CN101700600B - 输电铁塔用新型q460钢的焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，其具体工艺参数如下：1.焊接选用J607焊条或JM-60实心焊丝；2.根据板厚选择合适的坡口形式；3.室内施工时，焊接前不预热；在野外施工或环境温度低于0℃的情况下，预热到50℃～100℃；4.焊接过程中控制热输入范围，板厚小于等于20mm时，热输入控制在12kJ/cm～21kJ/cm；板厚超过20mm的，热输入控制15kJ/cm～45kJ/cm；5.采用多层多道焊接工艺，道间温度不超过150℃；6.取消消除应力处理和焊后热处理。本发明Q460钢的焊接工艺方法，可保证Q460高强钢在特高压输电设备中的成功应用，提高了我国输电领域的科技水平，对于加快我国特高压电网的建设具有重要现实意义。

Description

输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法

一、技术领域：

本发明涉及一种钢的焊接工艺方法，特别是涉及一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，属于钢铁材料焊接技术领域。

二、背景技术：

目前，我国输电铁塔塔材主要以Q235和Q345热轧等边角钢为主，国外一些发达国家已将高强钢成功应用于输电铁塔，我国高强钢的应用情况明显落后于国外。在日本，早在上世纪90年代建设的1000KV级输电线路中，就采用了钢管S55高强钢(屈服强度415MPa)，目前铁塔用高拉力型钢的屈服强度达到520MPa，焊接结构钢的屈服强度达到460MPa。《美国输电铁塔设计导则》中的钢材强度已达686MPa。在欧洲，GR65(屈服强度450MPa)等级钢材已被大量使用。我国高强钢的应用起步较晚，特别是对高强钢的焊接性尚缺乏系统和深入的研究。

新型Q460钢自从在奥运“鸟巢”工程中首次使用后，其在输电铁塔中的焊接应用也仅限于讨论阶段，还没有在国内输电铁塔中使用，如平洛(平顶山-洛南)线工程，尽管率先采用“Q460高强钢”铁塔，但全部构件的连接为螺栓连接，没有焊接连接。国家电网公司于2007年启动了新型Q460高强钢的试点应用工作，联合一些钢厂开展铁塔用Q460高强钢型材的研制。因为在特高压输电铁塔制造技术中，使用Q460高强钢不仅可增加铁塔的负载能力，而且可有效减轻塔材重量8～12％，节省整体造价5％～8％。我国首条采用“Q460高强钢”铁塔的500千伏输电线路，是由华中电网公司建设的500千伏平洛(平顶山-洛南)线工程，和传统的Q345钢铁塔相比，平均每基塔重减轻9.5％。

因此，对输电铁塔用新型Q460高强钢焊接性能展开深入研究，确定其不同焊接方法下的焊接性能和焊接工艺要点，解决焊接生产中的关键技术问题，可保证Q460高强钢在特高压输电设备中的成功应用，以进一步提高我国输电领域的科技水平，这对于加快我国特高压电网的建设具有重要现实意义。

三.发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，解决焊接生产中的关键技术问题，保证Q460高强钢在特高压输电设备中的成功应用，以进一步提高我国输电领域的科技水平。

本发明为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，包括常规的焊接方法，其具体工艺参数如下：

①、焊接材料：选用J607焊条来进行电弧焊或JM-60实心焊丝来进行CO₂气体保护焊，焊接过程中保持低氢条件，焊条使用前严格烘干；

②、根据板厚选择合适的坡口形式，对坡口区域进行打磨和清理，去除油污、铁锈、氧化皮及其它杂物；

③、室内施工时，焊接前不预热；在野外施工或环境温度低于0℃的情况下，预热到50℃～100℃；

④、焊接过程中控制热输入范围，板厚小于等于20mm时，热输入控制在12kJ/cm～21kJ/cm；板厚超过20mm的，热输入控制15kJ/cm～45kJ/cm；

⑤、采用多层多道焊接工艺，道间温度不超过150℃；

⑥、取消消除应力处理和焊后热处理。

当焊接工艺选择焊条电弧焊时，具体工艺参数如下：

①、板厚16.5～44mm，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边0～2mm，间隙2～3mm；

②、焊接焊条直径φ3.2mm和φ4.0mm；

③、具体焊接工艺参数：当直径φ3.2mm时，焊接电流100～120A，焊接电压20～24V，焊接速度100～160mm/min，线能量18～20KJ/cm；当直径φ4.0mm时，焊接电流140～170A，焊接电压20～26V，焊接速度100～150mm/min，线能量20～30KJ/cm；

④、层间温度150～200℃；

⑤、预热温度：10℃以上不预热；

⑥、消除应力热处理：取消处理。

当焊接工艺选择CO₂气体保护焊时，具体工艺参数如下：

①、板厚16.5～44mm，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边3mm，间隙3mm；

②、焊接材料：JM-60实芯焊丝，直径φ1.2mm；

③、具体焊接工艺参数：根部焊接电流90～110A，焊接电压19～22V，焊接速度95～140mm/min；填充焊接电流100～200A，焊接电压19～22V，焊接速度98～180mm/min；盖面焊接电流焊接电流150～200A，焊接电压19～22V，焊接速度152～180mm/min；

④、线能量18～24KJ/cm，层间温度150～200℃；

⑤、预热温度：10℃以上不预热；

⑥、消除应力热处理：取消处理。

焊接工艺选择CO₂气体保护焊时，如CO₂气体含有水分过多，应进行干燥处理。

与本发明输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法相关的研究报告如下：

本发明以国产新型Q460钢为研究对象，通过试验研究和理论分析，掌握其焊接性的一般规律，包括冷裂纹敏感性、过热区脆化问题、焊接材料的选择和消除应力处理利弊等。在此基础上，得出本发明新型Q460钢的焊接工艺方法，用以指导输电铁塔用Q460钢结构的焊接施工。

1.试验研究和理论分析的主要内容有：

1)冷裂纹敏感性研究：

用插销试验方法对Q460钢冷裂纹敏感性进行定量，确定合理的预热温度。研究焊条电弧焊(SMAW)和CO₂气体保护焊两种方法对冷裂纹倾向的影响。

2)Q460钢热影响区脆化倾向研究：

用热模拟方法研究Q460钢粗晶区的脆化倾向，分析脆化原因，确定最佳焊接热输入范围。

3)Q460钢焊接材料的选择及焊缝金属组织性能研究：

优选Q460钢焊接材料(焊条和焊丝)，研究现有国产焊材能否满足Q460钢焊接的要求。

4)消除应力热处理(SR)对焊接接头组织性能的影响：

研究消除应力热处理对Q460钢热影响区和焊缝组织性能的影响，探讨取消现焊后热处理的利弊。对热影响区的影响主要研究SR对粗晶区组织性能的影响，粗晶区是否存在SR脆化现象，如果发生脆化，分析产生脆化的原因。

SR处理对焊缝组织性能的影响，判断是否存在强度降低的现象。

5)Q460钢焊接工艺设计与焊接工艺评定：

根据1)～4)的研究结果，优化设计本发明Q460钢的焊接工艺，进行焊接工艺评定，提出Q460钢焊接工艺要点。确定不同焊接方法下的焊接与加热参数，并编制相应的焊接培训工艺卡和培训方案。

2.试验用Q460钢：

本试验用Q460钢板来自武汉钢铁股份有限公司，厚度为22mm，技术条件为WJS(ZB)43-2006：Q460-XRB；炉号为C733843。

试验用钢的化学成分见表1。

表1试验用钢的化学成分(质量分数，％)

元素

C

Mn

Si

S

P

V

含量

0.13

1.44

0.26

0.0038

0.013

0.036

元素

Nb

Ti

Al

Cr

Ni

Mo

含量

＜0.005

0.016

0.013

0.03

0.19

0.11

从表1的化学成分可以看出，本试验用Q460钢中含碳量降低，未添加贵重金属Nb，只添加少量的Ti、V，应属于新型Q460钢。此外从S、P含量来看，属于E级钢。

试验用钢的力学性能见表2

表2Q460钢的力学性能

3.新型Q460钢焊接性研究结论：

3.1冷裂纹敏感性：

通过插销试验方法对Q460钢冷裂纹敏感性进行定量，确定合理的预热温度。研究焊条电弧焊(SMAW)和CO₂气体保护焊两种方法对冷裂纹倾向的影响。

冷裂纹试验结果表明，新型Q460钢具有良好的抗冷裂纹性能。只要严格控制焊接材料的扩散氢含量，是可以不预热焊接的。冷裂纹试验结果是在室温和实验室条件下得到的，当在野外施工、环境温度很低(低于0℃)，且拘束度很大时，建议预热到50～100℃焊接。

与传统Q460钢相比，新型Q460钢的强化不是依靠增加合金元素和热处理来强化，主要是通过控轧工艺实现细晶强化，使钢中碳和其它合金元素含量得以降低，从而明显降低了热影响区的硬度，粗晶区的硬度明显小于350HV。这是新型Q460钢冷裂纹敏感性较传统Q460钢明显改善的主要原因。

对于新型Q460钢，两种常用的焊接方法——焊条电弧焊(SMAW)和CO₂气保焊对其冷裂纹的影响很小。没有象传统低合金高强钢那样，出现CO₂气保焊的冷裂纹倾向比SMAW大的现象。

3.2Q460钢热影响区脆化倾向：

在热模拟机上模拟粗晶区的组织，测试粗晶区的常温和低温冲击韧性，分析t_8/5对粗晶区韧性的影响，分析脆化原因，从而确定最佳焊接热输入范围。

t_8/5表示的是：在焊接过程中焊缝温度从800℃降到500℃时所用的时间。

试验结果表明：当t_8/5在10s～30s范围内时，新型Q460钢的粗晶区组织为板条马氏体+贝氏体，硬度不高，且常温和低温(-30℃)冲击韧性良好，热影响区没有象一般正火钢那样出现过热脆化现象。

根据微观分析结果，新型Q460钢对过热脆化不敏感，可以解释为：1)原始奥氏体晶粒长大不显著。从微观分析结果来看，母材中没有完全溶解的沉淀相起到一定阻止晶粒长大的作用；2)形成较多的低碳板条马氏体，本身具有很高的韧性，含有一定量的贝氏体，板条马氏体+贝氏体混合组织可以进一步增大裂纹扩展的阻力。从显微结构随t_8/5变化来判断，当t_8/5超过30s后，CGAHZ可能出现上贝氏体+M-A组元的脆性组织，且晶粒粗化将比较明显，其韧性将明显降低。

为了避免热影响区的淬硬与过热脆化，t_8/5的合理范围为10s～30s。根据热循环计算公式得到焊接新型Q460钢的最佳热输入范围为：厚板15kJ/cm～45kJ/cm；薄板12.4kJ/cm～21kJ/cm。

3.3Q460钢焊接材料的选择及焊缝金属组织性能研究：

按照低合金结构钢的表示方法，Q460钢的屈服强度为460MPa。根据焊缝与母材等强度匹配的原则，Q460钢焊材的屈服强度也应在460MPa以上。结构钢焊材牌号中标识的是熔敷金属的抗拉强度，而不是其屈服强度，为此，我们选择了抗拉强度为60kg/cm²的J607焊条和JM-60实心焊丝作为Q460钢的焊接材料，它们熔敷金属的屈服强度保证值在490MPa以上，可以满足Q460焊接结构的强度要求。

用这两种材料焊接了试样，进行了焊缝的成分、组织及性能的测试分析。

结果表明：

1)从强度等级来判断，可以采用J607焊条和JM-60实心焊丝来焊接高强度的Q460钢。它们焊缝金属组织均为贝氏体+少量铁素体。

2)用J607焊条和JM-60实心焊丝所得到焊缝韧性差异不大，焊缝金属都具有良好的室温和低温冲击韧性，它们在-30℃时韧性的平均值在100J左右。

3)采取多层多道焊、薄焊道方法可以增加焊缝中细晶区的比例，进一步提高焊缝的韧性。

3.4消除应力热处理(SR)对焊接接头组织性能的影响：

消除应力处理(600℃×1h)可以降低热影响区的硬度，提高CGHAZ的低温韧性，不会出现SR处理脆化现象。消除应力处理对焊缝硬度与韧性的影响都很小，不会显著降低焊缝的强度。总的来看，消除应力处理不会对接头性能产生不利影响。热影响区和焊缝在焊态下的组织和性能均比较理想，仅从组织和性能的角度考虑，新型Q460钢焊接时完全可以取消消除应力处理。

3.5Q460钢焊接工艺设计：

3.5.1根据上面焊接性研究结果，制定了本发明新型Q460钢的焊接工艺：

1)焊接材料选用J607焊条和JM-60实心焊丝。焊接过程中保持低氢条件，焊条使用前按要求严格烘干。CO₂气体保护焊时，如CO₂气体含有水分过多，应进行干燥处理。

2)根据板厚选择合适的坡口形式。对坡口区域进行打磨和清理，去除油污、铁锈、氧化皮及其它杂物。

3)在一般情况下，可以不预热焊接。在野外施工和环境温度很低(低于0℃)情况下，建议预热到50℃～100℃。

4)焊接过程中应控制热输入，板厚小于20mm时，热输入控制在12kJ/cm～21kJ/cm，板厚超过20mm的，上限可适当放宽。

5)多层多道焊，道间温度不超过150℃。如道间温度超过200℃，热输入上限应适当减小。

6)对于残余应力不严重的焊接结构，可以取消焊后热处理。

需要指出的是，目前TMCP工艺主要应用于板材的生产，应用于角钢等型材还比较困难，因此输电铁塔中的角钢件只能采用传统的Q460钢。前文分析表明，传统Q460钢焊接性比新型Q460钢差，鉴于国内对传统Q460钢焊接性的研究很不全面，建议今后进一步开展传统Q460钢焊接性研究，为输电铁塔用Q460钢的焊接提供更全面的指导。

3.5.2焊接工艺评定：

根据以上研究结果及对新型Q4601的焊接工艺要求，完成以下焊接工艺评定：

1)板材对接SMAW(焊条电弧焊)：

评定用Q460板厚为22mm(可覆盖板厚16.5-44mm的焊接)，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边0-2mm，间隙2-3mm；

焊接材料：大西洋焊条CHE607，直径φ3.2mm和φ4.0mm。

焊接工艺参数：直径φ3.2mm时，焊接电流100-120A，焊接电压20-24V，焊接速度100-160mm/min，线能量18-20KJ/cm，直径φ4.0mm时，焊接电流140-170A，焊接电压20-26V，焊接速度100-150mm/min，线能量20-30KJ/cm。

层间温度150-200℃。

预热温度：10℃以上不预热。

消除应力热处理(SR)：取消处理。

评定结果：符合新型Q460钢力学性能要求。

2)板材对接GMAW(CO₂气体保护焊)：

评定用Q460板厚为22mm(可覆盖板厚16.5-44mm的焊接)，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边3mm，间隙3mm；

焊接材料：金泰公司生产的实芯焊丝JM-60，直径φ1.2mm。

焊接工艺参数：根部焊接电流90-110A，焊接电压19-22V，焊接速度95-140mm/min；填充焊接电流100-200A，焊接电压19-22V，焊接速度98-180mm/min；盖面焊接电流焊接电流150-200A，焊接电压19-22V，焊接速度152-180mm/min。线能量18-24KJ/cm，层间温度150-200℃。

预热温度：10℃以上不预热。

消除应力热处理(SR)：取消处理。

评定结果：符合新型Q460钢力学性能要求。

四、附图说明：

图1为化学腐蚀后显示的热影响区；

图2为缺口位置；

图3为焊条电弧焊接头热影响区低温冲击试样；

图4为CO₂气保焊接头热影响区低温冲击试样。

五、具体实施方式：

实施例一：本发明Q460钢对接接头热影响区冲击韧性检测报告：

委托单位：河南第一火电建设公司

检测类型：送样检测

检测内容：室温和-30℃的冲击韧性

检测数量：24个(焊条电弧焊接头12个，CO₂气保焊接头12个)

检测依据：GB/T2650《焊接接头冲击试验方法》、DL/T 868-2004《焊接工艺评定规程》

检测设备：JB-30D冲击试验机

检测日期：2008年11月10日

检测环境：温度：21℃湿度：50％

检测结论：两种接头热影响区在室温和-30℃的冲击韧性均超过147J，消除应力处理对热影响区韧性没有明显影响。

下面为具体的对接接头热影响区冲击韧性检测报告：

A、试样制备：

从接头取样，加工成10mm×10mm×80mm的试样，通过化学腐蚀显示出接头的热影响区，如图1所示。然后按图2取样，加工成标准的冲击试样。缺口形式为V形，缺口轴线垂直于焊缝表面，且与熔合线交叉。

B、试验结果

对于焊条电弧焊接头，热影响区在室温和-30℃下的冲击韧性试验结果分别列于表3和表4中。

表3电弧焊接头热影响区室温冲击韧性试验结果

表4电弧焊接头热影响区低温冲击韧性试验结果(-30℃)

对于CO₂气保焊接头，热影响区在室温和-30℃下的冲击韧性试验结果分别列于表5和表6中。

表5CO₂气保焊接头热影响区室温冲击韧性试验结果

表6CO₂气保焊接头热影响区在室温冲击韧性试验结果(-30℃)

低温冲击试样照片见图3和图4。

Claims (4)

1.一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，包括常规的焊接方法，其具体工艺参数如下：

①、焊接材料：选用J607焊条来进行电弧焊或JM-60实心焊丝来进行CO₂气体保护焊，焊接过程中保持低氢条件，焊条使用前严格烘干；

②、根据板厚选择合适的坡口形式，对坡口区域进行打磨和清理，去除油污、铁锈、氧化皮及其它杂物；

③、室内施工时，焊接前不预热；在野外施工或环境温度低于0℃的情况下，预热到50℃～100℃；

④、焊接过程中控制热输入范围，板厚小于等于20mm时，热输入控制在12kJ/cm～21kJ/cm；板厚超过20mm的，热输入控制15kJ/cm～45kJ/cm；

⑤、采用多层多道焊接工艺，道间温度不超过150℃；

⑥、取消消除应力处理和焊后热处理。

2.根据权利要求1所述的输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，其特征在于：焊接工艺选择焊条电弧焊时，具体工艺参数如下：

①、板厚16.5～44mm，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边0～2mm，间隙2～3mm；

②、焊接焊条直径φ3.2mm和φ4.0mm；

③、具体焊接工艺参数：当直径φ3.2mm时，焊接电流100～120A，焊接电压20～24V，焊接速度100～160mm/min，线能量18～20KJ/cm；当直径φ4.0mm时，焊接电流140～170A，焊接电压20～26V，焊接速度100～150mm/min，线能量20～30KJ/cm；

④、层间温度150～200℃；

⑤、预热温度：10℃以上不预热；

⑥、消除应力热处理：取消处理。

3.根据权利要求1所述的输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，其特征在于：焊接工艺选择CO₂气体保护焊时，具体工艺参数如下：

①、板厚16.5～44mm，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边3mm，间隙3mm；

②、焊接材料：JM-60实芯焊丝，直径φ1.2mm；

③、具体焊接工艺参数：根部焊接电流90～110A，焊接电压19～22V，焊接速度95～140mm/min；填充焊接电流100～200A，焊接电压19～22V，焊接速度98～180mm/min；盖面焊接电流焊接电流150～200A，焊接电压19～22V，焊接速度152～180mm/min；

④、线能量18～24KJ/cm，层间温度150～200℃；

⑤、预热温度：10℃以上不预热；

⑥、消除应力热处理：取消处理。

4.根据权利要求3所述的输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，其特征在于：焊接工艺选择CO₂气体保护焊时，如CO₂气体含有水分过多，应进行干燥处理。

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