蘇 蘭 石紅昌 楊芙蓉 黃安明

(德陽天元重工股份有限公司，四川618000)

近年來我公司承接懸索橋核心受力部件產(chǎn)品中，遇到越來越多的特厚板的焊接，主要是鑄鋼件和鋼板的異種材料焊接[1]，母材的主要材料為ZG270-480H和Q345R。鋼板的厚度在50～200 mm之間，其中200 mm鑄鋼件和180 mm鋼板的焊接在公司屬于首次?？紤]索橋核心受力部件現(xiàn)場低溫動載的特殊使用場景，針對異種材料特厚板焊接，認(rèn)真研究焊接方法和工藝，并采取了相應(yīng)的工藝保證措施，實(shí)現(xiàn)了特厚板技術(shù)的突破。

1 工藝技術(shù)難點(diǎn)分析

ZG270-480H的碳當(dāng)量CE≤0.46%，符合GB/T 7659—2010；Q345R的碳當(dāng)量CE≤0.48%。兩種材質(zhì)相對來說，ZG270-480H的P、S雜質(zhì)允許含量較高，有淬硬性傾向，極易產(chǎn)生冷裂紋。Q345R的P、S雜質(zhì)允許含量較低，淬硬性較小。同時(shí)又是特厚板焊接，加上結(jié)構(gòu)本身具有的極大拘束度，同時(shí)鑄鋼中有部分鑄造殘余應(yīng)力，上述因素都增加焊接冷裂紋的敏感性。

Q345R為熱軋鋼板，組織較為致密，組織狀態(tài)良好，由于鋼板厚度為180 mm，為特厚鋼板，尤其對于T型焊接接頭，超過臨界點(diǎn)的應(yīng)力作用在板厚方向時(shí)，容易造成層狀撕裂[2-4]。

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特厚板連接需要全熔透焊接，因此焊縫形式主要為坡口焊接，并且考慮空間操作受限問題。一般為單面坡口，坡口深度深，填充焊材熔敷金屬量大，焊接時(shí)間長，熱輸入總量高，構(gòu)件施焊時(shí)焊縫拘束度高，焊接殘余應(yīng)力大，焊后應(yīng)力和變形大，焊接施焊過程中，易產(chǎn)生冷裂紋。同時(shí)，考慮到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，大部分焊縫無法實(shí)現(xiàn)自動化焊接。

特厚板焊接，尤其是200 mm鑄鋼件和180 mm鋼板的對接焊是首次應(yīng)用，如何優(yōu)選合適的焊接方法，同時(shí)匹配高效率的工藝控制手段，保證低成本、高質(zhì)量的產(chǎn)品，提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 焊接方法選擇

可應(yīng)用在特厚板焊接的方法有埋弧自動焊、手工電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等，下面對這些焊接方法進(jìn)行分析。

埋弧自動焊在打底層焊接時(shí)存在清渣困難，焊前準(zhǔn)備時(shí)間長，焊劑需要進(jìn)行烘干處理，焊接過程中焊縫對中難度大，適用于長直并且操作空間開闊的平位焊接焊縫。對于一些形狀復(fù)雜，不是平位焊接的焊縫，埋弧焊無法實(shí)現(xiàn)焊接。

手工電弧焊一般采用焊條進(jìn)行焊接，焊條長度一般為350～450 mm，每根焊條焊接完畢，需要重新裝夾焊條，中間需要預(yù)留準(zhǔn)備和裝夾焊條時(shí)間，無法實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的連續(xù)焊接，焊接效率低，不適用于厚板及特厚板的焊接。

CO2氣體保護(hù)焊由于能形成窄而深的焊縫，電弧加熱集中，受熱面積較小。加上CO2氣體的冷卻作用，可減少焊接應(yīng)力和變形。相對手工電弧焊來說，可連續(xù)送絲，中間不間斷，焊接效率高，一般焊接速度大于25 m/h，操作簡單，CO2來源廣，綜合成本較低。CO2氣體保護(hù)焊為明弧操作，施焊部位可見度好，便于焊縫對中，同時(shí)抗氣孔能力強(qiáng)，對油銹敏感性低[5-6]，便于焊接操作。結(jié)合公司產(chǎn)品的實(shí)際特點(diǎn)，優(yōu)選CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行特厚異種板的焊接。

3 焊接工藝確定

3.1 準(zhǔn)備工作

焊接應(yīng)由具有經(jīng)勞動人事部門頒發(fā)注冊的焊接技術(shù)等級證和上崗證的焊工或者技師擔(dān)任。

根據(jù)部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理的布置焊縫坡口的形狀，對于對接焊縫坡口，可以將坡口形式設(shè)置成1/3t、2/3t的不對稱K型或者X型坡口(t為母材厚度)，以便減小焊接變形。考慮到有時(shí)無法兩面施焊，只能一面施焊的情況，需要設(shè)置成單面J型坡口來代替單面半V型坡口，同時(shí)背面輔以襯墊焊接，這樣可以有效減少焊接熔敷填充量和焊接變形。

條件允許時(shí)，在焊縫的開始端和結(jié)束端加150～180 mm長、20 mm厚的引弧板和熄弧板，以保證引弧和熄弧處容易出現(xiàn)的缺陷不在焊縫上。

焊前將焊縫坡口及單側(cè)25～30 mm范圍內(nèi)的氧化皮、油污、鐵屑、灰塵、水分等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)徹底清除干凈。

應(yīng)在室內(nèi)進(jìn)行焊接操作，如遇下雨、下雪、大霧和大風(fēng)等天氣情況，需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。如氣體保護(hù)焊時(shí)，現(xiàn)場風(fēng)速超過2 m/s，需要采取有效的防護(hù)措施后才可施焊。調(diào)整好氣體流量，保證起弧前送氣時(shí)間及熄弧后送氣時(shí)間，一般2 s為宜。盡量選擇在平位焊接，可以有效的降低操作難度，保證焊縫質(zhì)量。

對于特厚板及其對應(yīng)的碳當(dāng)量來說，焊前必須對母材及坡口進(jìn)行預(yù)熱，一般采用火焰加熱預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150～200℃，兩側(cè)焊縫均需加熱，加熱范圍不小于板厚的1.5倍并且不小于100 mm，測溫點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在焊縫兩側(cè)不小于75 mm處?；鹧婕訜釙r(shí)正面測溫應(yīng)在火焰離開后進(jìn)行。

3.2 焊接過程

3.2.1 焊接材料及規(guī)范

考慮產(chǎn)品焊后需要進(jìn)行熱處理消應(yīng)處理，同時(shí)結(jié)合母材的力學(xué)性能，優(yōu)選焊材材料，經(jīng)研究選擇ER55-G(直徑?1.2 mm)焊絲作為焊接材料。ER55-G的化學(xué)成分見表1，ER55-G的力學(xué)性能見表2。保護(hù)氣體為CO2，純度≥99.9%，電源極性：直流反接。焊接規(guī)范見表3。

表1 ER55-G焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of ER55-G welding wire (mass fraction, %)

表2 ER55-G焊絲熔敷金屬力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of ER55-G welding wire deposited metal

表3 氣體保護(hù)焊焊接規(guī)范Table 3 Welding specification of gas shielded welding

3.2.2 焊接順序的確定

以控制和減小焊接變形為原則，采用對稱施焊，隨時(shí)測量變形，隨時(shí)根據(jù)變形情況調(diào)整。

對于全熔透的不對稱坡口焊縫，先焊接大坡口一側(cè)的焊縫，焊接3～4道后，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行翻面清根，采用碳弧氣刨方式進(jìn)行，將根部缺陷全部清除干凈，并用角磨機(jī)打磨下去1～2 mm，去除滲碳層，保證氣刨刨槽圓滑過渡，以便于焊接。待氣刨側(cè)焊接1/3厚度后，停止焊接，進(jìn)行另一側(cè)焊接，焊接到2/3厚度后，再進(jìn)行氣刨側(cè)焊接，全部厚度焊接完成后再進(jìn)行另一側(cè)焊接，直到全部焊接完畢。最終保證兩面的填充金屬量基本一致，合理控制焊接變形。

其它焊縫的焊接順序原則：由中間向兩側(cè)對稱焊接；先短后長焊接原則；先焊對接焊縫，后焊角焊縫；組焊結(jié)構(gòu)合理的分配成各個(gè)組元，并進(jìn)行合理的組對焊接；構(gòu)件剛性最大的部位最后焊接；當(dāng)已知載荷產(chǎn)生的應(yīng)力時(shí)，先焊拉應(yīng)力區(qū)，后焊剪應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)。

3.2.3 焊接要求及注意事項(xiàng)

(1)由于特厚板在定位焊時(shí)，定位焊處容易造成局部過大的應(yīng)力集中，產(chǎn)生冷裂紋造成破壞。采取的措施是特厚板在定位焊時(shí)，提高預(yù)熱溫度，加大定位焊縫長度和焊腳尺寸。

(2)在特厚板焊接過程中必須采取多層多道焊，通過前道焊縫對后道焊縫的“預(yù)熱”過程及后道焊縫對前道焊縫的“后熱處理”過程，焊接過程的應(yīng)力分布狀態(tài)得到有效改善。主要采用平焊，橫焊位置的焊接嚴(yán)禁進(jìn)行立焊焊接，焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊槍的擺動幅度，最大允許擺動12 mm，嚴(yán)格控制各層道之間的填充量，單道焊縫的厚度要求不大于5 mm。

(3)層間溫度控制在150～200℃，采用紅外線測溫儀進(jìn)行測定，降低冷卻速度，保證擴(kuò)散氫的溢出，減少焊接冷裂紋。

(4)焊接時(shí)先焊深坡口一側(cè)，施焊中除底層及面層外均應(yīng)錘擊消應(yīng)，降低焊接殘余應(yīng)力。

(5)禁止在母材坡口以外的地方進(jìn)行焊接，如必須焊接，需要按照正式的焊接工藝評定的參數(shù)進(jìn)行焊接，預(yù)熱、層間溫度與正式焊接等同。在割出臨時(shí)構(gòu)件如工藝?yán)顣r(shí)，避免傷及母材，如發(fā)生該種情況，則必須制定合理的修補(bǔ)工藝進(jìn)行修補(bǔ)，并對修補(bǔ)處打磨圓滑過渡。

(6)焊接過程中若發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣、未熔合、氣孔、燒穿等缺陷時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知焊接檢驗(yàn)人員并采取措施清除缺陷，同時(shí)采取合理的工藝進(jìn)行補(bǔ)焊，但同一部位的補(bǔ)焊次數(shù)不得多于2次。

(7)厚板對接焊后，應(yīng)立即將焊縫及其兩側(cè)各100～150 mm范圍內(nèi)的局部母材進(jìn)行加熱，采用電磁感應(yīng)進(jìn)行加熱。加熱溫度到250～350℃后用石棉鋪蓋進(jìn)行保溫，保溫2～6 h后空冷。這樣的后熱處理可使因焊前清潔工作不當(dāng)或焊劑烘焙不當(dāng)而滲入熔池的擴(kuò)散氫迅速逸出，防止焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)氫致裂紋。

4 焊后檢驗(yàn)及消應(yīng)熱處理

待焊縫冷卻到室溫后，對焊縫外觀進(jìn)行100%檢測，外觀無缺陷。特厚板的超聲檢測應(yīng)在焊后48 h或更長時(shí)間進(jìn)行。檢測結(jié)果表明，均達(dá)到預(yù)期要求。為降低焊接殘余應(yīng)力，保證焊縫和熱影響區(qū)的組織和性能，焊后進(jìn)行退火消應(yīng)熱處理，在560±10℃保溫4 h，升溫和降溫速度≤60℃/h，進(jìn)爐溫度≤200℃，出爐溫度≤250℃。

5 結(jié)論

在懸索橋特厚異種板的焊接制作中，結(jié)合工藝技術(shù)難點(diǎn)，認(rèn)真研究焊接方法和工藝，優(yōu)選CO2氣體保護(hù)焊，同時(shí)采取了相應(yīng)的工藝保證措施，并執(zhí)行嚴(yán)格的技術(shù)管理。成功完成200 mm+180 mm特厚異種板的焊接，保證了焊接質(zhì)量，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。填補(bǔ)了公司特厚異種板焊接的空白，對將來更大厚度的異種板的焊接提供了有益的參考。