鋼管樁用Q500C材料焊接工藝

趙瑞輝

我公司承制用于海域碼頭固定的鋼管樁項(xiàng)目中，部分管樁選用Q500C材質(zhì)，φ2 400mm，單根長(zhǎng)度約為50m，壁厚分別為45mm、51mm、64mm。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，由圓筒體和內(nèi)部加強(qiáng)筋組成，焊縫主要是筒體的縱環(huán)縫和加強(qiáng)筋與筒體的角焊縫。Q500C材料為低合金高強(qiáng)度鋼，加上產(chǎn)品壁厚較厚，焊接時(shí)易產(chǎn)生缺陷，為保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量，以材料焊接性為基礎(chǔ)，制定預(yù)焊接工藝。通過焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，對(duì)預(yù)焊接工藝進(jìn)行修訂，制定了可以保證產(chǎn)品質(zhì)量的焊接工藝并應(yīng)用于產(chǎn)品施焊。

1. 焊接性分析

Q500C材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示（板材規(guī)格45mm），屬于低合金高強(qiáng)度鋼，供貨狀態(tài)為TMCP（熱機(jī)械軋制）+回火。TMCP鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、晶粒細(xì)小、合金元素含量低及焊接性好等特點(diǎn)。

根據(jù)GB/T1591標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式和質(zhì)保書的化學(xué)成分，計(jì)算得CEV=0.43%，焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm=0.2%。因此，該材料焊接時(shí)需要考慮焊前預(yù)熱，焊后消氫處理，選用低氫型焊接材料等工藝因素。

2. 預(yù)焊接工藝

（1）焊接方法 產(chǎn)品筒體縱環(huán)縫采用焊條電弧焊定位，埋弧焊進(jìn)行里外口雙面焊，內(nèi)部加強(qiáng)筋與筒體的角焊縫采用焊條電弧焊焊接。

（2）焊接材料 根據(jù)等強(qiáng)原則和母材的焊接性，焊條電弧焊選用J607焊條，埋弧焊選用H08Mn2MoA焊絲和SJ101焊劑，力學(xué)性能如表2、表3所示。

（3）坡口形式及焊道布置 焊接工藝評(píng)定所采用的坡口形式及焊道布置分別如圖1、圖2所示。

圖1 焊條電弧焊坡口形式及焊道分布

表1 Q500C材料化學(xué)成分及力學(xué)性能

（4）預(yù)熱和道間溫度 由于Q500C材料強(qiáng)度較高，具有一定的淬硬傾向，產(chǎn)品筒體壁較厚，具有較大的拘束應(yīng)力，為防止產(chǎn)生裂紋，焊前進(jìn)行≥80℃預(yù)熱。為防止熱影響區(qū)組織粗大，控制道間溫度在230℃以下。

（5）焊接后熱及焊后熱處理 焊接結(jié)束立即進(jìn)行200~250℃后熱處理，且保溫2h，加速焊接接頭中氫的擴(kuò)散逸出，防止出現(xiàn)冷裂紋缺陷。

焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，溫度為（620±100）℃，保溫3h，升溫速率為55~124℃/h，降溫速率為55~144℃/h，進(jìn)出爐溫度＜315℃。

（6）焊接參數(shù) 擬定的焊接參數(shù)如表4、表5所示。

表2 J607焊條力學(xué)性能

表3 H08Mn2MoA+SJ101焊絲焊劑力學(xué)性能

圖2 埋弧焊坡口形式及焊道分布

3. 焊接工藝評(píng)定

按照AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，根據(jù)以上擬定的預(yù)焊接工藝，選用厚度為45mm的Q500C板材分別進(jìn)行了兩組焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。一組采用埋弧焊，評(píng)定編號(hào)為PQR1406A；一組采用焊條電弧焊，評(píng)定編號(hào)為PQR1407A。

試件焊后經(jīng)外觀檢測(cè)和100%RT檢測(cè)，無缺陷后進(jìn)行熱處理，熱處理后取樣進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊等試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)結(jié)果如表6~表8所示。

表4 焊條電弧焊焊接參數(shù)

表5 埋弧焊焊接參數(shù)

表6 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，兩組評(píng)定試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度均高于母材Q500C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度值600MPa，除了焊條電弧焊評(píng)定的一件彎曲試樣表面出現(xiàn)0.9mm開裂外，其余試樣均完好無缺陷。沖擊試驗(yàn)在合同文件并沒有要求合格值，但從實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果來看，焊縫及熱影響區(qū)的單個(gè)值和平均值均大于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小沖擊吸收能量，焊接接頭具有足夠的韌性。因此，試驗(yàn)結(jié)果表明，擬定的預(yù)焊接工藝可以保證焊接接頭的力學(xué)性能滿足AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

表8 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4. 焊接工藝應(yīng)用

預(yù)焊接工藝經(jīng)工藝評(píng)定試驗(yàn)證明可以保證焊接接頭的力學(xué)性能，但在實(shí)際產(chǎn)品焊接過程中，還需要考慮板厚、坡口形式、筒體組對(duì)拘束度、焊后熱處理等其他方面對(duì)焊接接頭的影響因素，為此，在預(yù)焊接工藝基礎(chǔ)之上進(jìn)行必要的修訂和提高要求，對(duì)于保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量非常重要。

（1）坡口形式 產(chǎn)品筒體壁厚為45mm、51mm、64mm三種規(guī)格，筒體縱環(huán)縫主要采用焊條電弧焊固定，埋弧焊進(jìn)行里外坡口焊接，為提高生產(chǎn)效率，45mm、51mm的縱環(huán)縫和64mm的縱縫均采用不對(duì)稱雙V形坡口，64mm的環(huán)縫采用UV形坡口，縱環(huán)縫坡口形式如圖3所示。

（2）預(yù)熱及后熱溫度 工藝評(píng)定試驗(yàn)證明，Q500C材料焊前采用80℃以上預(yù)熱，焊后進(jìn)行200~250℃的后熱處理即可保證焊接接頭的力學(xué)性能。但該產(chǎn)品筒體卷制及校圓均采用冷壓工藝，加上壁厚較厚，拘束應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生冷裂紋。因此，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，預(yù)熱溫度增加到110℃以上，焊后進(jìn)行300~350℃的消氫處理，以確保不產(chǎn)生裂紋缺陷；并且規(guī)定每條焊縫盡可能一次焊完，控制道間溫度在110~230℃之間，若焊接中斷時(shí)，需馬上進(jìn)行消氫處理，重新施焊前，仍按規(guī)定預(yù)熱到110℃以上。

（3）焊后熱處理 考慮材料的最大保溫時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響，經(jīng)計(jì)算，實(shí)際產(chǎn)品熱處理保溫時(shí)間為2~3h即可消除應(yīng)力。因產(chǎn)品長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采取分段熱處理，分段合攏縫處進(jìn)行局部熱處理。局部熱處理采用加熱板將整圈焊縫固定貼緊，每側(cè)加熱寬度≥100mm，焊縫周圍1m范圍內(nèi)用石棉內(nèi)外保溫，使溫度梯度不影響材料的組織性能。

圖3 縱環(huán)縫坡口形式

5. 結(jié)語

經(jīng)工藝評(píng)定驗(yàn)證，Q500C材料焊前預(yù)熱至80℃以上，道間溫度控制在80~230℃之間，焊后立即進(jìn)行200~250℃，2h后熱處理，焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，選擇等強(qiáng)度的焊接材料可以保證焊接接頭的力學(xué)性能。采用經(jīng)工藝評(píng)定試驗(yàn)合格的預(yù)焊接工藝，調(diào)整坡口形式和焊后熱處理時(shí)間，提高預(yù)熱及后熱要求，可以保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)：材料的焊接[M].第3版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 陳裕川.鋼制壓力容器焊接工藝[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.