CN110560843B - 一种q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺 - Google Patents

一种q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，包括以下步骤：在焊接板材为Q420高强度钢厚板的焊接处加工V型焊接坡口；V型焊接坡口两侧的焊接板材采用卡码装配；通过半自动式CO2气体保护焊的方式在V型焊接坡口的两端分别焊接引弧板和熄弧板；在V型焊接坡口的背面安装配陶瓷衬垫，陶瓷衬垫中心正对V型焊接坡口中心后将斜铁卡在卡码和衬垫的间隙内以压紧陶瓷衬垫；在V型焊接坡口正面安装焊接导轨和焊接小车；调节焊枪，使焊枪与待焊工件表面呈5‑10°夹角，同时使焊枪的导电嘴端部与滑块中保护气体输出口下缘的垂直距离控制在20‑30mm；选用直径为1.6mm的药芯焊丝对焊接板材进行焊接。本发明能够实现气电立焊工艺在Q420高强度钢厚板上的应用。

Description

一种Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺
技术领域
本发明涉及高强度钢厚板焊接工艺，具体涉及一种Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺。
背景技术
随着桥梁、隧道等建筑的技术指标、寿命要求的提高，其承力的钢筋混凝土结构已经逐渐被高强度结构钢的设计结构所替代，设计采用的钢材也在朝着高强度大厚度方向发展。Q420是一种屈服强度级别大于等于420MPa的低合金高强度结构钢，已经被应用于桥梁建筑的钢箱梁结构、桁架结构，隧道建筑的钢壳结构等。
在Q420高强度钢厚板的焊接中，传统上采用半自动二氧化碳气体保护焊的焊接方式，焊接热输入较低，而且单道焊缝焊接填充量有限，无法实现一次成形焊接工艺，40mm厚的Q420高强度钢厚板通常需要进行20-25道多层多道焊，道间还要进行严格的清渣工作，以避免焊缝内部出现夹渣，严重阻碍了焊接效率的提高。
而气电立焊焊接过程中，熔融金属进入焊接坡口后，在背面陶瓷衬垫和正面铜滑块的约束下形成焊缝，实现单面焊双面一次成形，目前已经大量应用于厚度10-30mm船体结构钢DH36以下材质的焊接中。但是气电立焊焊接热输入较大，若是用于Q420高强度钢厚板焊接，容易引发烧穿现象，而且Q420高强度钢强度等级更高，在大热输入的气电立焊工艺下焊接接头力学性能难以满足要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，实现电立焊工艺在Q420高强度钢厚板上的应用。
本发明的技术方案是这样实现的：一种Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，包括以下步骤：
步骤1，在焊接板材为Q420高强度钢厚板的焊接处加工V型焊接坡口，其中V型焊接坡口的相应参数分别为：坡口的角度为22°-28°，根部间隙5-7mm；加工好后，对V型焊接坡口面及V型焊接坡口周围20-30mm范围内的氧化层及杂质进行清理；
步骤2，V型焊接坡口两侧的焊接板材采用卡码进行装配，其中卡码装配于V型焊接坡口的背面侧，卡码装配间距为300-400mm；
步骤3，通过半自动式CO2气体保护焊的方式在V型焊接坡口的两端分别焊接引弧板和熄弧板；其中，引弧板、熄弧板与焊接板材的材质、厚度、坡口尺寸相同；
步骤4，在V型焊接坡口的背面安装陶瓷衬垫，陶瓷衬垫中心正对V型焊接坡口中心后将斜铁卡在卡码和衬垫的间隙内以压紧陶瓷衬垫；
步骤5，在V型焊接坡口正面而且平行于V型焊接坡口的方向安装焊接导轨和焊接小车，其中铜滑块和焊枪连接循环水冷却系统；
步骤6，调节焊枪，使焊枪与待焊工件表面呈5-10°夹角，同时使焊枪的导电嘴端部与滑块中保护气体输出口下缘的垂直距离控制在20-30mm时，拧紧焊枪固定旋钮；然后将焊丝伸出导电嘴30-35mm，调节焊枪移动旋钮使焊丝端部位于V型焊接坡口坡口截面的重心位置；
步骤7，选用直径为1.6mm的药芯焊丝对焊接板材进行焊接，并且药芯焊丝的性能符合AWS A5.26焊材标准中EG82T-NM2的相应技术指标；焊接过程采用纯度为99.5％以上的CO2气体进行保护，其中保护气体流量为30-35L/min，焊接电流为340-360A，焊接电压为44-46V，焊接速度为2-3cm/min；并且焊丝摆幅控制在15-20mm之间，焊丝摆动过程中面部停留时间为0.25s，根部停留时间0-1s，焊丝干伸长度30-35mm；
步骤8，焊接结束后，待收弧端熔池金属凝固后再拆卸焊接小车。
进一步的，步骤2中，卡码装配采用单侧角焊焊接。
进一步的，步骤6中，焊枪与待焊工件表面的夹角为8°，焊枪的导电嘴端部与滑块中保护气体输出口下缘的垂直距离控制在30mm，焊丝伸出导电嘴35mm。
进一步的，步骤7中，焊接过程中，焊接熔池的液面始终距离保护气体出气口5-10mm。
进一步的，步骤7中，保护气体流量为30L/min。
进一步的，步骤7中，焊丝干伸长度为35mm。
进一步的，步骤7中，焊接速度为2.5cm/min。
进一步的，步骤7中，所用药芯焊丝的牌号为现代SC-EG3。
进一步的，Q420高强度钢厚板的厚度为38～40mm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过控制焊接坡口参数，采用合适的焊接材料，匹配合理的焊接参数，实现气电立焊工艺在Q420高强度钢40mm大厚板上的应用，相比传统的半自动式CO2气体保护焊，能够大幅提高焊接效率，节约生产周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为Q420高强度钢厚板的正面结构示意图；
图2为Q420高强度钢厚板的焊接坡口的结构示意图；
图3为Q420高强度钢厚板的卡码焊接结构示意图；
图4为气电立焊焊接的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1～图4，本发明实施方式公开了一种Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，具体应用于厚度为38-40mm的Q420高强度钢厚板，尤其是40mm的Q420高强度钢厚板，包括以下步骤：
步骤1，在焊接板材为Q420高强度钢厚板的焊接处加工V型焊接坡口，具体如图2所示；其中V型焊接坡口的相应参数分别为：坡口的角度为22°-28°，根部间隙5-7mm；加工好后，对V型焊接坡口面及V型焊接坡口周围20-30mm范围内的氧化层及杂质进行清理；
其中，V型焊接坡口面及V型焊接坡口周围20-30mm范围内的氧化层及杂质，包括铁锈、水分、油污或其他杂质等，其中，氧化层、铁锈的杂质可以采用机械打磨方式清理，水分、油污的杂质可以采用火焰烘烤去除。氧化层及杂质的清理，有利于防止在焊接过程中，V型焊接坡口附近的杂质焊入焊缝中，进而容易产生裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷；
本发明实施例中，坡口角度如果过大则焊材填充量增加，同时焊接热输入增加，不利于焊接接头性能。而坡口角度过小则焊枪无法深入焊接坡口，而且焊接电弧容易爬上焊接坡口，使焊接电弧对坡口根部的熔透能力受到限制，导致背面焊缝容易形成未焊透的焊接缺陷。
在加工V型焊接坡口时，可采用火焰切割方式、等离子切割方式或机械切削方式等方式进行加工。V型焊接坡口附近的杂质包括坡口处的氧化层、铁锈、水分或其他杂质等。
步骤2，V型焊接坡口两侧的焊接板材采用卡码进行装配，其中卡码装配于V型焊接坡口的背面侧，卡码装配间距为300-400mm，具体参加图3；
本发明实施方式中，焊接板材采用卡码进行装配，有利于防止钢板在焊接过程中发生变形而导致焊接坡口的角度、间隙发生变化以及钢板发生错边的现象。如图3所示，卡码装配在焊接坡口背面侧，一方面是由于卡码装在正面则焊接机头无法实施焊接，另一方面则是因为卡码装在背面也可以协助进行背面衬垫安装。
进一步的，卡码装配采用单侧角焊焊接，这是因为单侧角焊即可满足拘束力要求，焊双侧则增加卡码拆除时的工作量，增加工作人员负担。
步骤3，通过半自动式CO2气体保护焊的方式在V型焊接坡口的两端分别焊接引弧板和熄弧板；其中，引弧板、熄弧板与焊接板材的材质、厚度、坡口尺寸相同；
本发明实施例中，引弧板、熄弧板的长可为150mm左右，宽为150mm左右，并且引弧板、熄弧板也均为Q420高强度钢厚板，其厚度、坡口尺寸均与本发明实施方式中的焊接板材相同，能够有效保证正式焊缝焊接过程的稳定性，避免在正式焊缝始端和终端形成焊接缺陷。
具体的，引弧板、熄弧板的作用是将起弧点和收弧点引出正式焊缝，因为起弧点和收弧点焊接参数是不稳定的，容易形成焊接弧坑和其他缺陷；因此，采用引弧板、熄弧板焊接，并在焊后切除掉引弧板、熄弧板，可以避免具有焊接缺陷的起弧点和收弧点发生在正式焊缝中。
进一步的，引弧板和熄弧板焊接用的焊丝的性能满足AWS A5.20焊材标准中E81T1-K2CJ的技术要求。
步骤4，在V型焊接坡口的背面装配陶瓷衬垫，陶瓷衬垫中心正对V型焊接坡口中心后采用斜铁卡在卡码和衬垫的间隙内以压紧陶瓷衬垫，以避免衬垫在焊接过程中出现松动，具体参阅图3；
本发明实施方式中，所用陶瓷衬垫的牌号为TG-C1.80Z。但本发明并不限制在该牌号的陶瓷衬垫，焊接时工作人员可根据常规知识进行选择。
步骤5，在V型焊接坡口正面而且平行于V型焊接坡口的方向安装焊接导轨和焊接小车，其中铜滑块和焊枪连接循环水冷却系统，并确保冷却系统通畅；
具体的，在焊接时，控制导轨到焊接坡口的距离，使铜滑块、焊枪在焊接坡口的横向方向上具有合适的调节余度。
步骤6，如图4所示，调节焊枪，使焊枪与待焊工件表面呈5-10°夹角，同时使焊枪的导电嘴端部与水冷铜滑块中保护气体输出口下缘的垂直距离控制在20-30mm时，拧紧焊枪固定旋钮；然后将焊丝伸出导电嘴30-35mm，调节焊枪移动旋钮使焊丝端部位于V型焊接坡口坡口截面的重心位置；
步骤7，选用直径为1.6mm的药芯焊丝对焊接板材进行焊接，并且药芯焊丝的性能符合AWS A5.26焊材标准中EG82T-NM2的相应技术指标；焊接过程采用纯度为99.5％以上的CO2气体进行保护，其中保护气体流量为30-35L/min，焊接电流为340-360A，焊接电压为44-46V，焊接速度为2-3cm/min；并且焊丝摆幅控制在15-20mm之间，焊丝摆动过程中面部停留时间为0.25s，根部停留时间0-0.10s，焊丝干伸长度30-35mm；
本发明实施方式中，保护气体流量主要影响熔池的保护效果，过大过小都容易形成气孔；而焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊丝干伸长度主要影响焊接电弧状态，而且这些参数在一定的匹配程度下才能焊接；摆动幅度、停留时间主要影响热量分布和焊缝成形。经过实践表明，在对Q420高强度钢厚板进行气电立焊时，当参数在以上范围内时，可在Q420高强度钢厚板上实现气电立焊一次成形。
其中，EG82T-NM2是AWS A5.26里面的一种型号，AWS A5.26的标准中会规定焊丝的化学成分、强度、冲击韧性等技术指标；而不同厂家会根据该指标制造属于自己品牌的焊丝。而且本发明实施方式中，选用直径为1.6mm的药芯焊丝对焊接板材进行焊接，并且该药芯焊丝的性能符合AWS A5.26焊材标准中EG82T-NM2的相应技术指标。
具体的，所用的药芯焊丝为现代SC-EG3，直径优选为1.6mm。
焊接过程中，采用药芯焊丝气体保护焊，一方面保护气体对电弧进行保护，另一方面药芯焊丝受热融化形成焊渣，由于其密度远低于熔化金属而浮在熔化金属表面，从而形成保护层。
步骤8，焊接结束后，待收弧端熔池金属凝固后再拆卸焊接小车。
上述实施方式中，具体的，步骤7中，焊接过程做好焊接熔池的监控，及时调整焊接速度，使焊接熔池的液面距离保护气体出气口5-10mm，避免熔融金属堆积过高而溢出，影响焊缝成形；同时控制好焊枪位置，避免焊接电弧直接作用于焊接坡口面和铜滑块。
进一步的，步骤6中，焊枪与待焊工件表面的夹角优选为8°，焊枪的导电嘴端部与滑块中保护气体输出口下缘的垂直距离控制在30mm，焊丝伸出导电嘴35mm时，焊接效果较佳，所焊接出的焊缝成形较为美观且焊接接头力学性能较佳。
进一步的，步骤7中，当选用现代SC-EG3的药芯焊丝进行焊接，采用纯度为99.5％以上的CO2气体进行保护时，保护气体流量为30L/min，并且，焊丝导电咀到工件距离35mm；而焊接过程中，焊接速度控制在2.5cm/min。
本发明实施方式中，对其进行气电立焊一次成形焊接后的焊接接头进行无损检测和力学性能测试试验，具体的，是对焊接接头表面进行磁粉检测，并通过超声波检测焊缝内部质量是否合格，同时检测其焊接接头抗拉强度、焊接接头弯曲性能、焊接接头冲击韧性。
经过检测，40mm厚度Q420高强度钢厚板的气电立焊焊接接头中，抗拉强度检测结果、弯曲试验检测结果、冲击韧性检测结果分别如下所示：
焊接接头拉抗拉强度检测结果
试样编号 抗拉强度(MPa) 断裂位置
1-1 570 母材
1-2 567 母材
焊接接头弯曲试验检测结果
Figure BDA0002192465730000061
Figure BDA0002192465730000071
焊接接头冲击韧性检测结果
Figure BDA0002192465730000072
其中，上述表格中，WM表示焊缝中心位置，FL表示熔合线位置，FL+2表示距离熔合线2mm的热影响区位置，FL+5表示距离熔合线5mm的热影响区位置；面部为焊接接头后焊侧，距离试样表面2mm处。
从以上表格可以看出，Q420高强度钢厚板进行气电立焊一次成形焊接后的焊接接头力学性能满足《钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验》(GB/T 19869.1-2005)和CCS船级社《材料与焊接规范》要求，焊接工艺评定获得项目监理工程师认可。
综上所述，本发明通过控制焊接坡口参数，采用合适的焊接材料，匹配合理的焊接参数，实现气电立焊工艺在厚度为38～40mm的Q420高强度钢厚板上的应用，相比传统的半自动式CO2气体保护焊，不仅减少了焊接道次，还减少清渣工作量，还能够大幅提高焊接效率，节约生产周期。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在焊接板材为Q420高强度钢厚板的焊接处加工V型焊接坡口，其中V型焊接坡口的相应参数分别为：坡口的角度为22°-28°，根部间隙5-7mm；加工好后，对V型焊接坡口面及V型焊接坡口周围20-30mm范围内的氧化层及杂质进行清理；
步骤2，V型焊接坡口两侧的焊接板材采用卡码进行装配，其中卡码装配于V型焊接坡口的背面侧，卡码装配间距为300-400mm；
步骤3，通过半自动式CO2气体保护焊的方式在V型焊接坡口的两端分别焊接引弧板和熄弧板；其中，引弧板、熄弧板与焊接板材的材质、厚度、坡口尺寸相同；
步骤4，在V型焊接坡口的背面安装陶瓷衬垫，陶瓷衬垫中心正对V型焊接坡口中心后将斜铁卡在卡码和衬垫的间隙内以压紧陶瓷衬垫；
步骤5，在V型焊接坡口正面而且平行于V型焊接坡口的方向安装焊接导轨和焊接小车，其中铜滑块和焊枪连接循环水冷却系统；
步骤6，调节焊枪，使焊枪与待焊工件表面呈5-10°夹角，同时使焊枪的导电嘴端部与滑块中保护气体输出口下缘的垂直距离控制在20-30mm时，拧紧焊枪固定旋钮；然后将焊丝伸出导电嘴30-35mm，调节焊枪移动旋钮使焊丝端部位于V型焊接坡口坡口截面的重心位置；
步骤7，选用直径为1.6mm的药芯焊丝对焊接板材进行焊接，并且药芯焊丝符合AWSA5.26焊材标准中EG82T-NM2的相应技术指标；焊接过程采用纯度为99.5％以上的CO2气体进行保护，其中保护气体流量为30-35L/min，焊接电流为340-360A，焊接电压为44-46V，焊接速度为2-3cm/min；并且焊丝摆幅控制在15-20mm之间，焊丝摆动过程中面部停留时间为0.25s，根部停留时间0-0.10s，焊丝干伸长度30-35mm；
步骤8，焊接结束后，待收弧端熔池金属凝固后再拆卸焊接小车。
2.如权利要求1所述Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，步骤2中，卡码装配采用单侧角焊焊接。
3.如权利要求1所述Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，步骤6中，焊枪与待焊工件表面的夹角为8°，焊枪的导电嘴端部与滑块中保护气体输出口下缘的垂直距离控制在30mm，焊丝伸出导电嘴35mm。
4.如权利要求1所述Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，步骤7中，焊接过程中，焊接熔池的液面始终距离保护气体出气口5-10mm。
5.如权利要求1所述Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，步骤7中，保护气体流量为30L/min。
6.如权利要求1所述Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，步骤7中，焊丝干伸长度为35mm。
7.如权利要求1所述Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，步骤7中，焊接速度为2.5cm/min。
8.如权利要求1所述Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，步骤7中，所用药芯焊丝的牌号为现代SC-EG3。
9.如权利要求1～8任一所述Q420高强度钢厚板气电立焊一次成形焊接工艺，其特征在于，Q420高强度钢厚板的厚度为38～40mm。
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