CN101288919A - 50～120mm厚板和超厚板的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种50～120mm厚板和超厚板的焊接方法，包括有下料、坡口加工、构件组装、杂物清理、引/熄弧板设置、焊前预热、焊缝打底、填充层焊接、焊接探伤、钢板变形控制、焊件热处理等步骤，填充层焊接采用多层多道焊接：采用埋弧焊，预热温度控制在80－120℃，每层焊缝厚度控制在5.0mm毫米以内，层间温度控制在80－200℃，焊接电流为600－800安培，电弧电压为28－35伏，焊接速度为35－42cm/min；本发明进行各种焊接试验、机械性能试验，确定焊接步骤与焊接工艺参数，确保焊缝的质量。
Description
技术领域
本发明属于一种焊接技术，具体是一种50～120mm厚板和超厚板的焊接方法。
背景技术
14MnNbq钢是为满足我国制造大跨度桥梁而开发的新型微合金化用钢，该种钢材首先应用在芜湖长江大桥，而芜湖长江大桥板厚最大只达到56mm厚，近年来随着机械、能源、交通、石油化工、建筑等工业发展，各种焊接结构也不断朝向功能性与大型化发展，特别是厚板的焊接在各个领域也得到了迅猛的发展，因此厚板的焊接需要有一系列的技术措施来保证焊缝的质量。
50～120mm14MnNbq钢厚板和超厚板的焊接目前而言，在国内还是空白。
发明内容
本发明的目的是提供一种50～120mm厚板和超厚板的焊接方法，进行各种焊接试验、机械性能试验，确定焊接步骤与焊接工艺参数，确保焊缝的质量。
本发明的技术方案如下：
50～120mm厚板和超厚板的焊接方法，包括有下料、坡口加工、构件组装、杂物清理、引/熄弧板设置、焊前预热、焊缝打底、填充层焊接、焊接探伤、钢板变形控制、焊件热处理等步骤，其特征在于：填充层焊接采用多层多道焊接：采用埋弧焊，预热温度控制在80-120℃，每层焊缝厚度控制在5.0mm毫米以内，层间温度控制在80-200℃，焊接电流为600-800安培，电弧电压为28-35伏，焊接速度为35-42cm/min；或采用手工电弧焊，预热温度控制在80-150℃，层间温度控制在80-200℃，焊条加热到330-350℃保温，熔透、半熔透角焊缝的电流应该比平对接焊的电流大8-12％，焊缝打底焊接采用小直径焊条、大电流、小夹角施焊，以保证根部熔透。
所述的50～120mm厚板和超厚板的焊接方法，其特征在于所述的构件采用14MnNbq钢50+120mm厚板X型坡口焊接，采用埋弧焊，坡口角度为70°，钝边尺寸为7-8mm，预热温度为88℃，按多层多道焊接的次序计，第1焊道的道间温度为88℃，焊接电流为660安培，电弧电压为30伏，焊接速度为37cm/min，第2-5焊道的道间温度为93-172℃，焊接电流为710-720安培，电弧电压为30-31伏，焊接速度为36-38cm/min，第6-7焊道的道间温度为126-158℃，焊接电流为720安培，电弧电压为32-33伏，焊接速度为38-40伏，第8焊道为上坡口焊接的最后焊道，道间温度为142℃，焊接电流为740-760安培，电弧电压为30-31伏，焊接速度为36cm/min；第9焊道为翻边后的起始焊道，第9-15焊道的道间温度为128-165℃，焊接电流为710-720安培，电弧电压为31-32伏，焊接速度为36-38cm/min。
所述的50～120mm厚板和超厚板的焊接方法，其特征在于所述的采用埋弧焊时，埋弧焊丝：对接焊采用H08Mn2E、Φ4.0mm和Φ5.0mm，埋弧角焊采用H08MnA、Φ5.0mm，焊条采用：SHJ507Ni、Φ3.2mm、Φ4.0mm、Φ5.0mm；实芯焊丝采用：CHW-50C6(ER50-6)、Φ1.2mm；药芯焊丝：JQ·YJ501-1、Φ1.2mm、Φ1.6mm；焊剂：SJ101q；焊接设备：埋弧自动焊焊机(MZ-1-1000型焊机)；手弧焊焊机(ZX7-400)。
根据14MnNbq钢材的Fe-C平衡图和焊接CCT图，并利用计算机模拟技术，对厚板的焊接性进行分析，确定其冷却曲线和t8/5，进而初步确定各项焊接试验工艺参数，根据试验反馈的数据再调整各项参数用于施工。
焊后整体热处理是在桥梁制作方面，首次采用的焊缝焊后处理工艺，不仅很好的改善了焊缝的内部组织结构，同时也提高了焊缝的低温冲击韧性，降低了焊缝的焊接残余应力，保证了焊缝的结构性能，为桥梁制作及其他钢结构加工中对厚板焊接的焊后处理积累了一定的经验。
附图说明
图1为50+120mm14MnNbq钢板焊接接头部位宏观酸蚀图。
图2(a)为对应于表1之焊接接头形式简图；
图2(b)为对应于表2之焊道顺序图。
具体实施方式
本发明技术方案应用于钢结构制造过程中50～120mm14MnNbq钢厚板和超厚板的焊接质量控制以及焊后对焊缝的热处理。
(一)工艺流程
根据构件的具体结构以及焊缝的特点，同时结合自身的加工能力和技术水平，编制符合实际的工艺措施，根据确定的工艺措施制定能够构件加工的详细工艺流程
下料→边缘加工→坡口制作→构件装配→焊前预热→构件焊接→焊后保温→焊缝检测→变形矫正。
(二)操作方法及要点
1.原材料检验
对于构件中所使用材料和焊接材料，进场时必须附有材料质量证明书、合格证等质量证明文件，并按相关规范要求进行复验，只有复验合格的材料才能投入使用。
2.下料
(1)零部件下料前，要对钢板进行检查，并且做好放样工作。
(2)不规则形状的零部件使用数控切割机下料，规则形状的零部件使用自动或半自动切割机下料，切割前将钢材切割区域表面的铁锈、污物等用钢丝刷清除干净，切割后清除熔渣和飞溅物。
(3)采用热切割或冷切割下料的零部件，预留一定的加工余量，以保证零件的加工尺寸。
3.边缘加工
(1)坡口加工
厚板焊接的坡口，采用机械加工的方法进行冷加工制作，若采用火焰切割的方法制作焊接坡口，并对热加工产生的淬硬层进行处理。
(2)其他边缘的加工
对于非焊接边缘，采用人工处理的方法，消除切割残渣、毛刺等异物。
(3)焊接区域清理
对焊接区域进行修磨处理，直至露出金属光泽为准。
4.构件组装
(1)为了保证组装精度，构件组装必需在专用的定位胎具上进行，组装过程中，及时检查各零部件的相对位置，当检查符合精度要求后，才能进行定位焊接。
(2)严格执行焊接工艺制定的构件的定位焊接要求，定位焊接的长度不得超过50mm，间隔距离不得大于350mm，焊接电流控制在正常焊接电流的15％以内。
5.构件焊接
(1)焊接前的准备
①构件厚板的焊接宜在室内进行，若在室外进行焊接，必须做好防风、防雨的措施。
②按照焊接工艺规定，必须对焊接使用的焊接材料进行烘烤，焊接过程中，使用保温设施对焊接材料进行保温。
③焊前清理：将定位焊处焊皮、飞溅、雾状附着物仔细清除，定位焊起点及收弧处必须修磨出过渡段，并确认无未熔合、收缩孔等缺陷存在。
④焊前预热，在焊接开始前，对焊接部位进行预热处理，预热位置应距焊接部位50mm处为宜，预热温度应控制在80～200℃的范围之内。
(2)焊接操作
此工序是本工艺流程的关键工序，在进行本工序时，必须严格遵守焊接工艺的有关规定和要求，焊后采取局部热处理工艺，尽量减少由于焊接产生的残余应力。
①引、熄弧板的设置
为了保证起始端和终了端的焊接质量，在构件的焊缝两端设置引、熄弧板，引、熄弧板的长度不得小于100mm。
②焊缝打底
打底焊接时必须对焊接部位进行预热，同时选用小线能量的焊接参数进行焊接。
③填充层焊接
焊接前剔除首层焊道上的凸起部分及引弧收弧造成的多余部分，仔细检查坡口边沿有无未熔合及凹陷夹角，如有必须采用角向磨光机或气刨除去，应注意不得伤及坡口边沿。
厚板焊接的坡口及焊缝的喉厚都比较大，因此在焊接的过程中，宜采用多道多层的焊接方法，并且焊接的过程中必须严格控制焊接的层间温度，随时使用测温仪检测焊缝的层间温度，禁止焊接层间温度超过焊接工艺控制的温度。
④面层的焊接
面层直接关系到该接头的外观质量能否满足质量要求，因此在面层焊接时，应注意选用适中的电流值并注意在坡口边熔合时间稍长，焊接搭接时将收弧处清理干净，并在该处引弧(搭接长度约10mm)。
⑤变形控制
设计专用工装对构件刚性固定，焊接过程设置停检点检验、校正(火焰校正)，且严格按照焊接工艺采用对称焊、分段焊等方法予以控制。
采用反变形工艺，减少焊接变形的产生。
⑥焊缝局部热处理
当焊缝的面层焊接完毕之后，必须采取保温措施，延缓焊缝的冷却速度，控制焊缝熔敷金属的结晶过程，降低焊缝的焊接应力，提高焊缝的质量。
⑦焊缝检测
焊缝检测主要为外观检查和无损检测
焊缝的外观检查以目测为主：目视检查其外观成型质量，有无砂眼、熔合性气孔、咬边、焊瘤等缺陷，并用焊缝量规检查其高度(0～+2mm)。
无损检测的主要手段为：超声波、射线、磁粉和着色探伤，焊缝的内部质量使用超声波和射线探伤，焊缝的表面质量使用磁粉探伤，对于狭小的空间检查使用着色的方法进行焊缝的表面质量检测。如有超标的焊接缺陷，则用碳弧气刨或角向磨光机将缺陷彻底清除并检查后再进行补焊。
⑧整体热处理
对于结构复杂，焊缝集中的部件宜采取单独加工，加工完成经焊缝检测合格后，应当进行构件的整体热处理，整体热处理的目的在于：改善焊缝材料的组织结构，提高焊缝的冲击韧性。
构件在热处理炉内码放时，必须保证构件支垫平稳，尽量减少构件的悬空面积，如果构件多层码放，支垫的支点应当选在构件刚性较大的位置，并且上下构件之间的支点位置应当保持一致。
在对构件进行热处理时，按照制定的热处理工艺进行操作，必须严格控制热处理炉的升温速度、保温时间以及降温速度。防止因操作不当造成构件母材及熔敷金属的内部组织结构发生变化。
只有当炉温下降到规定温度后才能出炉进行自然冷却，构件在冷却过程中严禁使用浸水等强制冷却的方法加快构件的冷却速度。
6.焊接过程控制要点
(1)过程监控
①构件的坡口加工：构件的坡口加工尽量采用机械加工，若采用火焰切割时，必须留有加工余量，然后用砂轮机将火焰切割时造成的淬硬层去除(2～3mm)。火焰淬硬层会使焊缝的硬度值增大，当焊接参数和工艺不当时，易使焊缝内部形成夹渣等缺陷。
②构件组装定位焊：厚板构件定位组装时使用SHJ507Ni焊条电弧焊进行定位焊接。焊接前要求进行预热处理。避免因拘束应力过大造成定位焊点开裂，造成构件的尺寸偏差。
③焊缝清理：在正式焊接前，将坡口及坡口两侧50mm内的铁锈等污物清除干净，以防止油、铁锈、水份的存在而造成焊缝内部气孔。
④可根据焊接环境的温度变化适当调整焊接工艺参数和预热温度，并做详细的焊接过程记录。
(2)埋弧焊
①焊道排列尽量采用多层多道，每层的焊缝厚度控制在5.0mm以内。避免因过大的熔合比和过小的焊缝成型系数，而加重焊缝金属的偏析现象造成结晶裂纹。
②热温度控制在80～120℃，层间温度控制在200℃以内，厚板构件焊后使其自然冷却，不可采用强冷措施。因为冷却速度过快会使焊缝韧性降低，硬度增大，若预热温度和层间温度控制不当，易使焊缝内部出现为熔合和焊接裂纹。
③控制焊接电流、电弧电压和焊接速度之间的匹配关系。当其他条件不变时，焊接电流增大则焊缝熔深增加，焊缝成型系数变小。当焊缝成型系数太小时极易形成窄而深的焊道，致使焊缝偏析严重形成表面裂纹和结晶裂纹。因此将埋弧焊缝的成型系数控制在1.3左右。在焊道排列时，对于打底层、填充层、盖面层的焊缝成型系数做出合理安排，以减少焊接裂纹、咬边和熔合不良等缺陷。
④控制焊接速度
在其他条件不变时，焊接速度增加则焊缝的热输入和填充金属减少，使焊缝的熔深变浅，易产生未熔透和咬边。若焊接速度太慢，在焊打底层焊道时易造成焊缝击穿。
⑤控制焊丝的倾角
焊丝前倾则焊缝熔深增大，后倾则熔深变浅。因此在焊接时可以根据钝边的厚度和熔深的要求来改变焊丝的倾角，以满足焊接要求。
(3)手工电弧焊
①预热温度和层间温度的控制：
手工电弧焊的预热温度控制在80～150℃，层间温度控制在80～200℃，由于焊接设备和焊条电流密度的关系，手弧焊线能量不会超标，因此不做控制。若层间温度和预热温度控制不当，则使焊缝的接头硬度过高易形成焊接裂纹。在焊接过程中，若层间温度低于要求可采取加热措施。
②焊条和陶瓷衬垫要做烘干处理：
焊条要加热到350℃，保温2小时，随用随取。若不做烘干处理，在焊接时极易形成气孔。衬垫若不做烘干处理在使用时，易使焊缝表面出现气孔和冷缩气孔。
③焊接电流控制：
手弧焊时应根据不同的焊接位置和板材厚度选择不同的焊接电流。在平、立对接焊中若电流过小，易形成夹渣和未熔透，若电流过大则造成击穿、咬边、焊瘤等缺陷。
④熔透、半熔透角焊缝的电流应该比平对接焊的电流大10％，打底层焊接应采用小直径焊条、大电流、小夹角施焊，以保证根部熔透。
7.材料、焊缝形式及组合
(1)材料及规格
14MnNbq(即Q370qE)是桥梁钢结构中经常使用一种低合金结构钢，由于添加了Nb、V等微量元素，大大提高了钢材的强度和低温冲击韧性，也是钢材的焊接性能得到了改善，在工程中通常使用的钢板的厚度为14～50mm，但是在烟大铁路轮渡的栈桥钢梁上使用的最大板厚为120mm，使用的厚板规格有：40、50、60、70、80、100、120等几种规格，而且对焊缝的性能要求也较高，为了使焊缝达到设计的要求，在选择焊接材料时，注重考虑了焊材的低温冲击韧性，选用的焊材有：
埋弧焊丝：对接焊采用H08Mn2E、Φ4.0mm和Φ5.0mm，
埋弧角焊H08MnA、Φ5.0mm，
焊 条：SHJ507Ni、Φ3.2mm、Φ4.0mm、Φ5.0mm；
实芯焊丝：CHW-50C6(ER50-6)Φ1.2mm；
药芯焊丝：JQ·YJ501-1、Φ1.2mm、Φ1.6mm；
焊 剂：SJ101q。
表1：δ50+120mm对接焊
表2
Claims (3)
1、50～120mm厚板和超厚板的焊接方法，包括有下料、坡口加工、构件组装、杂物清理、引/熄弧板设置、焊前预热、焊缝打底、填充层焊接、焊接探伤、钢板变形控制、焊件热处理等步骤，其特征在于：填充层焊接采用多层多道焊接：采用埋弧焊，预热温度控制在80-120℃，每层焊缝厚度控制在5.0mm毫米以内，层间温度控制在80-200℃，焊接电流为600-800安培，电弧电压为28-35伏，焊接速度为35-42cm/min；或采用手工电弧焊，预热温度控制在80-150℃，层间温度控制在80-200℃，焊条加热到330-350℃保温，熔透、半熔透角焊缝的电流应该比平对接焊的电流大8-12％，焊缝打底焊接采用小直径焊条、大电流、小夹角施焊，以保证根部熔透。
2、根据权利要求1所述的50～120mm厚板和超厚板的焊接方法，其特征在于所述的构件采用14MnNbq钢50+120mm厚板X型坡口焊接，采用埋弧焊，坡口角度为70°，钝边尺寸为7-8mm，预热温度为88℃，按多层多道焊接的次序计，第1焊道的道间温度为88℃，焊接电流为660安培，电弧电压为30伏，焊接速度为37cm/min，第2-5焊道的道间温度为93-172℃，焊接电流为710-720安培，电弧电压为30-31伏，焊接速度为36-38cm/min，第6-7焊道的道间温度为126-158℃，焊接电流为720安培，电弧电压为32-33伏，焊接速度为38-40伏，第8焊道为上坡口焊接的最后焊道，道间温度为142℃，焊接电流为740-760安培，电弧电压为30-31伏，焊接速度为36cm/min；第9焊道为翻边后的起始焊道，第9-15焊道的道间温度为128-165℃，焊接电流为710-720安培，电弧电压为31-32伏，焊接速度为36-38cm/min。
3、根据权利要求1所述的50～120mm厚板和超厚板的焊接方法，其特征在于所述的采用埋弧焊时，埋弧焊丝：对接焊采用H08Mn2E、Φ4.0mm和Φ5.0mm，埋弧角焊采用H08MnA、Φ5.0mm，焊条采用：SHJ507Ni、Φ3.2mm、Φ4.0mm、Φ5.0mm；实芯焊丝采用：CHW-50C6(ER50-6)、Φ1.2mm；药芯焊丝：JQ·YJ501-1、Φ1.2mm、Φ1.6mm；焊剂：SJ101q；焊接设备：埋弧自动焊焊机(MZ-1-1000型焊机)；手弧焊焊机(ZX7-400)。
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