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悬索桥特厚异种板焊接技术探究

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摘要:针对悬索桥特厚异种板焊接难度大的特点,优选CO2气体保护焊焊接方法,结合产品焊后热处理特点,匹配合适焊材,辅以合理的焊接工艺参数及焊接顺序,成功地保证了特厚异种板的焊接质量要求。

关键词:悬索桥;特厚异种板;焊接工艺;热处理

近年来我公司承接悬索桥核心受力部件产品中,遇到越来越多的特厚板的焊接,主要是铸钢件和钢板的异种材料焊接[1],母材的主要材料为ZG270-480H和Q345R。钢板的厚度在50~200mm之间,其中200mm铸钢件和180mm钢板的焊接在公司属于首次。考虑索桥核心受力部件现场低温动载的特殊使用场景,针对异种材料特厚板焊接,认真研究焊接方法和工艺,并采取了相应的工艺保证措施,实现了特厚板技术的突破。

1工艺技术难点分析

ZG270-480H的碳当量CE≤0.46%,符合GB/T7659—2010;Q345R的碳当量CE≤0.48%。两种材质相对来说,ZG270-480H的P、S杂质允许含量较高,有淬硬性倾向,极易产生冷裂纹。Q345R的P、S杂质允许含量较低,淬硬性较小。同时又是特厚板焊接,加上结构本身具有的极大拘束度,同时铸钢中有部分铸造残余应力,上述因素都增加焊接冷裂纹的敏感性。Q345R为热轧钢板,组织较为致密,组织状态良好,由于钢板厚度为180mm,为特厚钢板,尤其对于T型焊接接头,超过临界点的应力作用在板厚方向时,容易造成层状撕裂[2-4]。根据产品的结构特点,特厚板连接需要全熔透焊接,因此焊缝形式主要为坡口焊接,并且考虑空间操作受限问题。一般为单面坡口,坡口深度深,填充焊材熔敷金属量大,焊接时间长,热输入总量高,构件施焊时焊缝拘束度高,焊接残余应力大,焊后应力和变形大,焊接施焊过程中,易产生冷裂纹。同时,考虑到产品结构的复杂性,大部分焊缝无法实现自动化焊接。特厚板焊接,尤其是200mm铸钢件和180mm钢板的对接焊是首次应用,如何优选合适的焊接方法,同时匹配高效率的工艺控制手段,保证低成本、高质量的产品,提出了严峻的挑战。

2焊接方法

选择可应用在特厚板焊接的方法有埋弧自动焊、手工电弧焊、CO2气体保护焊等,下面对这些焊接方法进行分析。埋弧自动焊在打底层焊接时存在清渣困难,焊前准备时间长,焊剂需要进行烘干处理,焊接过程中焊缝对中难度大,适用于长直并且操作空间开阔的平位焊接焊缝。对于一些形状复杂,不是平位焊接的焊缝,埋弧焊无法实现焊接。手工电弧焊一般采用焊条进行焊接,焊条长度一般为350~450mm,每根焊条焊接完毕,需要重新装夹焊条,中间需要预留准备和装夹焊条时间,无法实现长时间的连续焊接,焊接效率低,不适用于厚板及特厚板的焊接。CO2气体保护焊由于能形成窄而深的焊缝,电弧加热集中,受热面积较小。加上CO2气体的冷却作用,可减少焊接应力和变形。相对手工电弧焊来说,可连续送丝,中间不间断,焊接效率高,一般焊接速度大于25m/h,操作简单,CO2来源广,综合成本较低。CO2气体保护焊为明弧操作,施焊部位可见度好,便于焊缝对中,同时抗气孔能力强,对油锈敏感性低[5-6],便于焊接操作。结合公司产品的实际特点,优选CO2气体保护焊进行特厚异种板的焊接。

3焊接工艺确定

3.1准备工作

焊接应由具有经劳动人事部门颁发注册的焊接技术等级证和上岗证的焊工或者技师担任。根据部件的结构特点,合理的布置焊缝坡口的形状,对于对接焊缝坡口,可以将坡口形式设置成1/3t、2/3t的不对称K型或者X型坡口(t为母材厚度),以便减小焊接变形。考虑到有时无法两面施焊,只能一面施焊的情况,需要设置成单面J型坡口来代替单面半V型坡口,同时背面辅以衬垫焊接,这样可以有效减少焊接熔敷填充量和焊接变形。条件允许时,在焊缝的开始端和结束端加150~180mm长、20mm厚的引弧板和熄弧板,以保证引弧和熄弧处容易出现的缺陷不在焊缝上。焊前将焊缝坡口及单侧25~30mm范围内的氧化皮、油污、铁屑、灰尘、水分等影响焊接质量的杂质彻底清除干净。应在室内进行焊接操作,如遇下雨、下雪、大雾和大风等天气情况,需要采取相应的保护措施。如气体保护焊时,现场风速超过2m/s,需要采取有效的防护措施后才可施焊。调整好气体流量,保证起弧前送气时间及熄弧后送气时间,一般2s为宜。尽量选择在平位焊接,可以有效的降低操作难度,保证焊缝质量。对于特厚板及其对应的碳当量来说,焊前必须对母材及坡口进行预热,一般采用火焰加热预热,预热温度为150~200℃,两侧焊缝均需加热,加热范围不小于板厚的1.5倍并且不小于100mm,测温点应设置在焊缝两侧不小于75mm处。火焰加热时正面测温应在火焰离开后进行。

3.2焊接过程

3.2.1焊接材料及规范考虑产品焊后需要进行热处理消应处理,同时结合母材的力学性能,优选焊材材料,经研究选择ER55-G(直径?1.2mm)焊丝作为焊接材料。ER55-G的化学成分见表1,ER55-G的力学性能见表2。保护气体为CO2,纯度≥99.9%,电源极性:直流反接。

3.2.2焊接顺序的确定以控制和减小焊接变形为原则,采用对称施焊,随时测量变形,随时根据变形情况调整。对于全熔透的不对称坡口焊缝,先焊接大坡口一侧的焊缝,焊接3~4道后,根据实际情况进行翻面清根,采用碳弧气刨方式进行,将根部缺陷全部清除干净,并用角磨机打磨下去1~2mm,去除渗碳层,保证气刨刨槽圆滑过渡,以便于焊接。待气刨侧焊接1/3厚度后,停止焊接,进行另一侧焊接,焊接到2/3厚度后,再进行气刨侧焊接,全部厚度焊接完成后再进行另一侧焊接,直到全部焊接完毕。最终保证两面的填充金属量基本一致,合理控制焊接变形。其它焊缝的焊接顺序原则:由中间向两侧对称焊接;先短后长焊接原则;先焊对接焊缝,后焊角焊缝;组焊结构合理的分配成各个组元,并进行合理的组对焊接;构件刚性最大的部位最后焊接;当已知载荷产生的应力时,先焊拉应力区,后焊剪应力区和压应力区。

3.2.3焊接要求及注意事项(1)由于特厚板在定位焊时,定位焊处容易造成局部过大的应力集中,产生冷裂纹造成破坏。采取的措施是特厚板在定位焊时,提高预热温度,加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。(2)在特厚板焊接过程中必须采取多层多道焊,通过前道焊缝对后道焊缝的“预热”过程及后道焊缝对前道焊缝的“后热处理”过程,焊接过程的应力分布状态得到有效改善。主要采用平焊,横焊位置的焊接严禁进行立焊焊接,焊接时严格控制焊枪的摆动幅度,最大允许摆动12mm,严格控制各层道之间的填充量,单道焊缝的厚度要求不大于5mm。(3)层间温度控制在150~200℃,采用红外线测温仪进行测定,降低冷却速度,保证扩散氢的溢出,减少焊接冷裂纹。(4)焊接时先焊深坡口一侧,施焊中除底层及面层外均应锤击消应,降低焊接残余应力。(5)禁止在母材坡口以外的地方进行焊接,如必须焊接,需要按照正式的焊接工艺评定的参数进行焊接,预热、层间温度与正式焊接等同。在割出临时构件如工艺拉筋时,避免伤及母材,如发生该种情况,则必须制定合理的修补工艺进行修补,并对修补处打磨圆滑过渡。(6)焊接过程中若发现裂纹、夹渣、未熔合、气孔、烧穿等缺陷时,应及时通知焊接检验人员并采取措施清除缺陷,同时采取合理的工艺进行补焊,但同一部位的补焊次数不得多于2次。(7)厚板对接焊后,应立即将焊缝及其两侧各100~150mm范围内的局部母材进行加热,采用电磁感应进行加热。加热温度到250~350℃后用石棉铺盖进行保温,保温2~6h后空冷。这样的后热处理可使因焊前清洁工作不当或焊剂烘焙不当而渗入熔池的扩散氢迅速逸出,防止焊缝及热影响区内出现氢致裂纹。

4焊后检验及消应热处理

待焊缝冷却到室温后,对焊缝外观进行100%检测,外观无缺陷。特厚板的超声检测应在焊后48h或更长时间进行。检测结果表明,均达到预期要求。为降低焊接残余应力,保证焊缝和热影响区的组织和性能,焊后进行退火消应热处理,在560±10℃保温4h,升温和降温速度≤60℃/h,进炉温度≤200℃,出炉温度≤250℃。

5结论

在悬索桥特厚异种板的焊接制作中,结合工艺技术难点,认真研究焊接方法和工艺,优选CO2气体保护焊,同时采取了相应的工艺保证措施,并执行严格的技术管理。成功完成200mm+180mm特厚异种板的焊接,保证了焊接质量,取得了显著的经济效益。填补了公司特厚异种板焊接的空白,对将来更大厚度的异种板的焊接提供了有益的参考。

参考文献

[1]石红昌,苏兰,黄安明.铸焊式主索鞍鞍体倒装装焊工艺研究[J].工程建设与设计,2018(1):130-132.

[2]王元清,周晖,石永久,等.钢结构厚板层状撕裂及其防止措施的研究现状[J].建筑钢结构进展,2004,12(5):26-34.

[3]戴为志.建筑钢结构焊接工程层状撕裂的产生机理及防止[J].焊接技术,2007,36(S1):27-30.

[4]史永吉,王辉,方兴,等.钢材层状撕裂及抗层状撕裂焊接接头的设计[J].中国铁道科学,2005,26(6):69-74.

[5]姜焕中.电弧焊及电渣焊[M].北京:机械工业出版社,1988.

[6]王震,郝延玺.气体保护焊工艺和设备[M].西安:西北工业大学出版社,1991.

作者:苏兰;石红昌;杨芙蓉;黄安明 单位:德阳天元重工股份有限公司

现代焊接杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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