張運(yùn)孟 丁友蘭

高拘束度厚鋼板自動焊接工藝

張運(yùn)孟 丁友蘭

本文以管磨機(jī)滑環(huán)為例，分析了高拘束度焊縫焊接時的工藝，并針對自動焊易出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析總結(jié)，為大型鋼結(jié)構(gòu)或設(shè)備制造提供了一定參考經(jīng)驗(yàn)。

1. 概述

現(xiàn)代冶煉和制造技術(shù)的不斷提高，為大型鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和使用提供了有力保障，重型鋼結(jié)構(gòu)制造行業(yè)日益發(fā)展，中厚板的焊接技術(shù)也越來越先進(jìn)，如窄間隙焊接技術(shù)和多絲焊接技術(shù)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(guān)注單絲埋弧焊工藝在中厚板結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，一段時期內(nèi)仍具有相當(dāng)?shù)膶?shí)際意義。

筆者曾從事過大型水泥行業(yè)、電力行業(yè)管磨機(jī)和鍛壓機(jī)床大型壓力機(jī)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(jìn)行了大量實(shí)踐和總結(jié)，本文以管磨機(jī)支撐段（行業(yè)內(nèi)稱滑環(huán)）的焊接工藝為例，分析高拘束度厚板焊接工藝的特點(diǎn)。

2. 實(shí)例情況簡介

如圖1所示為建材行業(yè)采用較多的規(guī)格為φ5m的管磨機(jī)滑環(huán)的基本尺寸，材料一般用20G（現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)為Q245R），也有少部分廠家設(shè)計(jì)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(jià)其焊接性，特別是淬硬性，估算可用碳當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式：Ceq=C+Mn/6+Si/24。

一般Ceq≤0.4%時認(rèn)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(zhì)對熱裂紋的影響。因此評價(jià)焊接熱裂紋傾向的碳當(dāng)量計(jì)算公式：Ceq=C+2S+P/3+(Mn-1.0)/8+(Si-0.4)/7。

相關(guān)資料指出，對于wc≥0.2%的碳鋼和低合金鋼，當(dāng)雜質(zhì)ws≥0.035%時，便足以引起埋弧焊的熱裂紋，因此應(yīng)盡量將鋼中和焊絲中雜質(zhì)S的含量分別控制在0.02%和0.01%以下，同時雜質(zhì)P的含量也應(yīng)控制在0.02%以下。

圖1 尺寸

由于構(gòu)件使用的鋼板厚度大，同時筒體與腹板組合的環(huán)縫拘束度相當(dāng)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(xiàn)淬硬組織，在厚板形成的三維應(yīng)力作用下，極有可能產(chǎn)生冷裂紋；而用于一般結(jié)構(gòu)的鋼板和焊絲成分，冶煉時達(dá)到控制熱裂紋所需的雜質(zhì)最高含量也不完全現(xiàn)實(shí)，從而出現(xiàn)熱裂紋的幾率也大大增加。

（2）實(shí)際情況 在實(shí)際制作過程中，由于剛開始沒有引起足夠重視，結(jié)果問題接連出現(xiàn)。首先，考慮厚板冷卻速度不周，焊接前只進(jìn)行了簡單預(yù)熱，結(jié)果第一層焊接馬上全部開裂，再加焊一層，同樣開裂，后來調(diào)整了預(yù)熱工藝，保證底層焊縫質(zhì)量后，中間層焊縫因焊接參數(shù)較大，又在焊縫中心出現(xiàn)大量熱裂紋，如圖2所示。

圖2 典型焊縫中心開裂（熱裂紋）

4. 工藝措施制定

根據(jù)理論分析及實(shí)際教訓(xùn)，我們認(rèn)真進(jìn)行總結(jié)并制定了詳細(xì)工藝措施。

（1）預(yù)熱溫度確定 參照低合金鋼冷裂紋指數(shù)Pcm及考慮板厚的預(yù)熱溫度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合相關(guān)資料介紹的經(jīng)驗(yàn)，確定預(yù)熱溫度如下：鋼板對接預(yù)熱溫度：T≥100℃；滑環(huán)環(huán)縫焊接預(yù)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(jìn)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(jié)焊劑使用前350℃烘烤2h。

（3）焊接參數(shù)確定 進(jìn)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(yīng)力熱處理 由于此類結(jié)構(gòu)焊接后要進(jìn)行機(jī)加工，必須進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，若焊后不能進(jìn)行消除應(yīng)力處理，需增加消氫處理工序。

5. 焊接工藝要點(diǎn)

（1）焊接坡口設(shè)計(jì) 根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)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(dāng)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。

表1

圖3

（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(nèi)。

滑環(huán)類高拘束度結(jié)構(gòu)件，應(yīng)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(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行筒體上定位板的焊接再裝腹板，檢驗(yàn)各部位裝配質(zhì)量，不可點(diǎn)焊，否則預(yù)熱時因膨脹不勻定位焊縫拉裂形成潛在焊接缺陷。

（3）預(yù)熱方法 鋼板對接：采用煤氣（或氧乙炔火焰）預(yù)熱，溫度達(dá)到100℃以上。

滑環(huán)預(yù)熱：采用筒體遠(yuǎn)紅外履帶式電加熱結(jié)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(yù)熱達(dá)到140～150℃，腹板預(yù)熱達(dá)到100～120℃，坡口間隙以2～3mm為宜。

預(yù)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(yù)熱過程中要求用保溫棉進(jìn)行保溫。環(huán)境溫度較低時預(yù)熱溫度應(yīng)增加20～30℃。

（4）焊接實(shí)施 根據(jù)工藝試驗(yàn)確定焊接材料，實(shí)際施焊時，當(dāng)達(dá)到預(yù)熱溫度后，第一層用φ1.2mm絲徑的CO2焊接先進(jìn)行填充以防止焊穿，然后采用埋弧焊焊接，焊接參數(shù)如表2所示。

焊接過程中保證層間溫度碳鋼結(jié)構(gòu)≥100℃，低合金鋼≥150℃；如果達(dá)不到此最低規(guī)定，應(yīng)繼續(xù)通電預(yù)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(xù)焊接，禁止中途停留；特殊情況間斷后，必須重新預(yù)熱達(dá)到規(guī)定溫度后才能進(jìn)行焊接，而且重新預(yù)熱的加熱速度要求控制好，不得高于50℃/h，以免產(chǎn)生應(yīng)力開裂。

自動焊焊縫形狀系數(shù)在1.3～1.5為佳，偏小的形狀系數(shù)，在厚板焊接時極易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

表2

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(cè)先焊接，注意兩面交替焊接，隨時檢測角變形量并調(diào)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(huán)筒體與腹板組合的環(huán)縫焊接也同樣要注意腹板變形量，一般以8～10mm為宜，達(dá)到此值時就必須翻面焊接；而筒體鋼板對接時因?yàn)殇摪彘L度大，自重大，在對接焊縫焊接時，因?yàn)樽灾刈饔?，相?dāng)于進(jìn)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(jié)晶熱裂紋產(chǎn)生的幾率，又可大大減少焊接應(yīng)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(xué)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(zhǔn)，過大邊緣未熔合，過小易產(chǎn)生咬邊或焊道間未熔合。腹板與筒體組合環(huán)縫焊接時，自動焊機(jī)應(yīng)做相應(yīng)工裝，保證焊機(jī)焊接速度和焊絲角度方便調(diào)節(jié)，焊絲與腹板的夾角以70°～80°為宜，焊機(jī)改裝及實(shí)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(jié)構(gòu)因殘余應(yīng)力較大，一般應(yīng)進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，對于板材對接焊縫，消除應(yīng)力熱處理的升溫速度可以參照板厚進(jìn)行計(jì)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(jìn)行熱處理，滑環(huán)類最好進(jìn)爐內(nèi)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?yàn)榫植繜崽幚碓?，加熱速度和冷卻速度均應(yīng)比圖5中的參數(shù)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(yīng)力后應(yīng)進(jìn)行超聲波檢測，對角接焊縫還應(yīng)檢查層狀撕裂缺陷。

圖4 消除應(yīng)力熱處理工藝曲線

圖5 環(huán)縫焊接時現(xiàn)場情景

6. 結(jié)語

厚板焊接有其特殊性，預(yù)熱和連續(xù)小規(guī)范多層多道焊接是保證焊接質(zhì)量的基本工藝措施，不能因?yàn)椴牧虾附有院镁筒灰鹬匾?。對拘束度較大的構(gòu)件，更需強(qiáng)調(diào)預(yù)熱的作用，特別是考慮膨脹收縮原理，通過焊前預(yù)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(yīng)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(zhì)量。

筆者按照上述方法，焊接過建材行業(yè)磨機(jī)、鍛壓機(jī)床機(jī)架以及電力行業(yè)厚管板，均取得較好效果。

[1]陳祝年.《焊接工程師手冊》第二版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]《焊工手冊》（埋弧焊、氣體保護(hù)焊、電渣焊、等離子弧焊）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998：5.

張運(yùn)孟等，黃石聚達(dá)電力設(shè)備有限公司。