CN112935602A - 一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，包括如下步骤：步骤S1：准备接头：在待焊接超厚板上加工出Y型坡口；步骤S2：安装焊接设备：铺设导轨、安放小车、装载焊接材料等；步骤S3：安装加热设备：在厚板下正对接头出铺设燃气管道和点火装置；步骤S4：预热：以不高于100℃/h速度将坡口加热到250~280℃，保温2~3h；步骤S5：打底焊：用大电流、大电压打底一层，确保完全熔透，冷至250℃以下再脱渣；步骤S6：后热：加热接头至200℃保温2~3h；步骤S7：填充焊：调整参数重复5、6步，填满坡口；本发明得到的超厚板焊件变形量小，接头质量好，施工过程中不需要翻身，热影响区未见脆化和软化现象，有较好的实用性和经济价值。

Description

一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体为一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法。

背景技术

在我国钢材品种体系中，厚度大于60mm的钢板可称超厚板。这类板材广泛应用于船舶、桥梁和压力容器的制造。当前轧钢厂出产的成品厚钢板最大可达3.2m×12m，直观看来这是非常大的面积，但也难以满足某些大型构件的制造。现阶段很多压力容器，如大型锅炉、大型造纸烘缸等，壳体制造采用的方法普遍是多板圆周布置、纵向焊接。焊后在壳体上将形成4~6条甚至更多的焊缝。如果焊接工艺不够合理，将致生产成本过高，甚至达不到产品预先的设计要求。

埋弧焊是目前成熟焊接工艺中熔敷效率最高的焊接方法，兼有自动化水平高、工人施工环境好、保护效果好等优点，在厚板焊接领域已经得到了多年的应用。如果能合理选用埋弧焊接材料、焊接参数与焊接热处理工艺，将可以完成大尺寸超厚板的焊接，形成韧性好、抗氢致脆化、抗裂纹、抗疲劳的焊缝，同时避免焊接热影响区脆化和软化，提高焊接产品的质量。

目前，我国在大尺寸超厚板焊接领域主要存在的技术不足在于：

①缺乏成熟的预热、保温、后热工艺流程。由于大尺寸超厚板具有升温慢、冷速快的特点，焊接热处理工艺不合理将导致热影响区脆化、软化，严重影响焊接成品的抗疲劳性能，进而影响产品使用寿命。

②对于超厚板的焊接，通常需要开X型或T型坡口，焊接过程中多次翻身施焊。但这种方法不适用于大尺寸板的焊接，否则需要配套设计超大型的翻身工装。提高制造成本、降低工人安全性。

因此，设计一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，具有不需要翻身或少翻身，焊缝力学性能好的特点；同时，也可以避免热影响区脆化和软化的，以满足大型船舶、桥梁及压力容器的制造需求。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，包括以下步骤：

步骤S1：准备接头：采用气割或切削的方法，在待焊接头加工出Y形坡口，坡口角度60°±5°，坡口深度为板厚δ-(2～4mm)，钝边2～4mm，接头间隙1～2mm；

步骤S2：安装焊接设备：在待焊板上表面架设轨道，在轨道上安放焊接小车，确保导电嘴正对坡口中心线，小车运行轨迹与接头平行；在小车上装载焊丝、焊剂；

焊丝和焊剂有如下要求：

表1 焊丝成分要求（质量分数，%）

在实际操作中使用直径4mm的实心焊丝，表面镀铜；施焊以前，焊丝表面需要严格除污、去锈，以尽量减少焊缝中H、O元素的含量；

焊剂的相关要求如下：

表2 焊剂化学成分及含量（质量分数，%）

该焊剂以水玻璃为粘结剂，烧结而成；在实际操作中筛取20~60目的颗粒用于焊接；使用前，焊剂含水量不应超过0.1%，机械夹杂物，如砂粒、金属熔滴颗粒等含量不应超过0.3%；

生产前对焊丝和焊剂的S、P含量必须严格检查，以免诱发热裂纹；

步骤S3：安装加热设备：在板材下方正对于接头的位置铺设燃气管道，燃焰口正对接头下表面；采用燃气放热进行焊接热处理；

步骤S4：预热：启动加热设备，以不超过100℃/h的速度将坡口加热到250~280℃，当检测到接头上表面温度超过250℃时，调节加热设备保温2~3h；由于燃气加热控制不便，为了防止升温速度过快，可以采用断续加热的方法；即加热20~30分钟后，熄焰10~15分钟；

步骤S5：打底焊：焊前关停加热设备，迅速施焊；调节焊接参数到规定范围，启动焊接小车，完成第一整道的焊接；焊后不立即脱渣，在空气中冷却，待渣壳表层温度下降到250℃以下，使用小锤敲击渣壳和焊缝，用手持角磨机打磨熔敷合金表层使之光亮，确保渣壳完全脱去；

步骤S6：后热处理：每焊完一道都要进行此步骤，即启动加热设备，将焊缝整体温度加热到200℃左右，并保温2~3h；

步骤S7：填充焊：调节焊接参数到规定范围，再次启动堆焊小车，多次重复上述步骤S5、S6直至充分完成坡口的填充；

步骤S8：整体热处理：以消应力退火的方法进行，加热焊缝到200℃左右，保温3~4小时，空气中冷却；若条件允许可以焊件整体加热；

步骤S9：焊后检测：使用超声波和磁粉无损探伤，重点关注是否存在过大的裂缝、夹渣等缺陷。

作为本发明进一步的方案：使用的板材推荐为低合金高强钢，如Q345R，正火或热轧态交货；厚度150~200mm。

作为本发明进一步的方案：所述步骤S5和步骤S7中，所述的焊接参数范围包含如下内容：

表3焊接参数

打底焊时采用大电流、大电压，是为了确保完全焊透，调节焊接参数时不宜太接近上限，避免熔穿钢水滴落。

作为本发明进一步的方案：若所述步骤5中发现需要焊接的焊道过长，未结束则焊缝起始点已经冷至250℃以下，则视起始点冷至规定温度为一道终点，采用断续焊接。

作为本发明进一步的方案：若发现焊后板件翘曲变形超过设计要求，可以采用在接头两边施加重物进行约束或焊前设置反变形量的方法减小变形。

本发明的有益效果：

1、当前我国对超过150mm的大尺寸超厚板焊接研究得并不充分，本发明提供的工艺适用于150~200mm的超厚板对接，为相关领域提供了新的思路。

2、本发明提供的工艺具有不需要焊件翻身特点，大大简化了生产制造配套的机械设计，提高了施工现场的安全性。

3、本发明提供的工艺合理选用焊接材料，得到的焊缝填充金属韧性、延展性好，不易发生冷裂纹；严格控制焊剂中S、P含量，不易发生热裂纹。

4、本发明的工艺步骤5中，不覆盖保温材料而空冷，有效防止了焊接热影响区粗晶脆化和晶粒过分长大导致的软化。

5、本发明的工艺步骤5中，打磨熔敷金属表面确保完全脱渣，可以防止出现层间夹渣，使焊缝具有较强的疲劳强度。以250℃为起点，有效控制层间温度在200℃以上，防止出现淬硬组织，可避免M-A组元脆化。

6、本发明的工艺步骤6中，后热处理可以减少焊缝中氢元素的含量，防止发生氢致延迟开裂。

7、本发明的工艺步骤8中，合理选用焊后热处理温度，即避免了晶粒长大，又可消除残余应力，使焊件不易变形、维持现有力学性能。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的坡口示意图；

图2为本发明的焊接成品剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例 1：

如图1-2所示，一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，用本发明提供的工艺将两片半径2.5m，厚度170mm的半圆形钢板对接成圆形，钢板材质是Q345R，具体包括如下步骤：

步骤S1: 准备接头：采用气割或切削的方法，在待焊接头加工出 Y 形坡口，坡口角度 60°±5°，坡口深度板厚δ-(2～4mm)，钝边 2～4mm，接头间隙 1～2mm，如图 1 所示；本实施例优选气割切出坡口，再手持角磨机打磨至坡口表 面光亮；

步骤S2：安装焊接设备：在待焊板上表面架设轨道，在轨道上安放焊接小车，确保导电嘴正对坡口中心线，小车运行轨迹与接头平行；在小车上装载焊丝、焊剂；

焊丝和焊剂有如下要求：

表1 焊丝成分要求（质量分数，%）

在实际操作中使用直径4mm的实心焊丝，表面镀铜；施焊以前，焊丝表面需要严格除污、去锈，以尽量减少焊缝中H、O元素的含量；

焊剂的相关要求如下：

表2 焊剂化学成分及含量（质量分数，%）

该焊剂以水玻璃为粘结剂，烧结而成；在实际操作中筛取20~60目的颗粒用于焊接；使用前，焊剂含水量不应超过0.1%，机械夹杂物，如砂粒、金属熔滴颗粒等含量不应超过0.3%；

生产前对焊丝和焊剂的S、P含量必须严格检查，以免诱发热裂纹；

步骤S3：安装加热设备：在板材下方正对于接头的位置铺设燃气管道，燃焰口正对接头下表面；采用燃气放热对焊道进行预热和后热，本实施例优选采用丙烷作为燃气；

步骤S4：预热：启动加热设备，以不超过100℃/h的速度将坡口加热到250~280℃，当检测到接头上表面温度超过250℃时，调节加热设备保温2~3h；由于燃气加热控制不便，为了防止升温速度过快，可以采用断续加热的方法；即加热20~30分钟后，熄焰10~15分钟，预热可以缓解焊接热应力；

步骤S5：打底焊：焊前关停加热设备，迅速施焊；调节焊接参数到规定范围，启动焊接小车，完成第一整道的焊接；焊后不立即脱渣，在空气中冷却，待渣壳表层温度下降到250℃以下，使用小锤敲击渣壳和焊缝，用手持角磨机打磨熔敷合金表层使之光亮，确保渣壳完全脱去，避免层间夹渣，可以提高焊缝金属的疲劳强度；空冷可以有效防止焊接热硬性区粗晶脆化和晶粒过分长大导致的软化；以250℃为打磨施工起点，有效控制层间温度在200℃以上，防止出现淬硬组织，可避免M-A组元脆化；

步骤S6：后热处理：每焊完一道都要进行此步骤，即启动加热设备，将焊缝整体温度加热到200℃左右，并保温2~3h；后热可以缓解焊接热应力，但更重要的是可以促使焊缝中氢元素扩散，防止发生氢致脆化；

步骤S7：填充焊：调节焊接参数到规定范围，再次启动堆焊小车，多次重复上述步骤S5、S6直至充分完成坡口的填充；

步骤S8：整体热处理：以消应力退火的方法进行，加热焊缝到200℃左右，保温3~4小时，空气中冷却；焊后接头截面如图2所示；

步骤S9：焊后检测：使用超声波探伤检查是否存在气孔、夹渣；磁粉探伤检查是否存在裂纹，结果表明，焊缝中不存在裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊缝1级合格；本实施例优选额外进行切样检测，打点测试热影响区硬度，未发现明显软点；

优选地，步骤S5和步骤S7中的焊接参数范围包含如下内容：

表3焊接参数

打底焊时采用大电流、大电压，是为了确保完全焊透，调节焊接参数时不宜太接近上限，避免熔穿钢水滴落。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：准备接头：采用气割或切削的方法，在待焊接头加工出Y形坡口，坡口角度60°±5°，坡口深度为板厚δ-(2～4mm)，钝边2～4mm，接头间隙1～2mm；

步骤S2：安装焊接设备：在待焊板上表面架设轨道，在轨道上安放焊接小车，确保导电嘴正对坡口中心线，小车运行轨迹与接头平行；在小车上装载焊丝、焊剂；

焊丝和焊剂有如下要求：

表1 焊丝成分要求（质量分数，%）

在实际操作中使用直径4mm的实心焊丝，表面镀铜；施焊以前，焊丝表面需要严格除污、去锈，以尽量减少焊缝中H、O元素的含量；

焊剂的相关要求如下：

表2 焊剂化学成分及含量（质量分数，%）

该焊剂以水玻璃为粘结剂，烧结而成；在实际操作中筛取20~60目的颗粒用于焊接；使用前，焊剂含水量不应超过0.1%，机械夹杂物，如砂粒、金属熔滴颗粒等含量不应超过0.3%；

生产前对焊丝和焊剂的S、P含量必须严格检查，以免诱发热裂纹；

步骤S3：安装加热设备：在板材下方正对于接头的位置铺设燃气管道，燃焰口正对接头下表面；采用燃气放热进行焊接热处理；

步骤S4：预热：启动加热设备，以不超过100℃/h的速度将坡口加热到250~280℃，当检测到接头上表面温度超过250℃时，调节加热设备保温2~3h；由于燃气加热控制不便，为了防止升温速度过快，可以采用断续加热的方法；即加热20~30分钟后，熄焰10~15分钟；

步骤S5：打底焊：焊前关停加热设备，迅速施焊；调节焊接参数到规定范围，启动焊接小车，完成第一整道的焊接；焊后不立即脱渣，在空气中冷却，待渣壳表层温度下降到250℃以下，使用小锤敲击渣壳和焊缝，用手持角磨机打磨熔敷合金表层使之光亮，确保渣壳完全脱去；

步骤S6：后热处理：每焊完一道都要进行此步骤，即启动加热设备，将焊缝整体温度加热到200℃左右，并保温2~3h；

步骤S7：填充焊：调节焊接参数到规定范围，再次启动堆焊小车，多次重复上述步骤S5、S6直至充分完成坡口的填充；

步骤S8：整体热处理：以消应力退火的方法进行，加热焊缝到200℃左右，保温3~4小时，空气中冷却；若条件允许可以焊件整体加热；

步骤S9：焊后检测：使用超声波和磁粉无损探伤,重点关注是否存在过大的裂缝、夹渣等缺陷。

2.根据权利要求1所述的用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，其特征在于，使用的板材推荐为低合金高强钢，如Q345R，正火或热轧态交货；厚度150~200mm。

3.根据权利要求1所述的用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，其特征在于，所述步骤S5和步骤S7中，所述的焊接参数范围包含如下内容：

表3焊接参数

打底焊时采用大电流、大电压，是为了确保完全焊透，调节焊接参数时不宜太接近上限，避免熔穿钢水滴落。

4.根据权利要求1所述的用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，其特征在于，若所述步骤5中发现需要焊接的焊道过长，未结束则焊缝起始点已经冷至250℃以下，则视起始点冷至规定温度为一道终点，采用断续焊接。

5.根据权利要求1所述的用于大尺寸超厚板的埋弧焊接方法，其特征在于，若发现焊后板件翘曲变形超过设计要求，可以采用在接头两边施加重物进行约束或焊前设置反变形量的方法减小变形。

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