CN104384677B - 一种特厚钢板焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特厚钢板焊接方法，可有效解决改善特厚钢工艺焊接性，提高施工效率及焊缝探伤一次合格率的问题，技术方案是，包括以下步骤：一、加工焊接坡口；二、焊前准备；三、焊前预热；四、焊接；本发明方法简单，焊接坡口的改进设计合理、可靠，适用于普通国产单丝埋弧焊机，实用性广泛；采用超低氢型焊条电弧焊作为打底焊工艺及埋弧焊填充、盖面焊的组合焊接工艺，综合了两种工艺的焊接优越性；大大改善了特厚钢板工艺焊接性，使特厚钢板焊接质量得到了控制，提高了特厚钢板对接焊缝探伤一次合格率，可广泛应用于厚度为60～300mm的低合金高强度结构钢特厚钢板的焊接施工，具有良好的技术效益、经济效益和社会效益。

Description

一种特厚钢板焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是一种特厚钢板焊接方法，尤其是一种适应厚度为60～300mm的特厚钢板对接焊缝的埋弧焊焊接方法。
背景技术
随着钢结构技术的发展，特厚钢在钢结构建筑领域的应用越来越广泛，特厚钢焊接技术已成为钢结构关键焊接技术。特厚钢随着钢板厚度的越大，焊接性越差、焊接难度越大，焊接施工越容易产生焊接缺陷，特别是焊缝裂纹、根部气孔及层间夹渣，焊缝探伤一次合格率低，返修难度大，返修焊接施工效率低。故有效地改善特厚钢焊接性差的问题，是提高特厚钢板对接焊缝施工效率及探伤一次合格率的关键问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种特厚钢板焊接方法，可有效解决改善特厚钢工艺焊接性，提高施工效率及焊缝探伤一次合格率的问题。
本发明解决的技术方案是：
一种特厚钢板焊接方法，包括以下步骤：
一、加工焊接坡口
在待焊接两钢板的焊口边缘沿长向2倍板厚度再加30mm的长度范围进行100%UT检测，预防夹层或疏松等缺陷，放样制作坡口样板，采用刨边机加工制作焊接坡口，所述的焊接坡口为双面不对称U形焊接坡口，正、反坡口角度均为α=22～24°，焊接坡口钝边厚度p=3～4mm，正面焊接坡口根部半径R1=8～10mm，反面焊接坡口半径R2=12～14mm，反面焊接坡口半径R2大于正面焊接坡口根部半径R1，且R2-R1=4～5mm，正面坡口深度为H=2（δ-p）/3，其中δ为钢板的厚度，根部间隙b≤0.5mm；
此焊接坡口可大大改善特厚钢板工艺焊接性，与现有技术相比具有以下四大工艺特点：（一）焊接接头根部不在板厚中心位置，避免了焊缝根部焊接应力最大处处于板厚中心母材力学性能较弱的位置，提高了焊缝根部的抗裂性能；（二）焊接接头背面坡口根部半径大于正面坡口根部半径，利于焊接反面清根将正面焊缝根部及其缺陷彻底清除且清根量少；（三）正反面坡口深度比例适中，坡口角度适中，正、反面坡口宽度近似相等，利于焊接角变形的控制及控制适当的焊缝填充量；（四）钝边厚度薄、根部半径大，采用超低氢型焊条电弧焊作打底焊时，利于根部焊道的成型控制及保证其熔合质量；
二、焊前准备，方法为：
①将焊接坡口及两侧各20mm范围内的氧化皮、锈蚀、油脂、水等杂质彻底清理干净，并打磨露出金属光泽；
②对焊条及焊剂烘干，烘干温度350～400℃，烘干时间1～2h；
③焊接接头定位装配，定位焊采用焊条电弧焊，定位焊前应预热至150～180℃，定位焊缝应距焊缝端部30mm以上，定位焊缝长50～70mm，间距300～500mm，定位焊缝厚度3～5mm，定位焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣和焊瘤，否则应在正式焊前清除、修磨、补焊，焊件装配焊接坡口根部间隙≤0.5mm；
④在焊接接头的端部焊接连接引弧板、引出板，其材质、焊接坡口与母材相同，长度大于80mm；
三、焊前预热
将焊接坡口及两侧各200mm范围内的焊接接头预热至150～180℃；
四、焊接
将钢板焊接从钢板厚度方向分为A、B、C、D、E五个焊接区，其中A焊接区的高度HA为自正面焊接坡口底部起向上6-10mm，B焊接区的高度为HB，满足HA+HB=2H/3；剩余部分的正面焊接坡口范围内为E焊接区；C焊接区范围为反面清根区域，即反面焊接坡口底部至正面焊接坡口底部之间的焊接坡口钝边，剩余部分的反面焊接坡口范围内为D焊接区；具体方法为：
①对正面焊接坡口的A焊接区进行打底焊：正面焊接坡口采用超低氢型焊条进行打底焊，打底焊2～3遍，焊缝厚度6～10mm；
②对正面焊接坡口的B焊接区填充焊：采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对正面焊接坡口进行填充焊，从打底焊道熔合质量差的一侧开始排道焊，焊道呈鱼鳞状排列，当填充焊至正面焊接坡口深度的2/3后立即将焊件起吊翻身；
③对C焊接区清根：采用碳弧气刨，碳棒为圆形截面，直径为6mm，对反面焊接坡口进行反面清根，反面清根应沿坡口面逐层向下进行刨除，观察坡口熔合线位置处，保证全部清除根部缺陷，并打磨清理刨槽，至露出金属光泽为宜；
④对反面焊接坡口填充及盖面焊：
采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对C焊接区和D焊接区进行填充、盖面焊，反面焊接坡口盖面焊完毕后立即将焊件起吊翻身；
⑤对正面焊接坡口的E区域填充、盖面焊：采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对正面焊接坡口进行填充、盖面焊；
⑥焊后热处理：焊接完毕后，采用自动控温电加热法对焊接接头立即进行消应力热处理。
所述的步骤四中的多层多道焊技术层间温度180～250℃，若焊缝过长，难以控制层间温度，则采用火焰加热温度补偿器跟随加热以补偿温度损失，所述的火焰加热温度补偿器包括变径管、导管和火焰喷嘴，变径管的大口端与进气嘴相连通，变径管的小口端经导管装有水平的排管，排管上设置有均布的火焰喷嘴，导管包括相连通的第一导管和第二导管，第一导管的进气端与变径管的小口端相连通，第一导管的出气端经第二导管侧壁上的进气口与第二导管的内腔相连通，第二导管的两端的出气口上分别装有水平的排管，排管上设置有均布的火焰喷嘴，进气嘴、变径管、第一导管、第二导管、排管和火焰喷嘴整体形成一个气流通路，其中，火焰喷嘴直径小于排管的直径，第二导管的直径小于排管的直径，可燃气体通过进气嘴进入气流通路，气体依次通变径管、第一导管、第二导管、排管从火焰喷嘴1喷出，共经过三次变径，可确保火焰喷嘴1气体出口流速的稳定；使用时，长焊缝焊接采用多台焊机均布同步焊接，各焊机焊接工艺参数相同、焊接方向相同，焊机均布，焊机焊接行进中，采用火焰加热温度补偿器跟随加热补偿温度，以控制层间温度符合工艺要求，可大大善厚钢板超长焊缝的工艺焊接性。
本发明方法简单，焊接坡口的改进设计合理、可靠，适用于普通国产单丝埋弧焊机，实用性广泛；采用超低氢型焊条电弧焊作为打底焊工艺及埋弧焊填充、盖面焊的组合焊接工艺，综合了两种工艺的焊接优越性；大大改善了特厚钢板工艺焊接性，使特厚钢板焊接质量得到了控制，提高了特厚钢板对接焊缝探伤一次合格率，可广泛应用于厚度为60～300mm的低合金高强度结构钢特厚钢板的焊接施工，具有良好的技术效益、经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明特厚钢板对接接头焊接坡口剖视图。
图2为本发明特厚钢板焊接坡口分区示意图。
图3为本发明火焰加热温度补偿器的结构主视图。
图4为本发明图3的A-A向剖视图。
图5为本发明图3的B-B向剖视图。
图6为本发明图3的C-C向剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-6给出，以厚度为60～300mm的SM490BN钢板焊接实施例，本发明特厚钢板焊接方法包括以下步骤：
一、加工焊接坡口
在待焊接两钢板的焊口边缘沿长向2倍板厚度再加30mm的长度范围进行100%UT检测，预防夹层或疏松等缺陷，放样制作坡口样板，采用刨边机加工制作焊接坡口，所述的焊接坡口为双面不对称U形焊接坡口，正、反坡口角度均为α=22～24°，焊接坡口钝边厚度p=3～4mm，正面焊接坡口根部半径R1=8～10mm，反面焊接坡口半径R2=12～14mm，反面焊接坡口半径R2大于正面焊接坡口根部半径R1，且R2-R1=4～5mm，正面坡口深度为H=2（δ-p）/3，其中δ为钢板的厚度，根部间隙b≤0.5mm；坡口加工表面不得有台阶，坡口两侧钝边位置及尺寸应一致，以防止焊接接头定位装配时钝边出现错边或错台现象；
此焊接坡口可大大改善特厚钢板工艺焊接性，与现有技术相比具有以下四大工艺特点：（一）焊接接头根部不在板厚中心位置，避免了焊缝根部焊接应力最大处处于板厚中心母材力学性能较弱的位置，提高了焊缝根部的抗裂性能；（二）焊接接头背面坡口根部半径大于正面坡口根部半径，利于焊接反面清根将正面焊缝根部及其缺陷彻底清除且清根量少；（三）正反面坡口深度比例适中，坡口角度适中，正、反面坡口宽度近似相等，利于焊接角变形的控制及控制适当的焊缝填充量；（四）钝边厚度薄、根部半径大，采用超低氢型焊条电弧焊作打底焊时，利于根部焊道的成型控制及保证其熔合质量。
二、焊前准备，方法为：
①将焊接坡口及两侧各20mm范围内的氧化皮、锈蚀、油脂、水等杂质彻底清理干净，并打磨露出金属光泽；
②对焊条及焊剂烘干，烘干温度350～400℃，烘干时间1～2h；
③焊接接头定位装配，定位焊采用焊条电弧焊，定位焊前应预热至150～180℃，定位焊缝应距焊缝端部30mm以上，定位焊缝长50～70mm，间距300～500mm，定位焊缝厚度3～5mm，定位焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣、焊瘤等焊接缺陷，否则应在正式焊前清除、修磨、补焊，焊件装配焊接坡口根部间隙≤0.5mm；
④在焊接接头的端部焊接连接引弧板、引出板，其材质、焊接坡口与母材相同，长度大于80mm；
三、焊前预热
将焊接坡口及两侧各200mm范围内的焊接接头预热至150～180℃；可采用自动控温电加热法其加热设备为吴江市讯达电热电器科技有限公司产的型号为DWK-D型的电脑温控设备；
四、焊接
将钢板焊接从钢板厚度方向分为A、B、C、D、E五个焊接区，其中A焊接区的高度HA为自正面焊接坡口底部起向上6-10mm，B焊接区的高度为HB，满足HA+HB=2H/3；剩余部分的正面焊接坡口范围内为E焊接区；C焊接区范围为反面清根区域，即反面焊接坡口底部至正面焊接坡口底部之间的焊接坡口钝边，剩余部分的反面焊接坡口范围内为D焊接区；
针对SM490BN特厚钢，焊条选择为超低氢型焊条J507RH，埋弧焊丝H08MnMoA，焊剂HJ350。对于SM490BN特厚钢板焊接而言，用超低氢型焊条J507RH作为打底焊焊条，其工艺性能较低氢型焊条J507及CO2气体保护焊做打底焊优越，可有效降低根部焊道的气孔敏感性及裂纹敏感性，同时，其对焊前预热温度波动性的敏感性底；
确定确定焊接方法、焊接设备及工艺参数：焊接方法为超低氢型焊条电弧焊打底，埋弧焊填充、盖面的组合焊接工艺方法，具体工艺参数如下：
①超低氢型焊条电弧焊打底焊：电流140～165A，电压22～26V；逆变直流弧焊机型号ZX7-500S；②埋弧焊填充、盖面焊：电流500～600A，电压32～34V，焊接速度35～45cm/min；埋弧焊机型号MZ-1250；
③热处理工艺参数：升温速度55℃/h，保温温度620±20℃，保温时间3.1h，降温速度55℃/h，降温至300℃后空冷；
具体焊接方法为：
①对正面焊接坡口的A焊接区进行打底焊：正面焊接坡口采用超低氢型焊条进行打底焊，打底焊2～3遍，焊缝厚度6～10mm；
②对正面焊接坡口的B焊接区填充焊：采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对正面焊接坡口进行填充焊，从打底焊道熔合质量差的一侧开始排道焊，焊道呈鱼鳞状排列，当填充焊至正面焊接坡口深度的2/3后立即将焊件起吊翻身；
③对C焊接区清根：采用碳弧气刨，碳棒为圆形截面，直径为6mm，对反面焊接坡口进行反面清根，反面清根应沿坡口面逐层向下进行刨除，观察坡口熔合线位置处，保证全部清除根部缺陷，同时，清根时必须注意是否有焊接裂纹。清根刨槽不能存在死角或折角，刨槽应形成夹角大于20°的U型状，根部半径应不小于8mm，且与原反面坡口表面平整过渡，刨槽应利于焊接施工，并打磨清理刨槽，至露出金属光泽为宜；
④对反面焊接坡口填充及盖面焊：
采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对C焊接区和D焊接区进行填充、盖面焊，反面焊接坡口盖面焊完毕后立即将焊件起吊翻身；
⑤对正面焊接坡口的E区域填充、盖面焊：采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对正面焊接坡口进行填充、盖面焊；
⑥焊后热处理：焊接完毕后，采用自动控温电加热法对焊接接头立即进行消应力热处理；方法为，焊缝冷却至180℃前开始加热进行热处理，采用自动控温电加热法，加热设备采用吴江市讯达电热电器科技有限公司产生产的DWK-D型电脑温控设备，热处理工艺参数：升温速度55℃/h，保温温度620±20℃，保温时间3.1h，降温速度55℃/h，降温至300℃后空冷。
五、质量验收：冷却24h后，进行焊缝外观质量及超声波无损检测验收。
所述的步骤四中的多层多道焊技术单道焊层厚度不大于6mm，宽度不大于16mm，层层清理、层层检查，上一层焊道清理并检查合格后方可进行下一焊道的施工；所述的步骤四中的超低氢型焊条电弧焊打底焊采用短弧焊接，摆动，首层打底焊道时焊条应对准焊接坡口根部间隙；
所述的步骤四中的多层多道焊技术层间温度180～250℃，若焊缝过长，难以控制层间温度，则采用火焰加热温度补偿器跟随加热以补偿温度损失，所述的火焰加热温度补偿器包括变径管6、导管和火焰喷嘴1，变径管6的大口端与进气嘴8相连通，变径管6的小口端经导管装有水平的排管2，排管2上设置有均布的火焰喷嘴1，导管包括相连通的第一导管5和第二导管4，第一导管5的进气端与变径管6的小口端相连通，第一导管5的出气端经第二导管4侧壁上的进气口与第二导管的内腔相连通，第二导管的两端的出气口上分别装有水平的排管，排管上设置有均布的火焰喷嘴1，进气嘴、变径管、第一导管、第二导管、排管和火焰喷嘴整体形成一个气流通路，其中，火焰喷嘴1直径小于排管2的直径，第二导管4的直径小于排管2的直径，可燃气体通过进气嘴8进入气流通路，气体依次通变径管、第一导管、第二导管、排管从火焰喷嘴1喷出，共经过三次变径，可确保火焰喷嘴1气体出口流速的稳定；使用时，长焊缝焊接采用多台焊机均布同步焊接，各焊机焊接工艺参数相同、焊接方向相同，焊机均布，焊机焊接行进中，采用火焰加热温度补偿器跟随加热补偿温度，以控制层间温度符合工艺要求，可大大善厚钢板超长焊缝的工艺焊接性；所述的变径管6的大口端上装有封板7，进气嘴8固定在封板7上并与变径管6的内腔相连通；所述的排管2的两端分别装有用于固定排管管体的支撑端板3。
由上述可以清楚的看出，本发明方法简单，焊接坡口设计较相关焊接标准推荐的焊接坡口的工艺性优越，设计背面坡口根部半径大于正面坡口根部半径4～5mm及坡口钝边厚度3～4mm，大大降低了背面清根难度，确保根部缺陷能较容易的被清除且清根量小；设计正面坡口根部较标准焊接坡口根部半径大及减小了焊接坡口标准钝边厚度，降低了正面根部焊缝的成型控制难度。同时，在焊接施工中，火焰加热温度补偿器跟随加热补偿温度的工艺措施，有效减缓了温度降低速度，降低了层间温度的控制难度。焊接坡口的改进设计合理、可靠，非常适用于普通国产单丝埋弧焊机，实用性广泛；采用超低氢型焊条电弧焊作为打底焊工艺及埋弧焊填充、盖面焊的组合焊接工艺，综合了两种工艺的焊接优越性；采用上述工艺，每次试验二十道焊缝，钢板厚度160mm，共40m长，循环试验5次，试验焊缝超声波探伤一次合格率达100%（探伤检测等级：GB11345检测标准，B级检验，Ⅰ级合格）；本发明经实际推广应用，随机统计焊缝长度600m，钢板厚度120～160mm，焊缝超声波探伤一次合格率达98.7%；本发明方法大大改善了特厚钢板工艺焊接性，使特厚钢板焊接质量得到了控制，提高了特厚钢板对接焊缝探伤一次合格率，可广泛应用于厚度为60～300mm的低合金高强度结构钢特厚钢板的焊接施工，具有良好的技术效益、经济效益和社会效益。

Claims (5)

1.一种特厚钢板焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、加工焊接坡口
在待焊接两钢板的焊口边缘沿长向2倍板厚度再加30mm的长度范围进行100%UT检测，预防夹层或疏松的缺陷，放样制作坡口样板，采用刨边机加工制作焊接坡口，所述的焊接坡口为双面不对称U形焊接坡口，正、反坡口角度均为α=22～24°，焊接坡口钝边厚度p=3～4mm，正面焊接坡口根部半径R1=8～10mm，反面焊接坡口半径R2=12～14mm，反面焊接坡口半径R2大于正面焊接坡口根部半径R1，且R2-R1=4～5mm，正面坡口深度为H=2（δ-p）/3，其中δ为钢板的厚度，根部间隙b≤0.5mm；
二、焊前准备，方法为：
①将焊接坡口及两侧各20mm范围内的氧化皮、锈蚀、油脂、水彻底清理干净，并打磨露出金属光泽；
②对焊条及焊剂烘干，烘干温度350～400℃，烘干时间1～2h；
③焊接接头定位装配，定位焊采用焊条电弧焊，定位焊前应预热至150～180℃，定位焊缝应距焊缝端部30mm以上，定位焊缝长50～70mm，间距300～500mm，定位焊缝厚度3～5mm，定位焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣和焊瘤，否则，应在焊前清除、修磨、补焊；
④在焊接接头的端部焊接连接引弧板、引出板，其材质、焊接坡口与母材相同，长度大于80mm；
三、焊前预热
将焊接坡口及两侧各200mm范围内的焊接接头预热至150～180℃；
四、焊接
将钢板焊接从钢板厚度方向分为A、B、C、D、E五个焊接区，其中A焊接区的高度HA为自正面焊接坡口底部起向上6-10mm，B焊接区的高度为HB，满足HA+HB=2H/3；剩余部分的正面焊接坡口范围内为E焊接区；C焊接区范围为反面清根区域，即反面焊接坡口底部至正面焊接坡口底部之间的焊接坡口钝边，剩余部分的反面焊接坡口范围内为D焊接区；具体方法为：
①对正面焊接坡口的A焊接区进行打底焊：正面焊接坡口采用超低氢型焊条进行打底焊，打底焊2～3遍，焊缝厚度6～10mm；
②对正面焊接坡口的B焊接区填充焊：采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对正面焊接坡口进行填充焊，从打底焊道熔合质量差的一侧开始排道焊，焊道呈鱼鳞状排列，当填充焊至正面焊接坡口深度的2/3后立即将焊件起吊翻身；
③对C焊接区清根：采用碳弧气刨，碳棒为圆形截面，直径为6mm，对反面焊接坡口进行反面清根，反面清根应沿坡口面逐层向下进行刨除，观察坡口熔合线位置处，保证全部清除根部缺陷；
④对反面焊接坡口填充及盖面焊：
采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对C焊接区和D焊接区进行填充、盖面焊，反面焊接坡口盖面焊完毕后立即将焊件起吊翻身；
⑤对正面焊接坡口的E区域填充、盖面焊：采用埋弧焊，利用多层多道焊技术对正面焊接坡口进行填充、盖面焊；
⑥焊后热处理：焊接完毕后，采用自动控温电加热法对焊接接头立即进行消应力热处理。
2.根据权利要求1所述的特厚钢板焊接方法，其特征在于，所述的步骤四中的多层多道焊技术单道焊层厚度不大于6mm，宽度不大于16mm，层层清理、层层检查，上一层焊道清理并检查合格后方可进行下一焊道的施工。
3.根据权利要求1所述的特厚钢板焊接方法，其特征在于，所述的步骤四中的多层多道焊技术层间温度180～250℃，若焊缝过长，难以控制层间温度，则采用火焰加热温度补偿器跟随加热以补偿温度损失，所述的火焰加热温度补偿器包括变径管（6）、导管和火焰喷嘴（1），变径管（6）的大口端与进气嘴（8）相连通，变径管（6）的小口端经导管装有水平的排管（2），排管（2）上设置有均布的火焰喷嘴（1），导管包括相连通的第一导管（5）和第二导管（4），第一导管（5）的进气端与变径管（6）的小口端相连通，第一导管（5）的出气端经第二导管（4）侧壁上的进气口与第二导管的内腔相连通，第二导管的两端的出气口上分别装有水平的排管，排管上设置有均布的火焰喷嘴（1），进气嘴、变径管、第一导管、第二导管、排管和火焰喷嘴整体形成一个气流通路，其中，火焰喷嘴（1）直径小于排管（2）的直径，第二导管（4）的直径小于排管（2）的直径，可燃气体通过进气嘴（8）进入气流通路，气体依次通变径管、第一导管、第二导管、排管从火焰喷嘴（1）喷出，共经过三次变径，可确保火焰喷嘴（1）气体出口流速的稳定；使用时，长焊缝焊接采用多台焊机均布同步焊接，各焊机焊接工艺参数相同、焊接方向相同，焊机均布，焊机焊接行进中，采用火焰加热温度补偿器跟随加热补偿温度，以控制层间温度符合工艺要求，可大大善厚钢板超长焊缝的工艺焊接性。
4.根据权利要求1所述的特厚钢板焊接方法，其特征在于，所述的步骤四中的超低氢型焊条电弧焊打底焊采用短弧焊接，摆动，首层打底焊道时焊条应对准焊接坡口根部间隙。
5.根据权利要求1所述的特厚钢板焊接方法，其特征在于，所述的特厚钢板为厚度为60～300mm的SM490BN钢板。
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