CO₂氣體保護(hù) 焊焊接Q460C鋼 中厚板的 工藝研究

梁 濤，李恒燦

(1.中山市公路鋼結(jié)構(gòu)制造有限公司，廣東中山528436;2.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450011)

0 前言

ZB－450型裝配式公路鋼橋是中山市公路鋼結(jié)構(gòu)制造有限公司參與研制的一種大跨度戰(zhàn)備鋼橋，主要用于戰(zhàn)時(shí)軍事交通保障或平時(shí)搶險(xiǎn)救災(zāi)，保障軍事重裝備或車輛克服50～80 m跨度的河川、溝谷及斷橋等障礙。ZB－450型鋼橋的弦桿、三角腹桿、橫梁及橋面系等主要受力構(gòu)件均采用Q460C低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中未畫出橋面系構(gòu)件。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼綜合力學(xué)性能優(yōu)良，具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性及低溫沖擊韌性。由于其碳含量及合金元素含量均較低，所以焊接性較好，尤其以熱軋鋼的焊接性更優(yōu)。但如果在焊接過程中工藝不當(dāng)，也存在焊接熱影響區(qū)脆化及產(chǎn)生焊接裂紋的危險(xiǎn)。因此制訂正確的焊接工藝，保證焊接質(zhì)量尤為重要。焊接工藝的選擇必須通過焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)來確定，所謂焊接工藝評(píng)定，即為驗(yàn)證擬定的焊接工藝的正確性而進(jìn)行的試驗(yàn)過程及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)。其目的是:驗(yàn)證施焊單位擬訂的焊接工藝是否正確;評(píng)價(jià)施焊單位能否焊出符合相關(guān)要求的焊接接頭。在此詳述了ZB－450型鋼橋弦桿、三角腹桿、橫梁等構(gòu)件的焊接工藝評(píng)定過程，并以此探討采用CO2氣體保護(hù)焊焊接Q460C鋼中厚板的工藝規(guī)程。

圖1 ZB－450型鋼橋主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of ZB －450 type steel bridge

1 ZB－450型鋼橋焊接工藝評(píng)定過程

1.1 焊接方法選擇

CO2氣體保護(hù)焊具有如下優(yōu)點(diǎn):電弧穿透力強(qiáng);焊接電流密度大、焊絲熔化率高;采用短路過渡技術(shù)可用于全位置焊接，電弧熱量集中，受熱面積小，焊接速度快，焊接變形小;焊縫含氫量低，焊接低合金高強(qiáng)度鋼時(shí)的冷裂紋傾向?。?］，因此采用CO2氣體保護(hù)焊來焊接試件。

1.2 焊絲選擇及試驗(yàn)

焊絲的力學(xué)性能和化學(xué)成分應(yīng)與焊件的力學(xué)性能和化學(xué)成分相匹配，并要求含碳量低，有足夠的脫氧元素，保證焊縫具有滿意的抗裂性能。故選擇錳鉬鋼ER55－D2型號(hào)的CO2氣體保護(hù)焊用焊絲［2］。其化學(xué)成分和力學(xué)性能需經(jīng)過焊縫熔敷金屬試驗(yàn)檢驗(yàn)合格后才能使用。設(shè)計(jì)試件及試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示，試件材質(zhì)為Q460C低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

采用直徑φ1.2 mm的焊絲，多層多道焊，并且采用反變形法防止焊接變形。焊接工藝參數(shù)為:電壓30～32 V，電流 300～320 A，焊接速度 5.5±1 mm/s，CO2氣體流量15～18 L/min。焊縫熔敷金屬各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表1 焊縫熔敷金屬試驗(yàn)Tab.1 Weld bead deposited metal test table

表2 焊絲化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.2 Chemical analysis results of welding wire %

表3 焊縫熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of mechanical properties deposited metals

將試驗(yàn)分析結(jié)果與焊絲標(biāo)準(zhǔn)及Q460C鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，確定選擇ER55－D2型焊絲能夠滿足焊接要求。

1.3 焊接工藝評(píng)定試件設(shè)計(jì)

ZB－450型鋼橋主要受力構(gòu)件的焊縫種類如表4所示。

表4 ZB450型鋼橋焊縫種類Tab.4 ZB450 type steel weld bead

鋼橋制造標(biāo)準(zhǔn)為《鐵路鋼橋制造規(guī)范》，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)附錄C焊接工藝評(píng)定規(guī)定，設(shè)計(jì)試件型式如表 5、表 6［3］所示。

一般將4.5～20 mm厚的鋼板稱為中厚板，從表5和表6可以看出，該焊接工藝評(píng)定試件的焊縫類型及厚度基本上覆蓋了中厚板的焊接，故可將本橋的焊接工藝統(tǒng)稱為Q460C鋼中厚板的焊接工藝。

表5 熔透焊縫工藝評(píng)定試件Tab.5 Penetration weld specimen evaluation process

1.4 試件焊接工藝要點(diǎn)

1.4.1 焊前預(yù)熱及焊后熱處理

鋼材焊接是否需要預(yù)熱及焊后熱處理主要取決于鋼材的熱焊接性。熱焊接性是指焊接熱過程對(duì)于金屬材料加熱、熔化的影響情況以及對(duì)于材料的焊接熱影響區(qū)組織性能變化、產(chǎn)生缺陷的影響程度等。金屬材料本身的物理性能決定了熱焊接性的優(yōu)劣。一般用碳當(dāng)量作為評(píng)定鋼材淬硬、冷裂紋及脆化等性能的參考指標(biāo)。當(dāng)板厚小于20 mm、碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好，不需要預(yù)熱［4］。碳當(dāng)量應(yīng)由熔煉分析成分并采用以下公式計(jì)算［5］:

表6 角焊縫試件Tab.6 Fillet weld specimen

將試件所用板材的化學(xué)成分、力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果及碳當(dāng)量計(jì)算結(jié)果列于表7。

表7 試件化學(xué)成分和力學(xué)性能Tab.7 Chemical composition specimens and mechanical properties

由表7可見，焊接試件所用板材的碳當(dāng)量都小于0.4%，因此焊接時(shí)可不預(yù)熱。

焊件產(chǎn)生延遲裂紋的主要原因是氫分子在焊縫冷卻過程中來不及釋放，故也稱為氫致裂紋。常采取焊后熱處理來細(xì)化晶粒，同時(shí)使焊縫中的氫分子擴(kuò)散析出，從而減少焊件產(chǎn)生冷裂紋的傾向［6］。本次焊接焊件為中厚板，碳當(dāng)量均小于0.4%，氫分子較易析出，而且從焊接方法和焊絲的選擇上也充分考慮了對(duì)產(chǎn)生冷裂紋的影響，并且也沒有引起焊接收縮應(yīng)力失衡的焊接結(jié)構(gòu)，故無需進(jìn)行焊后熱處理。

1.4.2 確定焊接工藝參數(shù)及措施

焊絲直徑φ1.2 mm，直流反接，焊接電壓30～32 V，焊接電流300～320 A，焊接速度4～5 mm/s，CO2氣體純度大于99.5%、流量15～18 L/min。焊前應(yīng)去除坡口內(nèi)及兩側(cè)不少于20 mm范圍內(nèi)的水、油等雜物;熔透焊縫應(yīng)采用碳弧氣刨清根并打磨掉滲碳層后再焊接;多層焊層間應(yīng)去除焊渣等雜質(zhì)。

2 試件焊縫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

試件焊好并待其完全冷卻后對(duì)焊縫全長進(jìn)行無損檢測(cè)。超聲波探傷對(duì)熔透焊縫的質(zhì)量等級(jí)必須達(dá)到B級(jí)檢驗(yàn)Ⅰ級(jí)合格，角焊縫質(zhì)量等級(jí)應(yīng)達(dá)到Ⅱ級(jí)合格。檢測(cè)不合格的焊縫允許按相同工藝進(jìn)行一次返修。檢測(cè)合格的焊縫按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試合格標(biāo)準(zhǔn)為:焊縫金屬抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率不得低于母材標(biāo)準(zhǔn)值;彎曲試驗(yàn)時(shí)受拉面裂紋總長度不大于試樣寬度的15%;焊縫和熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)結(jié)果不得低于母材標(biāo)準(zhǔn)值;宏觀金相試驗(yàn)時(shí)單道焊縫的成型系數(shù)應(yīng)為1.3～2.0;接頭硬度HV≤350。

各個(gè)試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表8～表12所示。

表8 8 mm板材對(duì)接接頭測(cè)試結(jié)果Tab.8 8 mm sheet butt joint test results

表9 18 mm板材對(duì)接接頭測(cè)試結(jié)果Tab.9 18 mm sheet butt joint test results

表10 16 mm板材T型接頭測(cè)試結(jié)果Tab.10 16 mm sheet T joint test results

表11 10 mm角焊縫測(cè)試結(jié)果Tab.11 10 mm fillet weld test results

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，采用擬定的焊接條件及工藝參數(shù)焊接的試件，焊縫各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，可以借此來制定ZB450鋼橋的焊接工藝規(guī)程。

表12 6 mm角焊縫測(cè)試結(jié)果Tab.12 6 mm fillet weld test results

3 結(jié)論

ZB450型鋼橋制造完成后，經(jīng)過研制主管單位的驗(yàn)收試驗(yàn)和一年多的公路通載試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)焊縫變形和開裂現(xiàn)象，通載能力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過ZB450型鋼橋所采用的Q460C低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接實(shí)踐，可以得出以下結(jié)論:

(1)焊接工藝評(píng)定所選擇的焊接方法、焊絲型號(hào)、焊接工藝參數(shù)及措施能夠焊接出合格的焊接接頭。各項(xiàng)焊接條件及工藝參數(shù)可以作為制定ZB450型鋼橋焊接工藝規(guī)程的依據(jù)。

(2)碳當(dāng)量是鋼材焊接性能的一個(gè)重要指標(biāo)，因?yàn)镼460C低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼含有較多的微量元素，且錳元素含量較高，對(duì)碳當(dāng)量的影響尤為顯著，所以在焊接之前必須對(duì)每個(gè)爐號(hào)或批號(hào)的鋼材都進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)并計(jì)算碳當(dāng)量，當(dāng)碳當(dāng)量大于0.4%時(shí)，焊接時(shí)應(yīng)考慮采取預(yù)熱和后熱措施。

(3)本次焊接工藝評(píng)定合格的焊縫類型、厚度及板材厚度基本上覆蓋了中厚板的焊接，因此本次焊接工藝評(píng)定所采用的焊接條件及工藝參數(shù)可以作為制訂Q460C鋼中厚板焊接工藝規(guī)程的參考。

(4)本次焊接工藝評(píng)定是在常溫下進(jìn)行的，因此當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

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［1］ 陳祝年.焊接工程師手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:413.

［2］ GB/T 8110－2008，氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［3］ TB 10212－2009，鐵路鋼橋制造規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2009:53－57

［4］ 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)(第2卷)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:154－163.

［5］ GB/T 1591 －2008，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［6］ 張彥華.焊接結(jié)構(gòu)原理［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011:133－143.