厚板熔透型組合焊縫焊接技術(shù)

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司 （湖北宜昌 443007） 張建中 李麗麗

1.概述

向家壩水電站工程的6臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)設(shè)備用途情況如下。

（1） 2×6500kN雙吊點(diǎn)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)一臺(tái)，下閘蓄水前：安裝在6#導(dǎo)流底孔進(jìn)口364.00m高程排架上的平臺(tái)上。下閘蓄水后：拆分成兩臺(tái)6500kN單吊點(diǎn)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，安裝至左岸沖沙孔進(jìn)口408.00m高程排架上的機(jī)房?jī)?nèi)。

下閘蓄水前：用于啟閉6#導(dǎo)流底孔進(jìn)口雙吊點(diǎn)封堵門。下閘蓄水后：用于分別啟閉左岸沖沙孔進(jìn)口單吊點(diǎn)檢修門和單吊點(diǎn)事故門。

（2）2×4500kN固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)一臺(tái)，安裝在6#導(dǎo)流底孔出口320.00m高程排架上的平臺(tái)上，用于啟閉6#導(dǎo)流底孔出口工作閘門。

（3）2×2500kN固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)共4臺(tái)，分別安裝在地下廠房尾水洞出口324.00m高程排架上的啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，用于啟閉地下廠房尾水洞出口的4扇檢修門。

2.工程特點(diǎn)

固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)的制造難點(diǎn)及重點(diǎn)是：卷筒的卷制和焊接技術(shù)；卷筒繩槽的加工技術(shù)。卷筒厚板縱縫對(duì)接和環(huán)縫對(duì)接常采用焊接滾輪架+埋弧焊的方法，其工藝技術(shù)非常成熟。本項(xiàng)目重點(diǎn)對(duì)卷筒腹板與筒體和卷筒轂形成的組合焊縫進(jìn)行研究，由于該部位焊縫集中，封閉焊縫較多，鋼板又厚，所以在焊接工藝上必須嚴(yán)格控制。

3.結(jié)構(gòu)特征及材料分析

向家壩2×6500kN雙吊點(diǎn)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。其腹板Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與筒體的組合焊縫為二類焊透型焊縫，腹板與卷筒轂、軸套形成的組合焊縫為二類焊透型焊縫。腹板及筒體采用Q345B，卷筒轂采用Q345B鍛鋼，軸套采用35鍛鋼。三種材質(zhì)屬于低合金高強(qiáng)鋼，焊接性良好，其焊接熱影響區(qū)組織與性能的變化對(duì)焊接熱輸入較為敏感，熱影響區(qū)淬硬傾向較大，對(duì)氫致裂紋敏感性較大，同時(shí)因?yàn)楹附恿看?，結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，焊接熱輸入大，焊接應(yīng)力大，往往會(huì)產(chǎn)生焊接變形和裂紋等問(wèn)題，因此對(duì)焊接工藝提出了很高的要求。

圖1 2×6500kN雙吊點(diǎn)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)

4.焊接工藝制定考慮的因素

（1）結(jié)構(gòu)分析 從圖1中可以看出，卷筒體剛度較大，焊接時(shí)應(yīng)力無(wú)處釋放，將產(chǎn)生較大拘束應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。卷筒在卷弧過(guò)程中，筒體內(nèi)壁受壓、外壁受拉，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；焊縫距圓筒的端面較近，在焊接過(guò)程中，鋼板受熱及焊縫收縮將會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

（2）材料因素 卷筒外壁鋼板較厚，在生產(chǎn)軋制過(guò)程中容易在鋼板的中間部位沿軋制方向形成層狀非金屬夾雜物。焊條、焊絲、焊劑受潮未烘干，坡口表面有水、銹、油污等，會(huì)容易產(chǎn)生氣孔。

（3）其他因素 焊前不預(yù)熱，焊后沒(méi)有緩冷措施，將容易產(chǎn)生裂紋。焊接區(qū)的水分將會(huì)產(chǎn)生氣孔和氫致延遲裂紋。工件焊接量大，熱輸入大，如果焊接順序不合理易產(chǎn)生焊接變形。

5.焊接工藝的確定

（1）焊接方法的選擇 焊接方法有焊條電弧焊、熔化極CO2氣體保護(hù)焊。由于工件厚度大，焊接量大，并且都是環(huán)焊縫，故適用于采用連續(xù)焊接，焊縫打底及內(nèi)填充和中間填充部分焊縫采用焊條電弧焊，外填充及蓋面焊采用CO2氣體保護(hù)。

（2）焊接材料及要求 ①打底焊和內(nèi)第一層填充焊縫：采用J427焊條電弧焊。②中間填充焊縫：采用J507焊條電弧焊。③外填充及蓋面焊縫：采用ER501T－1藥芯焊絲氣體保護(hù)焊。④焊接材料烘焙。J427：經(jīng)300～350℃烘焙1h；J507：必須經(jīng)350～430℃烘焙1h，烘陪后的焊條必須保存在100～150℃的恒溫箱內(nèi)，焊條表面的藥皮不得有脫落和明顯的裂紋。施焊時(shí)，待用的焊條必須存放在具有電源的保溫筒內(nèi)，隨用隨取。存放于保溫筒內(nèi)的焊條超出4h時(shí)必須重新烘焙，重復(fù)烘焙的次數(shù)不得超過(guò)兩次。⑤焊縫的填充如圖2所示，腹板的總厚度90mm（80mm、50mm）；打底和中間30mm（20mm）內(nèi)填充材料為J427和J507焊條；腹板30～70mm（20～40mm）的填充材料為J507；腹板70～90/80mm（40～50mm）的填充材料為ER501T－1。

圖2 腹板焊縫填充

（3）焊接工藝及要求 第一，腹板坡口開(kāi)制，因?yàn)楦拱迮c軸套和筒體連接焊縫為二類焊縫，坡口開(kāi)制在腹板上，采用K形坡口，留5mm鈍邊，腹板坡口開(kāi)制采用機(jī)加工方式，坡口形式如圖3所示。

圖3 腹板Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ坡口示意

第二，焊縫清理：清除焊道兩側(cè)50mm范圍內(nèi)的熔渣、鐵銹、油污、水跡等污物，清理后的焊道表面必須露出金屬光澤。

第三，預(yù)熱溫度150～180℃，預(yù)熱寬度為焊道中心兩側(cè)各200mm范圍，背面焊縫清根前同樣需要預(yù)熱，用表面溫度計(jì)在焊道中心兩側(cè)50mm處對(duì)稱測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)≥3對(duì)；層間溫度：不低于預(yù)熱溫度，且≤200℃；后熱：焊后立即進(jìn)行后熱消氫處理，后熱溫度為250～350℃，保溫時(shí)間≥2h，保溫后關(guān)閉電源，并用保溫棉包裹緩冷。焊縫預(yù)熱時(shí)，用溫度控制箱和陶瓷加熱器加熱，并輔以烤槍進(jìn)行預(yù)熱，溫度控制到位。

第四，焊接位置：卷筒臥放在焊接滾輪架上，始終處于立焊位焊接。

第五，焊接參數(shù)：打底焊：焊條φ3.2mm，焊接電流100～120A，電弧電壓23～25V。后續(xù)各層焊縫焊條φ4mm，焊接電流160～180A，電弧電壓25～28V。氣體保護(hù)焊焊絲φ1.2mm，焊接電流230～250A，電弧電壓24～28V，焊絲干伸長(zhǎng)度18～20mm。

第六，填充焊和蓋面焊要采用多層多道焊接，除打底和蓋面焊外，中間各層在焊接時(shí)伴以小錘錘擊消除應(yīng)力，或者用風(fēng)鏟對(duì)焊縫進(jìn)行錘擊，使焊道表面得以伸展，以補(bǔ)償焊縫的收縮，減少焊接應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋。

第七，卷筒的焊接必需連續(xù)操作一次完成，要求三班作業(yè)連續(xù)焊，在焊工的人員配備上要求能操作氣刨的焊工，技術(shù)質(zhì)檢員進(jìn)行全程監(jiān)控。

6.焊接

（1）焊接順序 第一步先焊接腹板Ⅱ、Ⅲ與軸套的組合焊縫，第二步再焊接腹板Ⅰ與卷筒轂的組合焊縫，第三步焊接三塊腹板與筒體的組合焊縫，所有焊縫合格后，再裝焊肋板。

（2）內(nèi)圈焊縫焊接 先焊接內(nèi)圈環(huán)焊縫，為了避免焊接過(guò)程中應(yīng)力集中，焊前將整圈焊縫分四個(gè)象限進(jìn)行焊接，兩名焊工對(duì)稱在立焊位進(jìn)行焊接。

第一，先焊接一、三象限外側(cè)焊縫，打底焊兩層和填充焊兩層，焊縫厚度在20mm左右；在內(nèi)側(cè)氣刨清根，打磨后進(jìn)行焊接，焊接3層焊縫。此后的填充焊縫，內(nèi)外各布置一名焊工左右部位對(duì)稱進(jìn)行焊接，使整條焊縫焊接達(dá)到50mm的厚度。

第二，進(jìn)行第二、四象限焊縫的焊接，方法同第一項(xiàng)。

第三，兩人對(duì)稱完成第一、三象限內(nèi)填充焊縫的焊接，只留最后一道蓋面焊縫；兩人對(duì)稱完成第二、四象限內(nèi)填充焊縫的焊接，也只留最后一道蓋面焊縫。

第四，最后一道蓋面焊縫，里外各布置一名焊工，左右對(duì)稱完成蓋面焊縫的焊接。

（3）外圈環(huán)縫的焊接 內(nèi)圈焊縫焊接結(jié)束后再進(jìn)行外圈焊縫的焊接，目的是減少焊接應(yīng)力，外圈環(huán)縫焊接與內(nèi)圈環(huán)縫相同。

（4）肋板的焊接 內(nèi)外環(huán)縫焊接完后，再裝配內(nèi)側(cè)肋板，采用CO2體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。

7.檢測(cè)

對(duì)焊縫進(jìn)行UT、PT檢測(cè)，一次合格率100%。焊縫表面無(wú)咬邊、焊瘤、弧坑等成形不良缺陷。

8.結(jié)語(yǔ)

對(duì)于焊接剛度較大的工件，主要是要解決焊接應(yīng)力大、容易產(chǎn)生裂紋和焊接變形等問(wèn)題，通過(guò)上述組合焊縫焊接工藝的應(yīng)用，其焊縫質(zhì)量好，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，為今后焊接同類結(jié)構(gòu)件提供了借鑒。