料，按強(qiáng)度高的一側(cè)鋼板選擇焊接工藝。為此選用E5015（J507）低氫型堿性焊條作為焊接材料，規(guī)格分別為Ф3.2mm和Ф4.0mm兩種。

焊接設(shè)備選用ZX7-400型逆變式弧焊電源，采用直流反接。

2.3 坡口形式

坡口加工采用機(jī)械方法。坡口型式采用1∶2的不對(duì)稱的X型坡口，見圖1。

2.4 試件的裝配

試件裝配時(shí)注意避免強(qiáng)力裝配，以減少拘束應(yīng)力對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。其裝配間隙為3～4mm，定位焊厚度不大于8mm，定位焊位置選擇在焊縫端部30mm以內(nèi)。定位焊的兩端頭圓滑過渡呈緩坡狀，以保證封底焊縫質(zhì)量。且定位焊時(shí)，預(yù)熱溫度較正式焊接時(shí)要高出20℃～30℃，為快速提高焊接區(qū)溫度，降低定位焊后焊接區(qū)的降溫速度，使其達(dá)到良好的熔合效果，故定位焊電流較正式焊接時(shí)高10%～15%。

圖1 坡口形式

2.5 試件焊接的工藝措施及參數(shù)

（1）焊件、焊材的前處理

焊接前，將坡口表面及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)水、鐵銹、油污和其它對(duì)焊接性能有害的雜質(zhì)用砂輪機(jī)進(jìn)行清理打磨，直至露出金屬光澤。

焊條應(yīng)放置于通風(fēng)、干燥和室溫不低于5℃的專設(shè)庫房?jī)?nèi)，設(shè)專人保管、烘焙和發(fā)放，并應(yīng)及時(shí)作好實(shí)測(cè)溫度、焊條烘焙記錄和焊條發(fā)放記錄。E5015焊條的烘焙溫度為350℃～400℃，恒溫時(shí)間為1h～2h。烘焙后的焊條應(yīng)保存在100℃～150℃的恒溫箱內(nèi)，藥皮應(yīng)無脫落和明顯的裂紋?，F(xiàn)場(chǎng)使用的焊條應(yīng)裝入保溫筒，隨用隨取。焊條在保溫筒內(nèi)的時(shí)間不宜超過4h，超過后應(yīng)重新烘焙，重復(fù)烘焙的次數(shù)不宜超過2次。

（2）焊前預(yù)熱

預(yù)熱是防止裂紋的有效措施，并且還有助于改善接頭性能。但預(yù)熱會(huì)惡化勞動(dòng)條件，使生產(chǎn)工藝復(fù)雜化，過高的預(yù)熱溫度還會(huì)降低接頭韌性。因此，焊前是否需要預(yù)熱以及預(yù)熱溫度的確定應(yīng)根據(jù)鋼材的成分（碳當(dāng)量）、板厚、含氫量及坡口是否有水漬、結(jié)構(gòu)形狀、剛度大小以及環(huán)境溫度等決定。綜上考慮，為了提高焊接接頭的塑韌性,減少內(nèi)應(yīng)力,避免裂紋的產(chǎn)生,此工藝采取焊前預(yù)熱的措施。

焊縫預(yù)熱溫度為120℃～150℃，定位焊接預(yù)熱溫度為140℃～180℃。用紅外線測(cè)溫儀測(cè)定溫度，溫控記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)一在距焊縫中心線100mm處測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)不少于3點(diǎn)。

（3）焊接過程

焊接過程中,嚴(yán)禁在坡口以外及母材表面打火,焊接電流不宜過大,每層焊縫的厚度也不宜太大，層厚控制在3mm～5mm，以確保焊接質(zhì)量。焊條擺動(dòng)寬度小于焊條直徑的3倍以限制焊道寬度。焊接過程中采用多層多道焊接時(shí)每道焊縫的清理均很重要,特別要注意坡口邊緣死角處的清理,每焊完一道應(yīng)及時(shí)將焊道內(nèi)的藥皮、雜質(zhì)等清理干凈避免夾渣。但高強(qiáng)鋼不得用錘子錘擊焊道，以免出現(xiàn)裂紋。并仔細(xì)檢查有無缺陷后尚可進(jìn)行后續(xù)的焊接工作。

鑒于焊接過程中焊接熱輸入對(duì)焊接接頭的沖擊韌性有很大影響（特別是高強(qiáng)鋼尤為顯著），所以在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入的大小?？紤]到610N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼的焊接性能較差，為降低焊縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)脆化所造成的不利影響，故應(yīng)選擇合適的焊接熱輸入范圍。盡量采用小參數(shù)、快速焊，將焊接熱輸入控制在20kJ/cm～35kJ/cm為宜。焊接工藝參數(shù)見表2、表3。

表2 立焊焊接工藝參數(shù)

表3 仰焊焊接工藝參數(shù)

由于焊接過程中層間溫度是獲得優(yōu)良焊縫的必需條件之一，溫度偏高將使焊縫強(qiáng)度下降，晶粒粗大，使沖擊韌性下降。溫度偏低會(huì)使焊縫出現(xiàn)夾渣、氣孔等焊接缺陷。在焊接過程中層間溫度應(yīng)控制在120℃～230℃。

（4）后熱

為了有利于焊縫中的氫擴(kuò)散逸出和緩解焊接收縮應(yīng)力，防止延遲裂紋的產(chǎn)生，試件焊接完成后應(yīng)立即進(jìn)行后熱。后熱溫度為200℃，保溫2h后自然冷卻。

2.6 焊件檢測(cè)

試件焊接完畢，先進(jìn)行外觀檢查符合要求后，方準(zhǔn)進(jìn)行其它項(xiàng)目的檢測(cè)。

焊縫外觀檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：焊縫高度和寬度、咬邊長(zhǎng)度和深度符合DL/T5017-2007規(guī)范要求，表面無氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷。

焊件經(jīng)外觀檢驗(yàn)合格后，對(duì)焊縫進(jìn)行UT探傷，探傷比例為100%。立焊和仰焊試件均未發(fā)現(xiàn)缺陷。評(píng)定級(jí)別為Ⅰ級(jí)，全部符合GB/T11345-89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》要求。

2.7 焊接試件的力學(xué)性能試驗(yàn)

按照DL/T5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊接接頭取樣分別進(jìn)行了拉伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5、表6。

表4 拉伸試驗(yàn)

表5 彎曲試驗(yàn)

表6 沖擊試驗(yàn)

從上述力學(xué)性能報(bào)告可以看出，Q345R（60mm）+600N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼（52mm）大厚度鋼板焊接接頭試件的抗伸、彎曲、沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)均達(dá)到DL/T5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)上述兩種鋼材的焊接工藝方法進(jìn)行探討，并通過試驗(yàn)論證，制定了切合實(shí)際的焊接工藝規(guī)程。采用此工藝施焊的試件經(jīng)無損檢測(cè)及力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果均符合要求。此工藝在瓦屋山水電站焊接施工中得以運(yùn)用，并取得了成功，解決了大厚度異種鋼焊接施工難題,證明該焊接工藝規(guī)程是可行的。同時(shí)為同類施工提供了參考。因此只要遵循以下焊接工藝要點(diǎn)，完全可以解決Q345R與610N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼大厚度異種鋼焊接的質(zhì)量問題。

⑴焊前認(rèn)真清理坡口及坡口邊緣20mm的水漬、油污、鐵銹等雜物；

⑵嚴(yán)格控制工件組對(duì)間隙，以3mm～4mm為宜；

⑶鑒于焊接過程中焊接熱輸入對(duì)焊接部位的沖擊韌性有很大影響（特別是高強(qiáng)鋼尤為顯著）。所以在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入量的大小?？紤]高強(qiáng)鋼的焊接性能較差，焊接熱輸入量應(yīng)控制在≤32kJ/cm為宜。并在焊接過程中必須采用多層多道焊的焊接方法；

⑷由于焊接過程中層間溫度是獲得優(yōu)良焊縫的必需條件之一，溫度偏高將使焊縫強(qiáng)度下降，晶粒粗大，使低溫沖擊韌性下降。溫度偏低易出現(xiàn)未焊透、未熔合、夾渣和氣孔等。焊接過程中層間溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在120℃～230℃；

⑸預(yù)熱和后熱溫度的控制，對(duì)焊接質(zhì)量至關(guān)重要，焊前預(yù)熱溫度要控制在120℃～150℃為宜，后熱應(yīng)在焊后立即進(jìn)行，后熱溫度控制在200℃為宜，并保溫2h，至自然冷卻。

采用上述焊接措施后，完全可以避免焊接裂紋等焊接接頭缺陷的產(chǎn)生。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版,2002.

[2]徐初雄.焊接工藝500問[M].機(jī)械工業(yè)出版,1997.

[3]DL/T5017-2007，水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4]GB/T11345-89,鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)[S].

TG441

B

1672-5387（2010）02-0033-03

2010-01-08

余麗梅（1980-），女，焊接高級(jí)技師，現(xiàn)從事焊工培訓(xùn)及焊接工藝編制、評(píng)定工作。