厚板焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制研究

楊洪蘭，于 彬，閆秀俠

(煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264006)

厚板焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制研究

楊洪蘭，于 彬，閆秀俠

(煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264006)

通過(guò)焊接熱循環(huán)模擬試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定對(duì)厚板焊接結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量控制進(jìn)行了深入研究，解決了厚板焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問(wèn)題。研究成果及工藝技術(shù)措施對(duì)于厚板焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和質(zhì)量保證具有一定的指導(dǎo)意義，已經(jīng)在企業(yè)焊接生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用，并取得了明顯的成效。

厚板；焊接；質(zhì)量控制

在壓力容器制造、重型工業(yè)和核電設(shè)備制造等行業(yè)的生產(chǎn)中有眾多的厚壁容器、大型構(gòu)件和厚壁管道，它們大多采用焊接加工的方法進(jìn)行制造、成形。由于這些焊接結(jié)構(gòu)厚度很大，焊接時(shí)需要很大的焊接熱輸入，使得制造加工應(yīng)力大，從而導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌度嚴(yán)重下降，鋼的焊接性能受到一定的影響，給焊接加工帶來(lái)了很多問(wèn)題。特別是在厚板結(jié)構(gòu)的壓力容器焊接中，由于鋼板厚度大，嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，經(jīng)常出現(xiàn)一些影響工藝性能和使用性能的缺陷，以至于不能滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，從而使保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量成為難題，也使產(chǎn)品制造成本增加，經(jīng)濟(jì)效益下降。因此，在厚板結(jié)構(gòu)的壓力容器制造過(guò)程中，必須采取相應(yīng)措施，嚴(yán)格質(zhì)量控制，來(lái)保證焊縫的質(zhì)量及焊接接頭的性能；同時(shí)在保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的前提下，盡量提高生產(chǎn)效率。本文結(jié)合企業(yè)焊接生產(chǎn)，通過(guò)焊接熱循環(huán)模擬試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定等過(guò)程對(duì)厚板壓力容器焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制進(jìn)行了深入研究，以此對(duì)厚板焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制提供工藝技術(shù)支持。

1 厚板焊接結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題

1.1 焊接接頭脆化

厚板焊接結(jié)構(gòu)，特別是厚板鋼制壓力容器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而在其焊接生產(chǎn)過(guò)程中主要以自動(dòng)埋弧焊為主。自動(dòng)埋弧焊焊接方法具有生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)條件好和焊接質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，適于較厚、較長(zhǎng)的直線及較大直徑的環(huán)形焊縫的焊接。但厚板鋼制壓力容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其在焊接過(guò)程中存在著重要問(wèn)題，主要是熔敷金屬量多，焊接時(shí)間長(zhǎng)，熱輸入大，施焊時(shí)焊縫拘束度大，焊接殘余應(yīng)力大，焊后應(yīng)力和變形大；同時(shí)由于熱源三維溫度場(chǎng)的作用，造成焊縫及熱影響區(qū)冷卻速度較快，在結(jié)晶過(guò)程中容易形成粗晶粒馬氏體組織，從而使焊接的鋼材變脆，沖擊韌度下降，產(chǎn)生冷裂紋的傾向也將增大。此外，由于熱輸入很大，也導(dǎo)致了熱影響區(qū)晶粒粗大，產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。

1.2 焊縫成形不良

在厚板鋼制壓力容器的自動(dòng)埋弧焊過(guò)程中，由于焊接電流很大，金屬熔化速度快，熔化的金屬量多，如果熔池結(jié)晶過(guò)程不能有效控制，便會(huì)造成焊縫成形不良，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

2 影響厚板焊接結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的主要因素

2.1 焊接熱輸入

焊接熱影響區(qū)晶粒大小與熱輸入直接相關(guān)，而且焊縫中的偏析程度也與晶粒大小有著一定的關(guān)系。熱輸入越大，晶粒越粗大，使得焊接接頭的塑性和韌度受到嚴(yán)重影響；同時(shí)由于晶粒尺寸的增大，偏析程度也增大。這些均導(dǎo)致焊接接頭韌性下降，晶界強(qiáng)度和塑性降低，而且增加了對(duì)熱裂紋的敏感性。

2.2 鋼板厚度

厚板結(jié)構(gòu)存在三向應(yīng)力，鋼板厚度越大，剛度越大，焊接應(yīng)力也越大。厚板的三向應(yīng)力使得焊接過(guò)程中拘束應(yīng)力增加，給焊接質(zhì)量帶來(lái)很大的影響。而且在焊接熱源作用下，隨著結(jié)構(gòu)厚度的增加，散熱加快，導(dǎo)致焊接接頭的冷卻速度加快，韌性下降，材料的焊接冷裂紋敏感性增加。

2.3 焊接接頭的坡口形式

厚板鋼制壓力容器筒體縱環(huán)縫多采用自動(dòng)埋弧焊進(jìn)行焊接，并且采用多層焊。坡口加工角度較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熔合比增大，使焊道液態(tài)金屬高度稀釋，硫和磷等雜質(zhì)元素含量增加，焊縫中心的雜質(zhì)濃度增加，冷卻結(jié)晶后極易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

2.4 焊絲位置

焊絲相對(duì)于焊件的位置直接影響熔池金屬結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行。在進(jìn)行厚板壓力容器筒體環(huán)縫焊接時(shí)，如果焊絲相對(duì)于焊件的位置處理不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)液態(tài)金屬流淌，導(dǎo)致焊縫成形不良。

3 厚板焊接結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量控制

1)厚板焊接結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中，焊縫熱影響區(qū)由于冷卻速度較快，在結(jié)晶過(guò)程中很容易形成粗晶粒馬氏體組織，從而使焊接時(shí)鋼材變脆，產(chǎn)生冷裂紋的傾向增大。在實(shí)際焊接生產(chǎn)過(guò)程中，由于冷卻時(shí)間比較容易測(cè)定且比較準(zhǔn)確，所以多以一定溫度范圍內(nèi)的冷卻時(shí)間來(lái)表示冷卻速度。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼等不易淬火的材料，常采用相變溫度為800～500 ℃的冷卻時(shí)間t8/5來(lái)表示冷卻速度。根據(jù)熱模擬試驗(yàn)，在厚板焊接過(guò)程中，一定要嚴(yán)格控制焊接接頭尤其是焊縫及熔合區(qū)處，從800 ℃冷卻到500 ℃的時(shí)間，即t8/5值。t8/5值過(guò)小，焊接接頭熔合區(qū)硬度過(guò)高，易出現(xiàn)冷裂紋；t8/5值過(guò)大，則熔合區(qū)處的臨界轉(zhuǎn)變溫度升高，使接頭沖擊強(qiáng)度下降，而且工件的組織也會(huì)發(fā)生變化。出現(xiàn)上述2種情況，都將直接影響焊接接頭的質(zhì)量。

因此，對(duì)于厚板焊接結(jié)構(gòu)，在焊接之前需通過(guò)不同的焊接熱循環(huán)模擬試驗(yàn)，以確定母材的最佳韌性水平，為焊接工藝評(píng)定的實(shí)施提供依據(jù)，推薦焊接參數(shù)。

2)厚板焊接結(jié)構(gòu)焊接前要按照焊接工藝評(píng)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。其中，焊接材料的選擇要綜合考慮強(qiáng)度、塑性和韌性的要求；坡口形式盡量采取對(duì)稱的X形或U形坡口。

3)為減少內(nèi)應(yīng)力，防止裂紋，改善焊縫性能，母材焊接前必須預(yù)熱。預(yù)熱方法可采用電加熱和火焰加熱2種方式?；鹧婕訜嵋话阌糜趥€(gè)別部位且電加熱不宜施工之處，由于加熱溫度不易控制，特別要注意加熱的均勻性。電加熱預(yù)熱溫度由熱電儀表自動(dòng)控制，容易保證加熱的均勻性。預(yù)熱溫度要根據(jù)母材的厚度及具體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)確定。

4)為提高焊接接頭的塑性和韌性，在焊接工藝參數(shù)的選擇上要控制好熱輸入。應(yīng)根據(jù)焊接工藝評(píng)定結(jié)果，科學(xué)地選擇焊接工藝參數(shù)，并做到合理匹配。

5)定位焊縫是厚板施工過(guò)程中最容易出現(xiàn)問(wèn)題的部位。由于厚板結(jié)構(gòu)定位焊時(shí)，定位焊處的溫度冷卻很快，造成局部應(yīng)力集中過(guò)大，極易引起裂紋的產(chǎn)生。采取措施是在厚板定位焊時(shí)，相應(yīng)提高預(yù)熱溫度，加大定位焊縫長(zhǎng)度和焊腳尺寸，以降低冷卻速度。

6)在厚板結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程中，重要的工藝原則是多層多道焊。由于厚板結(jié)構(gòu)的坡口較大，單層單道焊縫無(wú)法填滿截面內(nèi)的坡口空間，而多層多道焊能很好地填滿坡口，并且前一道焊縫對(duì)后一道焊縫來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的預(yù)熱過(guò)程；后一道焊縫對(duì)前一道焊縫又能起到后熱的作用，相當(dāng)于一個(gè)后熱處理的過(guò)程，有效地改善了焊接過(guò)程中應(yīng)力分布狀態(tài)，有利于控制熱輸入，保證焊接質(zhì)量。采用多層多道焊施工，每一焊道焊完后應(yīng)將焊渣清除干凈并仔細(xì)檢查和清除缺陷后再進(jìn)行下一層焊接，注意每層焊縫始、終端應(yīng)相互錯(cuò)開約50～100 mm。

7)厚板結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程的層間溫度控制對(duì)于焊接質(zhì)量保證至關(guān)重要，層間溫度的控制效果將直接影響熱應(yīng)變及焊接殘余應(yīng)力的分布。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，層間溫度一般以控制在150～250 ℃為宜。為保持層間溫度，在進(jìn)行厚板焊接時(shí)，要保持連續(xù)焊接作業(yè)。

8)為了改善焊縫的組織，降低淬硬性，降低殘余應(yīng)力，防止焊縫出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，焊后要立即進(jìn)行后熱處理，即將焊縫加熱至200～250 ℃，保溫1 h以上。

9)在用自動(dòng)埋弧焊對(duì)壓力容器筒體環(huán)縫進(jìn)行焊接時(shí)，要調(diào)整好焊絲相對(duì)于筒體的位置，使焊絲處于逆焊接方向向后一定的距離。根據(jù)結(jié)構(gòu)厚度的不同，這個(gè)距離也是有所不同的，其原則就是盡量使熔化的金屬處在接近于水平位置完成結(jié)晶過(guò)程，從而不會(huì)出現(xiàn)滿溢及熔化金屬的流淌，以確保焊縫成形良好。

4 結(jié)語(yǔ)

厚板焊接結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接接頭脆化和焊縫成形不良的問(wèn)題，影響因素比較多，焊接工藝也比較復(fù)雜，對(duì)于其焊接質(zhì)量保證及控制增加了一定的難度。本文通過(guò)焊接熱循環(huán)模擬試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定對(duì)厚板焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制進(jìn)行的研究，在相關(guān)企業(yè)的焊接生產(chǎn)中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，取得了明顯的效果，對(duì)于厚板焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和質(zhì)量保證具有一定的指導(dǎo)意義。

責(zé)任編輯彭光宇

TheResearchonQualityControlofWeldedConstructionofThickPlanks

YANG Honglan，YU Bin，YAN Xiuxia

(Yantai Engineering Vocational Technology College,Yantai 264006,China)

This thesis carries out an in-depth research on quality control of welded construction with thick planks through weld thermal testing and welding procedure qualification, which has solved the problem of welded construction. The research and technical measures have some significance for producing thick planks welding construction and quality assurance. The technology has been widely used in welding enterprises, and has achieved remarkable results.

thick plank，welding，quality control

TG 444

：A

楊洪蘭(1969-)，女，高級(jí)講師，主要從事機(jī)械工程等方面的研究。

2014-12-09