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碳素结构钢及低合金高强钢焊接方法选择

时间: 2011-07-11 08:04 来源: 作者: 点击:


清华大学 高力生 潘际銮 闫炳义 
 
本文原为高力生教授、潘际銮院士和闫炳义高级技师(焊接)参加三峡总公司召开的“三峡工程金属结构焊接专家咨询会”后的一个书面意见。编者将其节录整编成文予以发表,以期对三峡工程金属结构焊接技术的提高有所裨益。本文已经原作者审阅。 

摘要:三峡工程压力钢管选用16MnR和160Q2可焊性好的钢种,其焊接方法首选气保焊。在预制厂应推广实心焊丝气保焊,在实验基础上推广药芯焊丝气保焊,推广气电立焊;在工地安装立足于手工焊的基础上推广气保护焊。这些方法必将带来巨大的效益。 
关键词:焊接设计;焊接方法;气保焊;实心焊丝;药芯焊丝 

三峡工程目前正在施工的重要结构主要有电站压力钢管、水轮机座和船闸门,其中水轮机座的施工工艺质量由国外公司负责,其余两项由国内制造商和施工单位承包,闸门制造多由国内知名船厂承担,具焊接工艺比较成熟,相对船体制造的没备和工艺已不是什么难事;由于材料为强度级别较低(Q345)的低合金钢,所以今后的主要问题是工地安装时,如何提高效率,降低成本。 

压力钢管的制作和安装将成为主要矛盾,工程前期共有压力钢管14条,约22500t,由于材料复杂(上段为16MnR,下段为610U2低合金高强钢),板厚度大(最厚达58mm),特别是管道直径大(φ12499mm),安装位置复杂,因此不同于常规管道的制作和安装。 

此次有幸参加了三峡开发总公司工程建设部组织的“三峡工程金属结构焊接技术专家咨询会”,受益匪浅,但由于时间太短,会前对几个承包单位的工作和试验资料未及仔细学习,所以有些意见未能允分表达,现对有些观点加以说明。 

1 三峡工程压力钢管的选材思想和实践是成功的 

上段选用16MnR、下段选日本NKK的60kg级的610U2都是可焊性好的钢种,特别是日本的610U2,属于低碳调质钢中的焊接无裂纹钢(CF钢),其特点是含碳量低(≤0.09)、总碳当量低(CEQ2=0.39%)、裂纹敏感系数低(PCM≤0.19)。由于在钢材生产过程中采用新技术,如在线余热淬火等,在碳当量不大情况下,增加其淬透性,并加入多种微量元素,所以能在保证高强度的同时提高其塑性和韧性(-40℃时其AKv>200J甚至达300以上),增加了在减轻重量情况下得到高质量焊缝的可能性。 

2 从焊接设计出发,选择焊材的原则 

16MnR是焊接结构应用最多的钢种,一般焊缝按等强设计,此钢种国内的焊接材料、焊接方法配套均非常成熟。 

关于610U2类型的低碳调质钢,本来其可焊性也是较好的,但是在焊接时若处理不当,在熔合区的冷裂和影响区的脆化和软化等缺陷也有发生,在特殊情况下特别是在工地安装中,对焊接热输入和预热等方面有一定要求。 

焊接无裂纹钢种,采用低H或超低H焊材,在板厚50mm以下或在0℃以上环境均可不预热。此种钢冶炼技术优越,其力学指标突出,特别是在屈强比的冲击性能方面(如本次选用的610U2就是这样),但在焊接时,如要求焊缝冲击性能达到母材要求,这显然是不合适,焊缝设计其力学指标以工作要求为主,不低于母材力学指标的保证值,再留有适当余量,而不应该以母材的实测值为标准,有时为了提高焊缝的塑韧性可适当降低焊缝的设计强度指标。实践证明,低强匹配的焊缝,往往能提高焊缝的韧性和抗裂纹敏感性。 

3 关于焊接方法 

压力钢管的主要加工工艺是焊接,原则上,手工电弧焊、埋弧焊、气保护实心焊丝和药芯焊丝焊,自保护药芯焊丝等均可选用,应根据施工条件、结构形式、效率与成本核算、焊接质量的水平综合考虑,选择原则应为:在好的劳动条件下,低成本地完成高质量的焊缝。 

这次论证会上的基本结论是:厂房预制推行自动实心焊丝气保护焊;工地安装采用手工焊;研制全位置自动焊设备。对此结论大多数与会者虽能接收,但还存在某些疑虑。 

(1)从保证焊接质量出发,焊接冶金过程完善(如通过渗合金控制焊缝成分和H值含量);保护好;焊接热源能量集中,易控制热输入和焊接变形;能通过焊接设备控制焊接质量等,具有这些能力的焊接方法是最好的。 

对这二种钢特别是610U2应首选气保焊,因为低合金高强钢焊接质量的主要问题是焊接裂纹和热影响区的脆化和软化,而气保焊最大的特点是低H焊、易控制热输入,例如测扩散H含量平均值为:手工电弧焊的酸性焊条21.9,碱性焊条3.15;CO2保护焊1,MAG焊0.03,埋弧焊2.17,单位:ml/100g。 

焊接的抗锈能力实验:埋弧焊当0.3g/10mm时产生气孔,而CO2焊1g/10mm才产生气孔。所以,C02焊是一种低H焊接。另外气保焊能量密度大,在正常规范下,其热输入仅为手工焊的1/2~1/3(特别是脉冲MAG焊)而且变形小,这对具有一定热敏感性的高强钢极为重要。气保焊的优点是效率高成本低,因为它的熔化效率高,不用清渣换焊条,坡口小,熔敷金属少,坡口加工量少。 

(2)气保焊分实心焊丝和药芯焊丝,它们有一些共同的特点,如热量集中、高效,也有不同处(见后)。气保焊已成为焊接碳钢和低合金高强钢的主要工艺方法,我国造船工业所用钢材与三峡的16MnR和610U2基本类似,其熔化极气体保护所占比例已达60%以上(其中药芯焊丝又占气保焊50%以上),其它行业如石化、电力、机械等也基本相同。说明这种焊接方法是金属结构制造企业的看家方法。 

4 关于气保焊的效率和质量 

由于气保焊特别是CO2焊有一定局限性,另一方面推广气保焊是个系统工程,从设备、焊材配套到焊缝设计等,全都要适应新方法。所以推广时还需制定规程和奖励制度。 

4.1 气保焊的效率 

一种焊接方法的效率,由它的熔深、能量密度、熔化速度、熔敷效率等因素决定,除此以外,被焊工件的坡口型式及其填允量,也直接影响效率。 

手工焊和气保焊热源虽都是电弧,但是由于燃弧率不同,弧区介质不同,所以会影响熔深和能量密度,从而使熔化速度,熔敷效率有很大差别。 

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燃弧率 熔敷速度 熔敷效率 平均熔深 
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手工焊30% 35~50g/min 55% 3mm 
CO2 45% 平均90g/min 90~95% 6mm 
MIG/MAG>50% 60~140g/min 96~99% 4~6mm 
焊芯焊丝>50% 140~200g/min 83~87% 4~6mm 
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从表中熔敷速度和熔敷效率看,气保焊单位时间熔敷到焊缝上的金属量应该比手工焊多两倍以上。在推广气保焊时,实际效率的提高往往达不到理论数据,很重要的原因是焊件坡口型式没有做相应的改变;另外就是由于气保焊设备材料不配套或使用不当,大大增加了辅助时间,从我国船厂统计看,气保焊每日消耗焊材10~15kg(日本可到50kg),手工焊6~7kg。 

4.2 气保焊的质量 

气保焊不但可用于低合金高强钢的焊接,而且可以说是焊接的首选方法。这不仅因为它比手工焊的效率最少高一倍以上,而且它最易保证高强钢的焊接质量。 

如在1中所述,选材很好,碳当量和裂纹敏感系数都很小,可焊性良好,这就不需要很多复杂工艺而能保证质量。当然对这样一项跨世纪工程来说,仍需作到万无一失。16MnR属于C-Mn系列的热轧正火钢,610U2属于超低碳多元素调质钢,一般均在焊态下使用。这两类钢焊接接头质量的主要问题是保证焊缝的高综合性能,防止影响区的脆化和软化,保证熔合区和热影响区不发生裂纹并有一定韧性。由于610U2属于热处理强化钢在焊态下使用,如何同时保证焊缝的综合性能及热影响区的韧性,实践证明虽不是非常困难,但在选择焊接材料及工艺时应保证焊缝金属一定的化学成分,选择合适的线能量与适当的预热和层间温度相配合,从而得到合适的t8/5,以保证热影响在AC1-AC3之间的部分得到合适的组织(最多的针状铁素体,最少的M-A组元)和品粒度。另外还应控制含H量,进一步防止冷裂的发生。 

低C调质钢特别是CP钢,含C量极低,热影响区只能形成低C马氏体、巳由于Ms点较高,能产生自回火,所以冷裂倾向不大,又由于含C,S量都低,Mn/S大,所以热裂倾向很小,只要注意工艺的选用,不管是手工焊、埋弧焊,实心或药芯气保焊均可保证焊接质量。可以看出,选择焊材可以保证焊缝成分,但更重要的是选择合适的工艺。 

选用气保焊焊接上述两种钢,应该说是最合适的方法,因为它热量集中,容易控制热输入,又是一种低H焊接法;在允许的同样线能量下,其焊接效率又大大高于手工焊,焊接变形小,不易引起应力集中和矫正工时,但是为什么至今在部分单位得不到认同呢?其原因首先是方法本身的局限性:气保焊有惰性气体非熔化极(T1G)、CO2气体实心焊丝和药芯焊丝、氧化性混合气体实心和药芯焊丝几种。除TIG外均可用于此二种钢,与手工焊和埋弧焊相比,实心焊丝保护焊不是气渣联合保护,在调整成分方面主要通过焊丝。在冶金反应方面单—,所以为保证质量,冶炼专用配套焊丝很重要;另外,由于气体起保护作用并参与热反应,有许多优点(如能形成带电离子和压缩电弧,电弧能量密度加大,低H)也有其缺点(如增C,形成气孔),所以,在焊接碳素结构钢和热轧正火低合金钢常用的焊丝中,降低含C量,加大Mn、Si含量以保证焊缝的金属成分和性能,特别是韧性。除气保焊本身局限性外,我国配套焊丝极不完善(H08Mn2Si和H08Ma2SiA),这就是许多部门采用气保焊后不能达到希望的焊缝性能的原因。特别是在焊接低C调质钢时,需要针对钢种选用合适的焊丝。加之选择工艺程序不合理,设备使用不当,气体选用处理不当,工人又都是手工焊转行,自然推广气保焊就有一定阻力。 

5 关于韧性 

对韧性的担心源于焊接接头的低应力破坏,而低应力破坏的原因,是材料在一定温度下的塑脆转变和接头存在的缺陷扩张造成的,因此从质量保证体系上分别用冲击韧性和断裂韧性指标来控制以上两种原因所引起的脆性破坏。 

虽然过去发生的脆断实例均是在有缺陷的情况下产生的,但是接头中微小缺陷难于检测,而且断裂韧性的实验过于复杂,所以一般结构均以控制冲击韧性指标为主,但冲击韧性指标是材料塑性和强度的综合指标,塑脆转变温度又是一个范例,所以它不能单一成比例的反映其塑性。 

材料冲击韧性指标的确定过程(例如碳素钢的常温为27J,低合金钢-20℃及-30℃为47J),是以分析过去脆断实例和有关实验为基础且有一定裕量,所以在满足指标要求又不存在可检缺陷时,一般不会发生脆断事件,对重要结构还应做断裂韧性实验。 

焊接接头的韧性包括焊缝及近缝区韧性,近缝区的韧性主要与近缝区的脆化有关,近缝区脆化原因与晶粒数、析出相、灰杂物偏析、组织及其变化有关。所以提高接头韧性,对应控制焊缝合金化和热循环;而对近缝区只能合理选择母材、控制线能量和热循环。 

关于三峡工程所用两种钢的韧性控制问题,16MR焊接在我国已很有经验;对于610U2钢,制造厂成分匹配合理和炼钢技术高超,CEQ和PCM很低,综合性能很好,其冲击韧性在-20℃时均达200J以上;在选择焊材和焊接方法上,三峡的实践证明手工焊冲击韧性最高;但不能因此则认为只能用手工焊。 

根据以上分析,提高焊缝韧性决定于合金化和冷却速度(线能量和子热等)。而合金化靠选择焊材和保证过渡,因此,手工焊和气保焊药芯丝较有利,因为在国内手工焊条配套最全,两者均是气渣联合保护,但其它方法也都可以保证控制焊缝成分;对近缝区,由于母材已定,应从焊接工艺上控制线能量及预热手段。所以不管上述的那种焊接方法,只要能选择合适的焊材和焊接工艺,均可保证韧性要求,但对韧性指标的要求应科学而适当。 

从青云和葛洲坝集团提供的材料看,实验虽还不完善,但数据也完全说明此结论(见6.1,6.2内容)。无限制提高冲击韧度裕量不但在经济上不可取,在保证质量方面也无大好处,因为冲击韧度是代表塑性和强度的综合指标,冲击韧度很高时,σs会相应提高,断裂韧性的指标-裂纹容限尺寸就会减小,所以接头冲击韧度数值应保证其最低平均值达到母材的设计保证值且有一定裕量即可,不应以母材实测值为标准。 

6 关于C02实心焊丝和药芯焊丝焊接 

6.1 关于实心焊丝的焊接 

实心焊丝气保护焊应是这两种钢的首选工艺方法,不仅可在厂房内预制,还应用到工地安装上,但要在工地风力允许或解决防风措施情况下,上面已阐述了此方法的优点,效率是手工焊的2~3倍,低H,特别是脉冲焊,在平均电流较低的情况下达到大熔深,并能控制热输入和全位置焊的成形。 

①此方法的韧性不但被过去的实践证明,本次葛洲坝集团的实验也证明了接头具有良好的冲击韧性。 
②过去,实心焊丝CO2保护焊不被人欢迎的的另一个原因是这种方法飞溅大,焊缝成型不美观,设备复杂等,但随着技术进步,随着对工艺方法本质的认识和设备不断改进,利用气保焊工艺方法的特点和设备配合,可取得更大效益。 

由于气保焊的特点,熔滴过渡有短路、大滴、喷射三种方式 初期,三种过渡方式只决定于电弧电压和电流参数,在短路和大滴过渡时,熔滴是非轴向过渡,颗粒又大,所以焊接飞溅很大。而对于CO2气体又很难得到细滴喷射。后来采用了富氩的混合气体保护(Ar+20%~25%CO2或Ar+2%~5%C02),使产生喷射过渡的临界电流大大下降,焊接时飞溅极少,无噪音,全位置焊时易成形。 

气保焊的另一个技术进步就是脉冲焊的应用,脉冲焊采用峰值电流和维持电流间断改变,这对特殊(横立仰全位置)焊接有很大好处,而且对需控制热输入的材料以小的热输入(小的平均电流)达到高效高质量焊接。初期要得到脉冲焊较难,因为气保焊的电流大小决定于送丝速度,小规范时,送丝速度低,为短路过渡,电弧不稳,飞溅大,而现在设备先进,特别是逆变技术和计算机技术的结合,使脉冲焊不必以脉动送丝取得,且可在任意电流下得到喷射过渡,也可得到频率范围很宽的脉冲焊接——即现在几种混合气体不必单独输送,气体厂已混合好,另外焊把已把气丝电合一,送丝机经中间装置可长距离送丝。所以,根据其效率高,质量好,特别是脉冲焊的优点,应该尽量在工地安装中应用。 

6.2 关于药芯焊丝的焊接 

药芯焊丝有气保护和自保护两大类,白保护主要用于工地安装和用气不方便的地方,防风能力可达四级(<15m/s,),由于仅靠熔渣和造气剂保护,药粉量相对焊条比例较少(焊条占30%,药芯占15%),所以一般不用于重要结构。 

气保护药芯焊丝属气联合保护,兼有气保护焊和手工焊两方面的优点,例如高效、冶金反应完善、工艺性能好、低H。特别是弧稳,飞溅少,熔敷速度是各种焊接方法中最高的,而且可以采用大电流进行全位置焊,对设备要求低等独特优点。所以国外此种方法的应用速度最快,且有适应各种要求的产品供选择。 

气保护药芯焊丝为气渣联合保护,其药皮与焊条相同,有钛型(酸性)、钙型(碱性)、钛钙型(中性或弱碱性)。酸性工艺性能好,碱性工艺性能不好,但塑韧性高。中性介于其间。 

为什么认为药芯焊丝的韧性不好呢?主要还是焊材选择不当和工艺不合理而不是这种方法固有的,特别是对气保护的气渣联合情况。其实本次会议提供的实验资料也说明了这点。葛洲坝集团搜集的一些资料,其中说气保护药芯焊丝“焊缝冲击韧性低,扩散氢含量大,CO气孔及氢致裂纹倾向大……”但未指明各自的出处,因为他们调研的岩滩和隔河岩均用的是自保护焊丝NR203Nil,又说韧性塑性较低,但到底是多大?使用后有什么问题并未说明,相反在青云公司所作的药芯焊丝的实验中,其结果却相反。实验结果中16MnR用国产芯焊丝GL-YJ502(Q),CO2保护,其机械性能全部合格,其冲击值最低为-20℃时78J,60公斤级的610U2分别用日本种钢DW60焊丝+CO2,美国林肯91K2H+(Ar+CO2),韩国TWE811Nil+CO2,TWE811Nil+(Ar+CO2),TWE911N12+CO2进行试验,其结果强度、冷弯、硬度全部合格,但是塑性、韧性、美国与日本焊丝不但合格,且保持较高水平(δ5>21%;Ak-200℃,美国平均108J、98J、日本平均85J);南韩焊丝其δ5一般为16%~19%,Ak-20℃平均值TWE811Nil42-49J,TWE911Ni2平均52-67J,但δb(δs)高,δ低,刚满足要求值也不理想。其实,葛洲坝集团自己的药芯焊丝的实验也否认了上述资料的结论。 

从以上实验可以得到这样的结论:①只要焊材选择适当,气保护药芯焊接完全可以满足母材的性能要求;②药芯焊丝制造水平影响焊丝稳定性;③接头的塑性不仅取决于焊材和气体,而且还取决于线能量和预热等工艺参数。上述试验均为特殊位置,如经仔细研究后确定工艺参数,其接头性能可能比上述试验还好。 

关于自保护药性焊丝能否采用,首先看为什么采用,如果焊低合金高强钢的重要结构,为保证质量必须采用碱性或钛钙加Ni的焊丝,其价格为普通药芯焊丝的2~3倍,其优点仅是防风、简单,这需要根据具体情况来定。在我国大量应用自保护焊丝的石油管道系统,他们在偏远地区野外施工,用此方法可以保证质量(大部分选用美国林肯203Ni1,其AKV保证值是-30℃达39-150J)。美国产品提高韧性的方法是采用钛钙渣系加Ni,由于其熔化速度可提高50%以上,价格虽贵但综合效益不低于手工焊。 

目前国外有多家公司产品,可根据不同母材、不同焊接位置的不同性能要求进行选择。 

6.3 关于垂直立缝的气电焊。 

厚板的垂直立缝用强迫成型自动焊接,效率是手工焊的10倍以上。开始用熔咀电渣焊,后来用实心焊丝气保焊,由这两种方法热输入很大,焊缝及热影响区晶粒粗大,最后采用专用药芯焊丝气保焊,可以气渣联合保护且用大量渗合金细化晶粒,使接头性能大大提高,满足工作要求,目前研制的自保护药芯焊丝亦可满足要求,例如林肯NR431,熔化效率达18~30kg/h,焊缝AKV在-20℃达60-74J。气电立焊在造船和油罐上大量应用,是可选择的方法之一。 

7 结论 

综上所述,我们认为不但在预制厂应推广实心焊丝保护焊,而且在实验基础上推广药芯焊丝气保焊,推广气电立焊,在工地安装立足手工焊的基础上,推广气保护焊,因为三峡工程时间还长,推广这些方法必将带来巨大效益,应该强调的是:上述观点仅为现有资料基础上的一些分析,如果为了某种焊接方法的实施推广,必须针对三峡的具体情况,用充分的实验作为基础,别人的实验数据是不能作为基础的。 

作者简介:高力生,博士生导师,曾任清华大学焊接教研室副主任、深圳大学控制及机电系主任。 
 

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