大管徑厚鋼板鋼管樁的埋弧焊工藝探索

饒慶

（中交三航局廈門分公司　福建　廈門　361006）

大管徑厚鋼板鋼管樁的埋弧焊工藝探索

饒慶

（中交三航局廈門分公司福建廈門361006）

本公司于2014年中標(biāo)了福建莆田平海灣50MW海上風(fēng)電工程。本文主要針對風(fēng)電基礎(chǔ)鋼管樁的埋弧自動焊的工藝進(jìn)行分析研究，總結(jié)了制作此類鋼管樁的埋弧自動焊工藝試驗(yàn)過程，摸索了一套成功的埋弧自動焊工藝，為今后埋弧自動焊在大管徑厚鋼板鋼管樁中的應(yīng)用積累成功經(jīng)驗(yàn)。

鋼管樁；埋弧自動焊；焊接工藝

1　工程概況

福建莆田平海灣50MW海上風(fēng)電樁基采用直徑φ1900mm，鋼板厚度為28～30mm鋼管樁，鋼材型號為Q345C，最大長度65m，最大重量95t。此次鋼管樁主要特點(diǎn)是管徑大、鋼板厚，整樁長度較長且重量大。制定一套焊接質(zhì)量可靠而且效率高的焊接工藝是本次制樁工程的重點(diǎn)。

2　焊接質(zhì)量要求

本工程鋼管樁主要焊縫為縱焊縫和環(huán)焊縫兩種，設(shè)計(jì)要求焊縫等級為二級。鋼管樁焊接母材為Q345C，鋼材的主要化學(xué)成分見表1，主要力學(xué)性能指標(biāo)見表2。根據(jù)焊接材料匹配的原則，焊接接頭的力學(xué)性能必須不低于標(biāo)準(zhǔn)值，焊縫的化學(xué)成分也應(yīng)符合母材要求。

表1　鋼材的主要化學(xué)成分（單位：%）

表2　鋼材的力學(xué)性能

3　焊接工藝

通過鋼管樁的基本結(jié)構(gòu)及制作工藝流程可以看出對鋼管樁的焊接工藝的確定主要是對縱焊縫、環(huán)焊縫兩種焊接工藝的確定。

3.1焊接方法

為了保證焊接的質(zhì)量以及提高焊接效率，采用埋弧自動焊是比較理想的方法，因?yàn)槁窕『赣幸韵绿攸c(diǎn)：

（1）生產(chǎn)效率高，埋弧焊熱效率高，熔深大，單絲埋弧焊不開坡口最大熔深可達(dá)20mm。

（2）焊接質(zhì)量好，因?yàn)橛腥墼谋Ｗo(hù)，熔化金屬不與空氣接觸，減少了焊縫中氣孔、裂紋的可能性。對焊工操作技術(shù)要求不高，焊接工藝參數(shù)通過自動調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定。焊縫成型好，力學(xué)性能好，焊縫質(zhì)量高。

（3）勞動條件好，埋弧焊弧光不外露，沒有弧光輻射，自動焊的方法減輕了手工操作強(qiáng)度。

在本工程中主要采用CO2氣保焊打底結(jié)合埋弧自動焊的工藝。環(huán)焊縫可以采用將埋弧焊機(jī)的小車臂加長的方法實(shí)行內(nèi)外雙面埋弧焊，所以可采用與縱焊縫同樣的焊接工藝。

3.2焊接材料

根據(jù)焊接材料的匹配原則，結(jié)合母材為Q345C的鋼材的力學(xué)性能和化學(xué)成份的特點(diǎn)，埋弧焊選用牌號為H10Mn2、直徑φ4mm的焊絲，焊劑選用SJ101燒結(jié)焊劑。CO2氣保焊焊絲選用牌號YL.ER50-6、直徑φ1.2mm的實(shí)芯焊絲。焊材的主要性能見表3。

表3　焊材的主要化學(xué)成分（單位：%）

表4　焊材的力學(xué)性能

3.3坡口型式選擇

根據(jù)焊接手冊，30mm厚鋼板對接埋弧焊坡口型式一般采用Y型坡口，坡口角度40～80°，鈍邊2～10mm，間隙0～5mm，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)選用如表5三種尺寸的坡口進(jìn)行工藝評定試驗(yàn)。

表5　接頭坡口型式

3.4焊接參數(shù)

（1）埋弧焊接前先用CO2氣保焊于管內(nèi)側(cè)進(jìn)行封底焊接，焊角高度6～8mm，焊接參數(shù)如下：電流：180～220A，電壓：25～28V，焊速：180～200mm。

（2）埋弧焊需分多層進(jìn)行焊接，本工程鋼管樁的外側(cè)需一道埋弧焊蓋面，內(nèi)側(cè)需焊2～3道埋弧焊。試驗(yàn)中將三種坡口型式的試件分別從外側(cè)和內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接參數(shù)見表6。

表6　焊接參數(shù)

3.5試驗(yàn)結(jié)果對比分析

根據(jù)焊接順序的不同，將每種試件制作了兩組，按表6中的焊接參數(shù)分別進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，在焊接過程中以及焊后超聲波探傷后得出以下結(jié)果，見表7。

表7　試驗(yàn)結(jié)果對比

3.6從以上六組試驗(yàn)分析得出

（1）封底焊接完成以后，先從外側(cè)焊接，鈍邊留的?。ㄈ?～ 5mm）時(shí)容易產(chǎn)生燒穿現(xiàn)象，鈍邊留的大（如8～10mm）時(shí)，容易產(chǎn)生未融合的現(xiàn)象。主要原因是第一道埋弧焊一般不宜用較大的電流電壓，形成的焊縫熔深較難控制到剛剛好的深度，所以不采用從外側(cè)先焊的方法。

（2）從內(nèi)側(cè)先焊時(shí)，試件1的主要問題是脫渣困難。主要原因是坡口角度太小，開口面不夠?qū)挘窕『溉墼繑D在較窄的開口面處，與坡口兩邊形成很大的咬合力，這樣清渣時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不容易清理干凈，留下來的殘?jiān)o下一道焊縫留下夾渣的缺陷，所以不采用。

（3）從內(nèi)側(cè)先焊時(shí)，試件2能滿足要求，可以選擇在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。

（4）從內(nèi)側(cè)先焊時(shí)，試件3也能滿足要求，但是由于坡口角度較大，為了填滿坡口，需要多增加至少一道的焊縫，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮不是很合適。

3.7工藝確定

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果分析，確定選用試件2的埋弧焊工藝為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，最終確定的焊接工藝如下，主要焊接順序及過程見圖1，主要焊接參數(shù)見表6。

圖1　埋弧焊順序及焊縫成型

4　埋弧焊主要缺陷及防止

埋弧焊焊縫主要缺陷有裂紋、氣孔、夾渣、未融透、咬邊、焊瘤、燒穿以及余高過高、不足、過窄、成型不良等，其中未熔透、咬邊、焊瘤、燒穿、余高超差、成型不良這些缺陷主要與焊接工藝參數(shù)或焊劑的散布情況有關(guān)，這些只要按上面選定的焊接工藝參數(shù)就可以避免出現(xiàn)這類缺陷。下面主要結(jié)合本工程的特點(diǎn)對裂紋、氣孔、夾渣等缺陷進(jìn)行分析及防止：

4.1裂紋

焊縫裂紋通常有結(jié)晶裂紋和氫致裂紋兩種。結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的原因主要與焊縫中的S、P、C、Mn等元素有關(guān)，所以選用合適的焊絲焊劑是有效防止結(jié)晶裂紋的方法，本文中選用的H10Mn2焊絲和SJ101焊劑的化學(xué)成份符合要求。氫致裂紋產(chǎn)生的主要原因是焊接接頭含氫量、接頭顯微組織、接頭拘束情況等因素相互作用的結(jié)果，本工程中所采用的Q345C低合金鋼容易產(chǎn)生此類裂紋，所以焊接時(shí)注意焊道處不能有水、油污等雜物，必要時(shí)采用預(yù)熱、后熱等方法都可消除氫致裂紋。

4.2氣孔

埋弧焊中產(chǎn)生氣孔的原因主要有焊劑受潮有雜物、焊接時(shí)焊劑未覆蓋焊縫、電弧磁偏吹、焊道不干凈等。所以充分烘干焊劑，清除其中雜物，清潔焊道，讓焊劑充分覆蓋焊道是防止氣孔的有效方法，另外為了減少磁偏吹的影響，可以盡量采用交流電源。

4.3夾渣

夾渣主要產(chǎn)生在第二道埋弧焊時(shí)，跟第一道埋弧焊脫渣有關(guān)，所以選取脫渣性好的焊劑以及選擇較好的坡口型式是防止夾渣的主要手段。

5　實(shí)施效果

通過對焊縫的檢查，焊縫外觀平滑，成型美觀，尺寸符合技術(shù)要求；焊接完成24h后進(jìn)行焊縫內(nèi)部超聲波探傷檢查，內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到二級以上。焊接接頭的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

這次試驗(yàn)的埋弧焊工藝解決了以往埋弧焊中需要的電弧氣刨清根、清渣困難、焊接層數(shù)較多等問題，提高了焊接生產(chǎn)效率。

6　結(jié)語

福建莆田平海灣50MW海上風(fēng)電樁基總共78根，重量6000t，通過采用此套埋弧焊工藝，不僅在短短的兩個(gè)月時(shí)間完成了工程任務(wù)，而且焊接質(zhì)量得到很好的保證，很少出現(xiàn)返修的情況，實(shí)踐證明該工藝成熟可靠，有力的保證了工程的順利完成。這些為我們今后焊接此類厚鋼板的鋼管樁提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

TG445

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1673-0038（2015）25-0200-02

2015-6-6