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Q460焊接


浅析低合金高强钢的焊接工艺
郭炳武

摘要:从冶金原理、化学成分分析低合金高强钢的焊接性。以 700t 浮式起重机吊臂主肢(Q460D 无缝管)为例,从焊材选用、焊 前准备、焊接工艺、焊后热处理等几方面提出要求,保证钢管对接 焊缝达到要求

关键词:低合金高强钢、无缝管、单面焊双面成形、UT 探伤

1、 概述 当今科技水平的迅猛发展,对钢材的要求越来越高。低合金高强 钢在保证良好的焊接性的同时,可以达到更强更好的力学性能指标。 所以低合金高强钢的应用对于减少产品自重,节约成本、降低制造 难度、提高工作效率、缩短工期等方面起到了积极作用。当今低合 金高强钢被广泛应用于海上浮式起重机、石油钻井平台、石油管线 等大型及高压设备。对低合金高强钢焊接工艺的研究也变得越来越 广泛和深入。下面以公司刚刚制作完成的 700t 全回转浮式起重机吊 臂主肢管对接为例,从 Q460D 的冶金原理、化学成份、焊接工艺等 几个方面对低合金高强钢的焊接性进行分析说明。

2、 冶金原理 传统的钢材习惯采用提高含碳含量的方法来提高强度, 而含碳量 的增加就会降低材料的焊接性。低合金高强钢打破传统 C、Mn、Si 系钢的传统思想,加入 V、Nb、Ti、Cu、Re、B 等多种微量合金元素, 细化晶粒、净化基体,同时控制 S、P、O、N、H 的含量,并通过适 当的热处理工艺提高其综合性能。此类钢的冷裂纹敏感系数 Pcm≤ 0.2%,碳当量 CE≤0.4%

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3、 Q460D 的焊接性分析

表 1 Q460D 的化学成分
牌号 质 量 等级 C Si Mn p s Nb 化学成分(质量分数)/% v Ti Cr 不大于 ≤ Q460D D 0.2 0.6 1.8 3 25 1 ≤ ≤ 0.0 0.0 0.1 0.2 0.2 0.3 0.8 0.55 15 0.0 0.2 04 0.0 0.015 Ni Cu N Mo B Als 不小于

碳当量计算公式按下式: WCE=WC+WMn/6+W(Cr+Mo+v)/5+Si/24+(Ni+CU)/15=0.2%+0.21%+0.16%+0 .02%+0.04%=0.63% 焊接时有 可以看出, 对于正火状态交货的 Q460D 的 WCE≥0.45%, 明显的淬硬倾向,热影响区容易形成脆而硬的马氏体组织,塑性和 韧性下降,耐应力腐蚀性能恶化。冷裂纹倾向增加,因此焊接时需 要较小的线能量,焊接线能量过高,会导致热影响区性能降低;; 减少高温区停留时间;同时为防止产生裂纹,焊接过程中应严格保 持低氢条件,因此焊接材料应严格脱脂,采用 C02 气体保护焊。同时 如果 C02 气体含水分过多,则应进行干燥处理。以减少热影响区的韧 性下降。

4、 Q460D 焊接工艺 4.1 焊接设备 焊接设备选用林肯 INVERTEC STT II 脉冲焊机和松下 KRII-500 型焊机,直流、反接。 4.2 焊接材料 焊接材料:药芯焊丝 GFR-81K2/φ1.2; 99.7%的 CO2 保护气体 表 2 焊接材料的化学成分
化学成份(%)×100 牌号 名称 规格 C Si Mn S P Ni 2 Cr Mo Cu Nb N/mm? N/mm? % Rel Rm A 机械性能 备注

GFR-81K2 焊丝 φ1.2 3.7 37 112 0.6 1.1 137 3 1 580 635 23

4.2.1 坡口制备 首先将钢管对接端 200mm 范围内的水渍、油渍、铁锈等影响焊接 质量的杂质清除干净,按照工艺排管图将管道长度精确测量,使用 磁力管道坡口机将管端切割出单边 30 度,钝边 0~1mm 的对接坡口, 要求切割后的坡口面粗糙度不高于 25,坡口面上的不允许有超过 0.5mm 的切割痕,否则需要利用角磨机修磨达到要求。 4.2.2 装配定位焊 将两管件置于水平胎架上,两侧定位板固定防止自己转动。对接 间隙 2mm,对接错边量≤1mm。定位焊与实际焊接选用相同的焊材。定 位焊时采取与正常焊接同样的预热措施。定位焊长度一般不小于 50mm, 焊高不超过坡口深度的 1/3。 定位焊位置应在上方两侧各一处, (严禁在底部定位)。焊缝质量要达到单面焊双面成型要求,定位 焊完成后,用角磨机将定位焊缝两端修磨至光滑过度(倾斜度如爬 坡一样,边缘越薄越好利于保证接头质量) 4.2.3 焊前预热 据 Q460D 的 6.3‰的碳当量,钢管需要焊前适当预热。预热方式 是采取电加热带将对接缝两端 80mm 的范围加热到 150~200 度。预 热措施可以防止裂纹,降低焊缝及热影响区冷却速度,减少应力的 作用,预热时应保证预热均匀并焊后缓冷。 4.2.4 单面焊双面成型 因无缝管对接不能进行背面清根,所以采取单面焊双面成型技 术,焊接时尤其注意打底焊接的技术要求,熔池成型时打底焊的熔 池要将钝边熔化,熔孔比坡口每侧增加 0.5-1mm 为宜,过小容易造 成背面成形不良,过大容易造成背面焊缝余高过大形成焊瘤。焊接 时分两段从底部中央位置向上施焊。因刚开始施焊母材温度较低所 以应先用电弧将引弧处预热见母材有出汗(接近熔化)状态时再填 充焊丝焊接。 4.2.5 焊接工艺
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焊接时采取将钢管旋转的方法使焊接工位保持在 1G 和 3G 的位置 不变,焊接过程中利用红外线测温仪随时监测焊缝的层间温度,当 层间温度小于预热温度时,应采取氧-乙炔火焰加热方式重新进行加 热。保证的冷却速度。焊丝的干伸长度 20mm,焊丝伸出过长,飞溅 严重,气体保护效果较差;焊丝伸出过短,飞溅物容易堵塞导电嘴, 保护效果也不好。气体流量对焊接质量也有很大的影响,力量过大, 会产生不规则气流,保护效果反而变差。同时应合理的控制堆焊速 度。速度过快会引起气孔等缺陷,焊接速度过慢则效率低,输入焊 缝的热量过多, 熔敷层金属晶粒粗大成型差。 焊接工艺参数符合表 3:

表 3 焊接工艺参数
填充金属 面次 层次 型(牌)号 焊接 其余 GFR-81K2 直径 Φ1.2 (A) (V) (m/h) (℃) (KJ/cm) 焊接电流 电弧电压 焊接速度 层间温度 线能量

210~230

24~26

12~20

150~180

9.1-17.9

4.2.6 焊后热处理 由于一根成形的主肢管长度约有 24m,无法对焊缝做整体退火去 应力的热处理,所以只能在焊后进行 150~200 度 2 小时的火焰后热 和 300~400 度 2 小时的消氢处理,再包裹石棉布进行缓冷。通过控 制高温停留时间 tH 和 800~500 度的冷却时间 t8/5 来控制裂纹产生。 最后对焊缝余高不合要求的地方进行修磨,同时为后续的 NDT 做准 备。 4.2.7 检测 焊 后 24 小 时 对 焊 缝 进 行 100%UT 和 100%RT, 分 别 达 到 了 GB11345-89 B I 级和 GB3323-2005 II 级的要求。

5、 结论 为保证 700t 浮式起重机吊臂主肢管的质量,在主肢管拼接时需 要结合母材 Q460D 的性能特点,减少焊缝裂纹及气孔的产生,执行 焊接工艺时需考虑以下几点:
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1)、焊接时严格控制焊缝热量的输入,并合理控制焊后冷却速 度。 2)、采用小的线能量,多层多道焊(注意多层焊时道与道之间 不要齐头,以免后续焊道无法起焊),有利于细化晶粒,提高韧性。 注意第一道焊缝需奥小直径焊丝及小的焊接电流,以减少母材在焊 缝中的金属比例。

参考文献 1、焊接工程师手册 2002.1 2、焊接新技术新工艺实用指导手册 音像出版社 王文其主编 黑龙江文化电子 陈祝年主编 北京京机械工业出版社

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