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      懸索橋特厚異種板焊接技術探究

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      摘要:針對懸索橋特厚異種板焊接難度大的特點,優選CO2氣體保護焊焊接方法,結合產品焊后熱處理特點,匹配合適焊材,輔以合理的焊接工藝參數及焊接順序,成功地保證了特厚異種板的焊接質量要求。

      關鍵詞:懸索橋;特厚異種板;焊接工藝;熱處理

      近年來我公司承接懸索橋核心受力部件產品中,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50~200mm之間,其中200mm鑄鋼件和180mm鋼板的焊接在公司屬于首次。考慮索橋核心受力部件現場低溫動載的特殊使用場景,針對異種材料特厚板焊接,認真研究焊接方法和工藝,并采取了相應的工藝保證措施,實現了特厚板技術的突破。

      1工藝技術難點分析

      ZG270-480H的碳當量CE≤0.46%,符合GB/T7659—2010;Q345R的碳當量CE≤0.48%。兩種材質相對來說,ZG270-480H的P、S雜質允許含量較高,有淬硬性傾向,極易產生冷裂紋。Q345R的P、S雜質允許含量較低,淬硬性較小。同時又是特厚板焊接,加上結構本身具有的極大拘束度,同時鑄鋼中有部分鑄造殘余應力,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,組織狀態良好,由于鋼板厚度為180mm,為特厚鋼板,尤其對于T型焊接接頭,超過臨界點的應力作用在板厚方向時,容易造成層狀撕裂[2-4]。根據產品的結構特點,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,焊接時間長,熱輸入總量高,構件施焊時焊縫拘束度高,焊接殘余應力大,焊后應力和變形大,焊接施焊過程中,易產生冷裂紋。同時,考慮到產品結構的復雜性,大部分焊縫無法實現自動化焊接。特厚板焊接,尤其是200mm鑄鋼件和180mm鋼板的對接焊是首次應用,如何優選合適的焊接方法,同時匹配高效率的工藝控制手段,保證低成本、高質量的產品,提出了嚴峻的挑戰。

      2焊接方法

      選擇可應用在特厚板焊接的方法有埋弧自動焊、手工電弧焊、CO2氣體保護焊等,下面對這些焊接方法進行分析。埋弧自動焊在打底層焊接時存在清渣困難,焊前準備時間長,焊劑需要進行烘干處理,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。對于一些形狀復雜,不是平位焊接的焊縫,埋弧焊無法實現焊接。手工電弧焊一般采用焊條進行焊接,焊條長度一般為350~450mm,每根焊條焊接完畢,需要重新裝夾焊條,中間需要預留準備和裝夾焊條時間,無法實現長時間的連續焊接,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,可減少焊接應力和變形。相對手工電弧焊來說,可連續送絲,中間不間斷,焊接效率高,一般焊接速度大于25m/h,操作簡單,CO2來源廣,綜合成本較低。CO2氣體保護焊為明弧操作,施焊部位可見度好,便于焊縫對中,同時抗氣孔能力強,對油銹敏感性低[5-6],便于焊接操作。結合公司產品的實際特點,優選CO2氣體保護焊進行特厚異種板的焊接。

      3焊接工藝確定

      3.1準備工作

      焊接應由具有經勞動人事部門頒發注冊的焊接技術等級證和上崗證的焊工或者技師擔任。根據部件的結構特點,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。考慮到有時無法兩面施焊,只能一面施焊的情況,需要設置成單面J型坡口來代替單面半V型坡口,同時背面輔以襯墊焊接,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,在焊縫的開始端和結束端加150~180mm長、20mm厚的引弧板和熄弧板,以保證引弧和熄弧處容易出現的缺陷不在焊縫上。焊前將焊縫坡口及單側25~30mm范圍內的氧化皮、油污、鐵屑、灰塵、水分等影響焊接質量的雜質徹底清除干凈。應在室內進行焊接操作,如遇下雨、下雪、大霧和大風等天氣情況,需要采取相應的保護措施。如氣體保護焊時,現場風速超過2m/s,需要采取有效的防護措施后才可施焊。調整好氣體流量,保證起弧前送氣時間及熄弧后送氣時間,一般2s為宜。盡量選擇在平位焊接,可以有效的降低操作難度,保證焊縫質量。對于特厚板及其對應的碳當量來說,焊前必須對母材及坡口進行預熱,一般采用火焰加熱預熱,預熱溫度為150~200℃,兩側焊縫均需加熱,加熱范圍不小于板厚的1.5倍并且不小于100mm,測溫點應設置在焊縫兩側不小于75mm處。火焰加熱時正面測溫應在火焰離開后進行。

      3.2焊接過程

      3.2.1焊接材料及規范考慮產品焊后需要進行熱處理消應處理,同時結合母材的力學性能,優選焊材材料,經研究選擇ER55-G(直徑1.2mm)焊絲作為焊接材料。ER55-G的化學成分見表1,ER55-G的力學性能見表2。保護氣體為CO2,純度≥99.9%,電源極性:直流反接。

      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,隨時測量變形,隨時根據變形情況調整。對于全熔透的不對稱坡口焊縫,先焊接大坡口一側的焊縫,焊接3~4道后,根據實際情況進行翻面清根,采用碳弧氣刨方式進行,將根部缺陷全部清除干凈,并用角磨機打磨下去1~2mm,去除滲碳層,保證氣刨刨槽圓滑過渡,以便于焊接。待氣刨側焊接1/3厚度后,停止焊接,進行另一側焊接,焊接到2/3厚度后,再進行氣刨側焊接,全部厚度焊接完成后再進行另一側焊接,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;組焊結構合理的分配成各個組元,并進行合理的組對焊接;構件剛性最大的部位最后焊接;當已知載荷產生的應力時,先焊拉應力區,后焊剪應力區和壓應力區。

      3.2.3焊接要求及注意事項(1)由于特厚板在定位焊時,定位焊處容易造成局部過大的應力集中,產生冷裂紋造成破壞。采取的措施是特厚板在定位焊時,提高預熱溫度,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,焊接過程的應力分布狀態得到有效改善。主要采用平焊,橫焊位置的焊接嚴禁進行立焊焊接,焊接時嚴格控制焊槍的擺動幅度,最大允許擺動12mm,嚴格控制各層道之間的填充量,單道焊縫的厚度要求不大于5mm。(3)層間溫度控制在150~200℃,采用紅外線測溫儀進行測定,降低冷卻速度,保證擴散氫的溢出,減少焊接冷裂紋。(4)焊接時先焊深坡口一側,施焊中除底層及面層外均應錘擊消應,降低焊接殘余應力。(5)禁止在母材坡口以外的地方進行焊接,如必須焊接,需要按照正式的焊接工藝評定的參數進行焊接,預熱、層間溫度與正式焊接等同。在割出臨時構件如工藝拉筋時,避免傷及母材,如發生該種情況,則必須制定合理的修補工藝進行修補,并對修補處打磨圓滑過渡。(6)焊接過程中若發現裂紋、夾渣、未熔合、氣孔、燒穿等缺陷時,應及時通知焊接檢驗人員并采取措施清除缺陷,同時采取合理的工藝進行補焊,但同一部位的補焊次數不得多于2次。(7)厚板對接焊后,應立即將焊縫及其兩側各100~150mm范圍內的局部母材進行加熱,采用電磁感應進行加熱。加熱溫度到250~350℃后用石棉鋪蓋進行保溫,保溫2~6h后空冷。這樣的后熱處理可使因焊前清潔工作不當或焊劑烘焙不當而滲入熔池的擴散氫迅速逸出,防止焊縫及熱影響區內出現氫致裂紋。

      4焊后檢驗及消應熱處理

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

      5結論

      在懸索橋特厚異種板的焊接制作中,結合工藝技術難點,認真研究焊接方法和工藝,優選CO2氣體保護焊,同時采取了相應的工藝保證措施,并執行嚴格的技術管理。成功完成200mm+180mm特厚異種板的焊接,保證了焊接質量,取得了顯著的經濟效益。填補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。

      參考文獻

      [1]石紅昌,蘇蘭,黃安明.鑄焊式主索鞍鞍體倒裝裝焊工藝研究[J].工程建設與設計,2018(1):130-132.

      [2]王元清,周暉,石永久,等.鋼結構厚板層狀撕裂及其防止措施的研究現狀[J].建筑鋼結構進展,2004,12(5):26-34.

      [3]戴為志.建筑鋼結構焊接工程層狀撕裂的產生機理及防止[J].焊接技術,2007,36(S1):27-30.

      [4]史永吉,王輝,方興,等.鋼材層狀撕裂及抗層狀撕裂焊接接頭的設計[J].中國鐵道科學,2005,26(6):69-74.

      [5]姜煥中.電弧焊及電渣焊[M].北京:機械工業出版社,1988.

      [6]王震,郝延璽.氣體保護焊工藝和設備[M].西安:西北工業大學出版社,1991.

      作者:蘇蘭;石紅昌;楊芙蓉;黃安明 單位:德陽天元重工股份有限公司

      現代焊接雜志責任編輯:張雨    閱讀:人次
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