[word doc]鋼橋U肋焊接新工藝——金屬芯藥芯焊絲CO2氣體保護焊

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。word doc鋼橋U肋焊接新工藝金屬芯藥芯焊絲CO2氣體保護焊標簽:標題鋼橋U肋焊接新工藝金屬芯藥芯焊絲CO2氣體保護焊生產應用俘擄鋼橋U肋焊接新工藝金屬芯藥芯焊絲CO2氣體保護焊武船重型工程有限公司(武漢市430415)張華舒先慶李立明武峰葉君龍摘要針對目前鋼橋U肋焊接中存在的共性技術問題進行了研究.采用宏觀斷面分析,冷裂敏感性對比試驗,金相組織分析等手段,研究了金屬芯藥芯焊絲CO氣體保護焊工藝在U肋焊接中的適應性,分析了各種工藝條件對U肋焊縫熔透率及焊縫成形的影響,優(yōu)化了焊接坡口尺寸和工藝參數(shù).研

2、究結果表明:對于鋼橋板厚為8mm的U肋角焊縫,采用金屬芯藥芯焊絲CO氣體保護焊,焊絲直徑為1.6mm,可一道焊接成形,焊縫熔透率大于80%,外觀成形和內部質量良好,可大幅提高焊接工效,降低生產成本,從焊接新工藝途徑上得到了突破.關鍵詞:鋼橋U肋金屬芯藥芯焊絲工藝參數(shù)焊縫熔透率焊縫成形中圖分類號:TG4440前言中國的焊接鋼橋正在蓬勃發(fā)展,跨江河,跨海大橋不斷建成.鋼橋為設計使用壽命百年以上的公共建筑,且屬典型的受動載載荷結構,對焊接接頭質量的要求非常嚴格¨J.u肋焊接是整個鋼橋生產制造中的重要組成部分,u肋與面,底板問角焊縫要求有較高的抗疲勞性能,是鋼橋焊接中的重點與難點.近年來,國

3、內有多座鋼橋在運營期間受車輪載荷作用,U肋與面板問角焊縫出現(xiàn)了開裂問題,給鋼橋的設計與制造者帶來了警示和思考.目前,鋼橋U肋焊接均采用熔渣型藥芯焊絲CO,氣體保護焊或實心焊絲CO:氣體保護焊,但鑒于u肋焊縫的接頭形式和技術要求的特殊性,在焊接質量,工效與成本上未能達到較好的綜合效益;尤其對于板厚為8mm的U肋,采用熔渣型藥芯焊絲焊接,若單道焊接,焊縫金屬填充量不足,焊縫外觀成形不良,若兩道焊接,則焊接生產效率過低.中鐵山橋公司對鋼橋U肋加勁焊接技術進行了總結,但僅基于現(xiàn)有技術介紹了U肋焊接的工藝要求,并沒有突破U肋焊接中的共性技術問題.金屬芯藥芯焊絲是近年來國際上發(fā)展的新趨勢,相對于熔渣型藥芯

4、焊絲,它的藥芯大部分是金屬粉,只有少量的穩(wěn)弧劑和造渣劑,具備高熔敷速度,低飛濺率,焊接工藝性好的特點,而且氫含量可以較易地限制收稿日期:20100317在較低的水平,使焊縫抗裂性能得到提高,同時可減少焊接氣孔傾向.將金屬芯藥芯焊絲用于U肋焊縫的焊接,利用其良好的工藝性能和更高的熔敷速度優(yōu)勢,旨在解決目前行業(yè)中鋼橋u肋焊接存在的共性技術問題,特別是對于板厚為8mm的U肋角焊縫,可一道焊接成形.因而改善了焊縫外觀成形和內部質量,大幅提高焊接工效,降低生產成本.1U肋角焊縫設計要求及工藝特點1.1設計要求鋼橋中的U肋板厚多為8mm,少數(shù)為6mm或l0mm,圖1為U肋加勁結構截面示意圖.A放大圖1U肋

5、加勁結構截面示意圖U肋焊縫設計要求主要有:焊縫外觀應滿足規(guī)定要求,不得有裂紋,未熔合,未焊滿,咬邊等缺陷;焊縫熔深不小于u肋厚度的80%;u肋焊縫背面不允許有焊漏.1.2工藝特點目前,由于應用了微合金強化作用原理,鋼中碳含2010年第10期5l俘擄生產應用量和碳當量及夾雜物的降低,焊接熱影響區(qū)的脆化作用已顯著降低.而實踐表明,為保證焊縫強度要求所選用的焊接材料,焊縫的實際強度往往會大大超過設計要求,成為”超強匹配”.對于鋼橋U肋角焊縫,焊縫金屬冷卻速度較快,硬化作用比較明顯,焊縫的塑性和韌性常常遜于母材,因此焊縫金屬產生裂紋的幾率增大,特別是u肋焊縫中的橫向冷裂紋問題不可忽視.由于u肋焊縫為背

6、面無襯墊單面焊接成形,焊縫熔深允許范圍很窄,受u肋坡口精度,裝配間隙,工件傾角,送絲位置和角度,焊接參數(shù)等因素的影響,同時保證良好的焊縫外觀成形和設計熔深要求,又要避免焊縫焊漏,工藝要求非常嚴格,是鋼橋焊接中的難點.2試驗條件及方法母材材質為Q345D,U肋試板規(guī)格為8mm×120i/l/flx400mm;面(底)板試板規(guī)格為14mm×150mmX500mm;金屬芯藥芯焊絲牌號為SQJ50MX,代號為xl,直徑為1.6mm;熔渣型藥芯焊絲代號為X2,直徑為1.6mm.表1為金屬芯藥芯焊絲xl熔敷金屬化學成分與力學性能.表1SQJ50M×金屬芯藥芯焊絲熔敷金屬化學成

7、分與力學性能影響U肋焊縫外觀成形和熔深的工藝因素較多,且各因素間存在互相作用的關系,顯然無法對所有因素進行一一組合試驗.采用的試驗方案是:充分利用已積累的焊接經驗,第一步選擇認為較為適中的工件傾角,焊絲角度,焊接參數(shù)(焊接電流,電弧電壓,焊接速度),進行各種焊接坡口尺寸的對比試驗;第二步,確定較佳的焊接坡口尺寸后,對送絲位置,裝配間隙,焊接參數(shù),工件傾角等因素進行對比試驗,確定其較佳值,最終得到優(yōu)化的焊接坡口尺寸和工藝參數(shù).3試驗結果與分析3.1焊接坡口尺寸的選擇焊接坡口尺寸直接影響焊縫外觀成形與熔深,選定面(底)板與水平傾角為30.,焊絲與面(底)板夾角為45.,送絲位置離坡口根部12mm左

8、右,焊接電流,=320340A,電弧電壓U=2527V,焊速與焊縫厚度相適應,焊絲伸出長度為1416mm,氣體流量為1820L/rain,U肋試板均貼緊面(底)板,以u肋試板的坡口角度和鈍邊尺寸P為變量.圖2為U肋焊接試驗試板裝配圖,圖3顯示為各類U肋坡口尺寸對焊縫熔透率的影響.從圖3中可以看出,對于板厚為8mm的u肋,采用金屬芯藥芯焊絲CO氣體保護焊,坡口的鈍邊尺寸對焊縫熔深的影響皿著,當鈍邊尺寸增加時,焊縫熔透率隨之降低;焊接趕口角度對焊縫熔透率亦有較大的522010年第10期影響,當坡口角度增加時,焊縫熔透率隨之增大.這是因為,在其它焊接參數(shù)相同的條件下,當坡口角度一定時,焊接電弧的穿透

9、力是一致的,那么鈍邊尺寸越大,未熔透深度顯然越大;而當鈍邊尺寸一定時,坡口角度增大時,因電弧穿透力的增加及坡口根部傳熱速度的減小,從而造成焊縫熔深的增大.當坡口角度為52.或56.,鈍邊尺寸為0或0.5mm時,焊縫熔深達到了u肋板厚80%以上的設計要求.U肋圖2U肋焊接試驗試板裝配圖試驗中發(fā)現(xiàn),坡口角度增大時,而鈍邊尺寸又不足時,焊縫易發(fā)生焊漏現(xiàn)象;當坡口角度達到60.時,鈍邊需大于1mm,焊縫不至于焊漏,但焊接中對焊接電弧的位置要求很高,稍偏面(底)板或u肋均會影響焊縫外觀,偏于面(底)板側,熔寬不足以完全熔化u肋坡口面,偏于u肋側,則會在u肋側產生咬邊缺陷.在滿足焊縫熔深的條件下,坡口角度

10、較小時,焊縫金屬填充量較小,相應焊接速度可適當增加,同時可更有效地避免咬邊缺陷的產生.綜上所述,綜合焊接質量,焊接效率與成本,對于8mm厚U肋焊接,優(yōu)選焊接坡口尺寸均為:坡口角度為52.,鈍邊尺寸為00.5mm.9284囂76連6860鈍邊尺寸plnun圖3坡口尺寸對焊縫熔透率的影響2.03.2焊接參數(shù)的選擇選定U肋坡口尺寸后,進行了焊接參數(shù)的選擇和優(yōu)化,試驗不同焊接規(guī)范,坡口間隙,焊絲指向位置等參數(shù)對焊縫熔深及外觀成形的影響.U肋焊縫熔深隨焊接電流,坡口間隙的增加而增加,隨焊絲指向離坡口根部距離的增大而減少,即便對于合適的焊接坡口尺寸,要使u肋焊縫熔透深度達到設計要求,又不至于焊漏,各參數(shù)之

11、間需要合理匹配.在試驗中發(fā)現(xiàn),當焊接電流過小時,焊縫熔透率不足,過大時,焊縫焊漏,焊縫未填滿;當電弧電壓過小,焊縫外觀易成凸形,過大時,焊縫在U肋側易出現(xiàn)咬邊缺陷;而當焊接速度過快時,焊縫外觀呈凸狀成形,經優(yōu)化后焊接參數(shù)為:,:330340A,U=2527V,=250270mm/min.在試驗中發(fā)現(xiàn),對于有一定坡口間隙的U肋角焊縫,焊縫熔深存在著”非連續(xù)過渡區(qū)”現(xiàn)象,即通過連續(xù)調節(jié)焊絲指向離坡口根部距離c值,焊縫或焊漏,或熔深小于一定值.當坡口間隙超過0.8mm時,若要使焊縫熔深大于U肋板厚的80%且不焊漏,C值的選擇范圍已很小,焊接工藝裕度已很低.坡口間隙與焊絲指向位置需合理匹配,在合適的焊

12、接規(guī)范下,對于無間隙坡口,當1mmc2.5mm時,焊縫熔深和外觀成形可達到設計要求,當c>2.5mm時,焊縫熔深則不足;對于0.8mm間隙的坡口,當C達到3.0mm左右時,焊縫不至于焊漏,而當C更大時,則會出現(xiàn)焊縫熔深不足,外形焊偏的問題.生產應用t縟擄此外,當面(底)板與水平面傾角過小時,U肋焊縫易咬邊,反之,焊縫熔深略有下降,30.左右為較宜;當焊絲與面(底)板夾角過小時,U肋焊縫背面易焊漏,反之,焊縫熔深減少,45.左右為較宜.焊絲在移動方向上為垂直或略為前傾均可.應該注意的是,當焊絲與面(底)板夾角過大,焊絲指向離坡口根部距離過大以及焊接速度較慢時,易在u肋焊縫根部形成尺

13、寸較大的”夾渣”,將大幅降低焊縫的熔透率.通過試驗發(fā)現(xiàn),焊縫焊漏缺陷易引起焊接熱裂紋,分析認為,焊縫焊漏改變了成形系數(shù),加劇了低熔點雜質在柱狀晶匯合處的偏析.因此焊縫焊漏不僅僅只是形狀缺陷,還可能會引起焊縫內部的熔合性缺陷問題.圖4為U肋焊接接頭宏觀斷面.圖5為U肋焊縫外觀成形.罔4U肋焊接接頭宏觀斷面圖5U肋焊縫外觀成形3.3工藝對比分析對于藥芯焊絲的選用,不能不關注氫的影響,焊縫硬化作用及其在拘束條件下引起焊接冷裂的問題,因此重點考察金屬芯藥芯焊絲xl焊縫金屬的冷裂敏感性,進行了直Y形坡口拘束試驗和GBOP試驗,分別考察其縱向與橫向冷裂敏感性,與之對比的是熔渣型藥芯焊絲)(2,試驗條件與工

14、藝參數(shù)相同.在直Y形坡口拘束試驗中,焊絲)(2焊縫表面有通長縱向裂紋.而2010年第10期53俘擄生產應用焊絲x1無表面裂紋,圖6為GBOP橫向裂紋試驗結果.(a)橫向裂紋宏貌(焊絲X1)(b)橫向裂紋宏貌(焊絲X2)圖6GBOP橫向裂紋試驗結果對圖6中兩者的橫向裂紋宏貌進行測算,x1焊絲焊縫面積裂紋率Scr為35.5%,X2焊絲焊縫面積裂紋率Scr為78.4%,其中Scr=(裂紋面焊縫橫截面面積).試驗表明,金屬芯藥芯焊絲x1焊縫冷裂敏感性顯著低于熔渣型藥芯焊絲X2,這為其在產品焊接中的應用提供了有利的條件.借助橫向冷裂試驗,對比兩者在試塊表面以上部分焊縫金屬的截面面積,可以得出,在試驗中的

15、同一焊接規(guī)范條件下(焊接電流280A,電弧電壓28V,焊接速度350mm/min),金屬芯藥芯焊絲熔敷速度比熔渣型藥芯焊絲熔敷速度約高25%.圖7為采用2種不同工藝U肋焊縫金屬的顯微組織,分別為金屬芯藥芯焊絲CO氣體保護焊(焊絲X1)和熔渣型藥芯焊絲CO:氣體保護焊(焊絲X2).比較xl與)(2焊縫金屬金相組織.X1接頭焊縫區(qū)晶界先析鐵素體含量較少,且晶內針狀鐵素體細小密集,數(shù)量較多.增加晶內針狀鐵素體含量對提高焊縫韌性有益,也就是說,金屬芯藥芯焊絲X1的U肋焊縫韌性高于熔渣型藥芯焊絲x2.542010年第10期圖8為采用2種不同工藝的U肋接頭宏觀斷面,u肋板厚為8mm,均一道焊接成形,分別為

16、金屬芯藥芯(b)焊絲X2圖7U肋焊縫金屬顯微組織(a)焊絲Xl圖8U肋焊接接頭宏觀斷面對比生產應用r蜉擄鈦合金T形接頭電子束焊接殘余應力數(shù)值模擬北京宇航系統(tǒng)工程研究所(100076)袁雙喜首都航天機械公司(北京市100076)史進朝郝文龍哈爾濱_v-,_lk大學現(xiàn)代焊接生產技術國家重點實驗室(150001)何景山摘要建立了鈦合金T型接頭電子束焊接溫度場和應力場的數(shù)值計算模型,利用大型有限元軟件MSC.Marc對焊接過程進行了數(shù)值模擬.模擬過程采用高斯面熱源和橢球體熱源疊加的組合型熱源模型.對所得模擬結果,分別分析了三向殘余應力在不同方向上的分布曲線,分析認為,縱向應力表現(xiàn)出較大的數(shù)值,最大值可

17、達750MPa.通過X射線衍射的方法測量了焊接試件的橫向殘余應力,并與數(shù)值模擬結果進行對比,結果顯示二者符合良好.關鍵詞:數(shù)值模擬鈦合金電子束焊殘余應力中圖分類號:TG456.30前言鈦合金是航空航天領域中很有發(fā)展前景的材料,近年來,其使用比例逐年增加.電子束焊由于在真空條件下進行,焊縫金屬化學成分純凈,并且接頭熱影響區(qū)小以及焊接變形小,是鈦合金焊接的優(yōu)選方法.電子束焊屬于局部短時高溫加熱,焊縫窄而深,在焊接過程中會產生相當大的焊接應力,并在焊后殘留在工件中形成殘余應力,對焊接構件的安全使用具有重要收稿日期:20090907影響.目前,國內外對電子束焊接構件殘余應力的研究已經取得了一定的進展-

18、5.文中將對電子束焊接中常見的T形接頭殘余應力的分布特點進行分析.1有限元計算模型文中采用的試驗材料為鈦合金,其中筋板為鑄造鈦合金ZT4,尺寸為100mm×10mm×9mm;蓋板材料為鍛造鈦合金TC4(Ti一6A14V),尺寸為100mm×100mm×1.5mm.采用大型有限元分析軟件MSC.Marc對鈦合金T形接頭電子束焊接過程進行有限元數(shù)值模擬,模擬過程中利用MSC.Marc自帶的前處理程序焊絲CO:氣體保護焊(焊絲X1),熔渣型藥芯焊絲CO氣體保護焊(焊絲X2).從圖8中看出,采用熔渣型藥芯焊絲X2,熔寬較寬,焊縫金屬填充量不足,有咬邊缺陷,焊接熔池底部輪廓呈”鍋形”,焊縫熔深也不足;而采用金屬芯藥芯焊絲x1,因其具有更高的熔敷速度,焊縫成形比較飽滿,避免了咬邊缺陷,且焊接熔池底部輪廓呈”杯底狀”,焊縫熔深滿足設計要求.4結論(1)金屬芯藥芯焊絲具有更高的熔敷速度,良好的工藝性能和抗裂性能,適合于鋼橋u肋角焊縫的焊接.對于板厚為8mm的u肋,其焊縫可一道焊接成形,各項指標均達到設計要求,大幅提高了焊接生產效率.(2)對板厚為8mm的U肋的焊接,優(yōu)化的坡口尺寸為:坡口角度為52.,鈍邊尺寸為00.5mm,焊接參數(shù)為:,=330340A,U=2527V,=250270