本帖最后由 mechen 于 2014-1-1 11:22 编辑
0 前言 对于压力容器钢(碳钢、低合金钢)或钛/钢复合板筒体,施焊其纵、环焊缝时,埋弧焊无疑是一种优质、高效、劳动条件好、焊后处理简单的焊接方法。悬空埋弧焊由于辅助装备少、工序简单而成为焊接结构、容器制造中常用于8㎜以上厚度筒体长焊缝焊接的主要工艺。现用悬空焊工艺主要有两种:(1)直接大线能量双面悬空埋弧焊工艺:焊接热输入大,焊缝表面质量较差,接头韧性明显降低,对焊机性能要求高;(2)背面清根双面悬空埋弧焊工艺:背面清根,增加了工作量,使工作条件恶化,易造成夹渣或清渣困难,因而影响工作效率和接头质量。有必要寻找一种新的悬空埋弧焊工艺。 1 悬空埋弧焊工艺分析 悬空埋弧焊是一种不用任何衬托和辅助设备、装置的埋弧焊工艺方法,埋弧焊焊接电流大,电弧压力大,电弧穿透能力强,在无任何衬托和辅助装置情况下,易造成焊穿或液态金属流失;为防止焊穿,减小正面第一层焊接电流,造成第一层厚度减薄,在施焊背面第一层时,焊接电流受正面第一层厚度限制而无法增大,不能保证接头熔透,出现连续性中心未焊透、大气孔。其次,为排除未焊透、气孔等缺陷,须通过提高电弧穿透力来增加焊缝熔深,必须增加焊接电流,焊接电流增大时:一方面,若坡口较窄,限制了熔池扩展,熔池深度增加,电弧搅拌作用增强,熔渣卷入熔池不易上浮,同时,熔融金属过热,熔渣高温时间长,金属、渣界面处渣中阴离子长大,使熔渣质点移动困难,粘度增大,进一步阻碍了渣的浮出,渣与界面金属紧密结合,造成脱渣困难和夹渣;另一方面,电弧搅拌作用增强,熔渣高温存在时间长,强制冷却成型作用弱化,焊缝表面成型粗糙;尤其环缝焊接时,熔池运动结晶,焊缝尺寸更难控制,造成成型不良;其三焊丝熔化量增大,造成余高过高;同时,焊接大线能量条件下,焊缝、热影响区组织晶粒严重长大,使接头性能,尤其是韧性受到显著影响。如此,要改善悬空埋弧焊工艺应注意以下几方面问题:(1)降低每层热输入,保证接头性能。(2)保证焊透,防止焊穿、气孔、裂纹等缺陷产生;(3)改善表面成型,降低余高,提高焊缝表面质量;(4)背面不清根,减少层间清渣、打磨量,降低劳动强度,减少污染。考虑采用大坡口小钝边双面悬空埋弧焊工艺。 2焊接工艺 2.1 焊接工艺方法 采用大坡口,小钝边双面悬空埋弧焊工艺方法,直流反接。 2.2 母材 以厚度8㎜、10㎜、12㎜、14㎜、16㎜、18㎜、20㎜、22㎜等常用于压力容器的16MnR试板、筒体及其钛/钢复合板筒体焊缝焊接作为跟踪考察对象,进行工艺试验和参数优化。 2.3 坡口加工 机械加工方法进行试板或产品纵、环焊缝坡口加工,钛/钢复合板焊缝复层一侧应保证一定的剔边宽度,根据工件厚度,其接头坡口型式如图1所示: file:///E:/TEMP/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif (a)H=8、10㎜; file:///E:/TEMP/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif (b)H=12、14、16㎜; file:///E:/TEMP/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif (c)H=18、20、22㎜ 图 1接头坡口型式 2.4 焊接材料 选用H10Mn2焊丝配HJ431焊剂, 焊丝直径Φ3.2㎜Φ4㎜,焊剂焊前经250℃,2小时烘干。其化学成分如表1: 2.5 焊接工艺参数 开坡口工件焊接线能量相应不开坡口情况要小。第一层焊接电流选择应防止焊穿,即保证一定电流值,以保证熔化50%以上钝边;背面第一层
表1焊接材料化学成分(%) 焊材型号 化学成分 | H10Mn2 Fe C Mn Si P S Cu Ni Cr 余量 <0.12 1.50-1.90 <0.07 <0.035 <0.035 <0.020 <0.30 <0.20 HJ431SiO2 MnO CaF2 MgO CaO Al2O3 FeO P S H2O 其它 40-44 34-38 3-7 5-8 ≤6 ≤4 ≤1.8 0.080 <0.060 <0.1 <0.3 |
焊接时,焊接电流在防止焊穿的情况下尽可能大,以保证熔深,从而排除未焊透和气孔缺陷;其它道次焊接采用中等电流多层(道)次焊接。参数选择上应注意焊接电流(I)、电压(U)、和速度(V)匹配,其焊接工艺参数如表2: 2.6 接头组对及焊前准备 组对前,将坡口两侧各30㎜范围内钢表面锈皮打磨处理直至露出金属光泽。接头组对应保证错边量尽可能小,最大不超过1㎜,间隙小于0.5㎜;对错边量和间隙较大的接头部分,选用经 350℃,2小时烘干的E5015焊条进行打底焊。从埋弧焊施焊第一层背面进行点固和打底焊,打底金属厚度视间隙大小而定。焊前,接头区域用高压风吹除灰尘,适当方法清除焊接区水分和油污;焊丝伸出长度25-30㎜,始终保持焊丝与接头中心垂直,施焊环缝时根据筒体直径及参数,焊丝沿焊接反方向偏移 40-100㎜的偏移量。 3 试验及应用结果分析 利用以上试验参数进行埋弧焊试板及产品焊接。外观检查:焊缝表面成型良好,表面光亮均匀,无表面气孔、咬边等缺陷,焊缝尺寸能满足工艺、标准要求;RT射线检测:焊缝洁净,黑度均匀,纵缝一次合格率达99%,环缝一次合格率达到95%,合格焊缝均为一级片,不合格焊缝,焊接缺陷一般为中心未焊透、气孔,且缺陷明显;接头弯曲试验(α=180o,D=4t)试样全部合格,且多层焊接头弯曲试样侧面焊缝层次清晰,中间有细晶层;拉伸及焊缝冲击韧性试验结果如表3: 3.1 大坡口悬空埋弧焊有利于提高接头质量 大坡口悬空埋弧焊采用机加工制备坡口,坡口、钝边平整,洁净。组对前,坡口两侧各30㎜范围内钢面氧化皮打磨清理干净,焊前将坡口内水分、油污等杂质清理干净,保证了焊接区内无污物存在,排除了气孔来源。坡口、钝边规则平整,间隙、错边量易于控制,间隙能控制在≤0.5㎜,错变量能控制在≤1.0㎜,以保证接头中心母材金属厚度均匀性和间隙均匀性, 提高接头组对质量,有利于焊接过程中参数稳定。大坡口存在,一方面,保障电弧自由扩散,焊接层厚度减薄,有利于焊缝中气体和熔渣上浮;为熔化焊丝提供了去处,有利于降低焊缝余高;另一方面,电弧拘束度降低,焊穿的几率降低,焊接电弧能顺利达到坡口根部,随钝边减小,增大了一次焊透率,有利于焊接质量和效率的提高。钝边尺寸减小,单层焊接热输入减小,熔渣冷却加快,脱渣容易,熔渣强制成形作用凸现,焊缝成型优异。同时焊接参数的减小,熔宽、余高相应降低,减小钛复层的剔边宽度及焊接热输入对复层性能的影响。 3.2 接头性能 分析不同板厚的强度、弯曲试验结果,拉伸试样均从焊缝韧断,H10Mn2/HJ431所焊接头拉伸强度全部合格,高于16MnR材料要求的最低抗拉强 表2 大坡口双面悬空埋弧焊工艺参数 file:///E:/TEMP/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg 表3 力学性能试验结果 file:///E:/TEMP/msohtmlclip1/01/clip_image009.jpg 度490MPa;接头弯曲试样焊缝侧面层次清晰,中间焊道有明显的细晶层,弯曲试样全部合格,表明后焊道对前焊道具有较好的退火作用,接头具有较好的延性和致密性。随板厚增加,焊接层次增多,为保证焊透,相应增大焊接电流,焊接热输入增大,但电弧扩散,母材散热能力增强,焊接接头强度和弯曲性能并没有明显差别,因此,焊接热输入对接头强度和延性影响并不明显。 焊材对接头性能影响较为明显:表2中14㎜16MnR板材采用H08A/HJ431焊接材料焊接的接头强度明显低于H10Mn2/HJ431所焊接头强度,但韧性和塑性并无太大差别,说明工件开大坡口,根据熔合比θ=Fm/(Fm+FH)(θ-熔合比,Fm-母材金属在焊缝截面中所占比例,FH-填充金属在焊缝横截面中所占比例)[1], 随坡口角度增大,钝边减小,母材熔入焊缝金属的面积减少,填充金属熔入量增 大,即焊缝的熔合比降低。此时,焊缝的化学成分主要由填充金属决定,进而决定了接头的性能。H08A焊丝中合金元素含量低,H08A/HJ431焊接材料焊接时合金元素过渡不足,造成接头强度显著降低;采用H10Mn2/HJ431保证了Mn、Si的有效过渡,提高焊缝的脱氧能力,保证了接头的强度。 焊缝韧性方面,埋弧焊焊缝冲击韧性均较低,但高于标准要求,满足使用要求。同一规格,随焊接层次的减少,焊接热输入增大,焊缝和热影响区晶粒粗大,焊缝冲击韧性降低。从18㎜厚16MnR试板性能试验结果看:试板1钝边为8㎜,正反各焊一遍,试板2钝边为5-6㎜,正面焊一遍,背面焊两遍,试板1焊缝冲击韧性明显低于试板2,说明多层焊时,单层焊接热输入降低,且后焊道的退火作用,焊缝晶粒细化,焊缝冲击韧性提高。 3.3 有利于改善工作环境,降低劳动强度 大坡口双面悬空埋弧焊工艺,关键在正面第一层及背面第一层焊接电流的选择,如果焊接电流选择合适,焊接接头组对良好,焊接过程中利用埋弧焊大电流,熔池存在时间长,焊接适应性强的特点,焊接过程可实现不清根,不打磨。从而减少了工作人员清根、打磨时间,减少了车间灰尘量,减少了工序,节约了时间、材料,劳动力,提高了劳动效率,改善了环境。 4 结论 根据试验及生产应用情况可以看出: 1 大坡口双面悬空埋弧焊充分利用了埋弧焊焊接适应性强的特点,采用机械加工制备坡口,提高了组对质量,同时注意组对前清锈和焊前清理,提高了焊接过程的参数稳定性,排除气孔、夹渣、未焊透缺陷形成的可能性。 2 大坡口的存在,使电弧能自由扩散,熔池尺寸增大,在同样熔化速度下,焊接层厚度降低,有利于熔渣和气体上浮,减少了层间夹渣、清渣,降低焊缝余高; 3大坡口,小钝边,降低了单层热输入,焊接层次增加,焊接电弧能到达坡口根部,在不清根条件下,提高了一次焊透率,熔渣强制成形作用增强,改善焊缝外观成型,增加层间焊道退火作用,提高了接头质量和性能,减少清根,改善劳动条件,降低劳动强度。 4大坡口悬空埋弧焊,焊接材料对接头性能影响明显,应注意根据不同母材选用焊材,保证合金元素合理过渡,从而有效保证接头性能; 5 表明大坡口小钝边双面悬空埋弧焊工艺适于压力容器钢(碳钢、低合金钢)或钛/钢复合板筒体纵、环焊缝的焊接。
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