碳素結構鋼及低合金高強鋼焊接方法選擇

1、碳素結構鋼及低合金高強鋼焊接方法選擇 三峽工程目前正在施工的重要結構主要有電站壓力鋼管、水輪機座和船閘門，其中水輪機座的施工工藝質量由國外公司負責，其余兩項由國內制造商和施工單位承包，閘門制造多由國內知名船廠承擔，具焊接工藝比較成熟，相對船體制造的沒備和工藝已不是什么難事；由于材料為強度級別較低(Q345)的低合金鋼，所以今后的主要問題是工地安裝時，如何提高效率，降低成本。 壓力鋼管的制作和安裝將成為主要矛盾，工程前期共有壓力鋼管14條，約22500t，由于材料復雜(上段為16MnR，下段為610U2低合金高強鋼)，板厚度大(最厚達58mm)，特別是管道直徑大(12499mm)，安裝位置復雜，

2、因此不同于常規(guī)管道的制作和安裝。 此次有幸參加了三峽開發(fā)總公司工程建設部組織的“三峽工程金屬結構焊接技術專家咨詢會”，受益匪淺，但由于時間太短，會前對幾個承包單位的工作和試驗資料未及仔細學習，所以有些意見未能允分表達，現(xiàn)對有些觀點加以說明。 1、三峽工程壓力鋼管的選材思想和實踐是成功的 上段選用16MnR、下段選日本NKK的60kg級的610U2都是可焊性好的鋼種，特別是日本的610U2，屬于低碳調質鋼中的焊接無裂紋鋼(CF鋼)，其特點是含碳量低(0.09)、總碳當量低(CEQ2=0.39%)、裂紋敏感系數(shù)低(PCM0.19)。由于在鋼材生產過程中采用新技術，如在線余熱淬火等，在碳當量不大情況

3、下，增加其淬透性，并加入多種微量元素，所以能在保證高強度的同時提高其塑性和韌性(-40時其AKv200J甚至達300以上)，增加了在減輕重量情況下得到高質量焊縫的可能性。 2、從焊接設計出發(fā)，選擇焊材的原則 16MnR是焊接結構應用最多的鋼種，一般焊縫按等強設計，此鋼種國內的焊接材料、焊接方法配套均非常成熟。 關于610U2類型的低碳調質鋼，本來其可焊性也是較好的，但是在焊接時若處理不當，在熔合區(qū)的冷裂和影響區(qū)的脆化和軟化等缺陷也有發(fā)生，在特殊情況下特別是在工地安裝中，對焊接熱輸入和預熱等方面有一定要求。 焊接無裂紋鋼種，采用低H或超低H焊材，在板厚50mm以下或在0以上環(huán)境均可不預熱。此種鋼

4、冶煉技術優(yōu)越，其力學指標突出，特別是在屈強比的沖擊性能方面(如本次選用的610U2就是這樣)，但在焊接時，如要求焊縫沖擊性能達到母材要求，這顯然是不合適，焊縫設計其力學指標以工作要求為主，不低于母材力學指標的保證值，再留有適當余量，而不應該以母材的實測值為標準，有時為了提高焊縫的塑韌性可適當降低焊縫的設計強度指標。實踐證明，低強匹配的焊縫，往往能提高焊縫的韌性和抗裂紋敏感性。 3、關于焊接方法 壓力鋼管的主要加工工藝是焊接，原則上，手工電弧焊、埋弧焊、氣保護實心焊絲和藥芯焊絲焊，自保護藥芯焊絲等均可選用，應根據(jù)施工條件、結構形式、效率與成本核算、焊接質量的水平綜合考慮，選擇原則應為：在好的勞動

5、條件下，低成本地完成高質量的焊縫。 這次論證會上的基本結論是：廠房預制推行自動實心焊絲氣保護焊；工地安裝采用手工焊；研制全位置自動焊設備。對此結論大多數(shù)與會者雖能接收，但還存在某些疑慮。 (1)從保證焊接質量出發(fā)，焊接冶金過程完善(如通過滲合金控制焊縫成分和H值含量)；保護好；焊接熱源能量集中，易控制熱輸入和焊接變形；能通過焊接設備控制焊接質量等，具有這些能力的焊接方法是最好的。 對這二種鋼特別是610U2應首選氣保焊，因為低合金高強鋼焊接質量的主要問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)的脆化和軟化，而氣保焊最大的特點是低H焊、易控制熱輸入，例如測擴散H含量平均值為：手工電弧焊的酸性焊條21.9，堿性焊條3

6、.15；CO2保護焊1，MAG焊0.03，埋弧焊2.17，單位：ml/100g。 焊接的抗銹能力實驗：埋弧焊當0.3g/10mm時產生氣孔，而CO2焊1g/10mm才產生氣孔。所以，C02焊是一種低H焊接。另外氣保焊能量密度大，在正常規(guī)范下，其熱輸入僅為手工焊的1/21/3(特別是脈沖MAG焊)而且變形小，這對具有一定熱敏感性的高強鋼極為重要。氣保焊的優(yōu)點是效率高成本低，因為它的熔化效率高，不用清渣換焊條，坡口小，熔敷金屬少，坡口加工量少。 (2)氣保焊分實心焊絲和藥芯焊絲，它們有一些共同的特點，如熱量集中、高效，也有不同處(見后)。氣保焊已成為焊接碳鋼和低合金高強鋼的主要工藝方法，我國造船工

7、業(yè)所用鋼材與三峽的16MnR和610U2基本類似，其熔化極氣體保護所占比例已達60%以上(其中藥芯焊絲又占氣保焊50%以上)，其它行業(yè)如石化、電力、機械等也基本相同。說明這種焊接方法是金屬結構制造企業(yè)的看家方法。 4、關于氣保焊的效率和質量 由于氣保焊特別是CO2焊有一定局限性，另一方面推廣氣保焊是個系統(tǒng)工程，從設備、焊材配套到焊縫設計等，全都要適應新方法。所以推廣時還需制定規(guī)程和獎勵制度。 4.1 氣保焊的效率 一種焊接方法的效率，由它的熔深、能量密度、熔化速度、熔敷效率等因素決定，除此以外，被焊工件的坡口型式及其填允量，也直接影響效率。 手工焊和氣保焊熱源雖都是電弧，但是由于燃弧率不同，弧

8、區(qū)介質不同，所以會影響熔深和能量密度，從而使熔化速度，熔敷效率有很大差別。 - 燃弧率 熔敷速度 熔敷效率 平均熔深 - 手工焊30% 3550g/min 55% 3mm CO2 45% 平均90g/min 9095% 6mm MIG/MAG50% 60140g/min 9699% 46mm 焊芯焊絲50% 140200g/min 8387% 46mm - 從表中熔敷速度和熔敷效率看，氣保焊單位時間熔敷到焊縫上的金屬量應該比手工焊多兩倍以上。在推廣氣保焊時，實際效率的提高往往達不到理論數(shù)據(jù)，很重要的原因是焊件坡口型式沒有做相應的改變；另外就是由于氣保焊設備材料不配套或使用不當，大大增加了輔助時

9、間，從我國船廠統(tǒng)計看，氣保焊每日消耗焊材1015kg(日本可到50kg)，手工焊67kg。 4.2 氣保焊的質量 氣保焊不但可用于低合金高強鋼的焊接，而且可以說是焊接的首選方法。這不僅因為它比手工焊的效率最少高一倍以上，而且它最易保證高強鋼的焊接質量。 如在1中所述，選材很好，碳當量和裂紋敏感系數(shù)都很小，可焊性良好，這就不需要很多復雜工藝而能保證質量。當然對這樣一項跨世紀工程來說，仍需作到萬無一失。16MnR屬于C-Mn系列的熱軋正火鋼，610U2屬于超低碳多元素調質鋼，一般均在焊態(tài)下使用。這兩類鋼焊接接頭質量的主要問題是保證焊縫的高綜合性能，防止影響區(qū)的脆化和軟化，保證熔合區(qū)和熱影響區(qū)不發(fā)生

10、裂紋并有一定韌性。由于610U2屬于熱處理強化鋼在焊態(tài)下使用，如何同時保證焊縫的綜合性能及熱影響區(qū)的韌性，實踐證明雖不是非常困難，但在選擇焊接材料及工藝時應保證焊縫金屬一定的化學成分，選擇合適的線能量與適當?shù)念A熱和層間溫度相配合，從而得到合適的t8/5，以保證熱影響在AC1-AC3之間的部分得到合適的組織(最多的針狀鐵素體，最少的M-A組元)和品粒度。另外還應控制含H量，進一步防止冷裂的發(fā)生。 低C調質鋼特別是CP鋼，含C量極低，熱影響區(qū)只能形成低C馬氏體、巳由于Ms點較高，能產生自回火，所以冷裂傾向不大，又由于含C，S量都低，Mn/S大，所以熱裂傾向很小，只要注意工藝的選用，不管是手工焊、埋

11、弧焊，實心或藥芯氣保焊均可保證焊接質量?？梢钥闯觯x擇焊材可以保證焊縫成分，但更重要的是選擇合適的工藝。 選用氣保焊焊接上述兩種鋼，應該說是最合適的方法，因為它熱量集中，容易控制熱輸入，又是一種低H焊接法；在允許的同樣線能量下，其焊接效率又大大高于手工焊，焊接變形小，不易引起應力集中和矯正工時，但是為什么至今在部分單位得不到認同呢?其原因首先是方法本身的局限性：氣保焊有惰性氣體非熔化極(T1G)、CO2氣體實心焊絲和藥芯焊絲、氧化性混合氣體實心和藥芯焊絲幾種。除TIG外均可用于此二種鋼，與手工焊和埋弧焊相比，實心焊絲保護焊不是氣渣聯(lián)合保護，在調整成分方面主要通過焊絲。在冶金反應方面單，所以為保證質量，冶煉專用配套焊絲很重要；另外，由于氣體起保護作用并參與熱反應，有許多優(yōu)點(如能形成帶電離子和壓縮電弧，電弧能量密度加大，低H)也有其缺點(如增C，形成氣孔)，所以，在焊接碳素結構鋼和熱軋正火低合金鋼常用的焊絲中，降低含C量，