厚板焊接低温焊接工艺设计.docx
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厚板焊接低温焊接工艺设计
6.12.2主要现场焊接工艺
6.12.2.1厚板焊接工艺
厚板多层焊时应连续施焊，每一焊道焊接完成后应及时清理焊渣及表面飞溅物，发现影响焊接质最的缺陷时，应清除后方可再焊。
在连续焊接过程中应控制焊接区母材温度，使层间温度的上、下限符合工艺文件要求。
遇有中断施焊的情况，应采取适当的后热、保温措施，再次焊接时重新预热温度应高于初始预热温度；
坡口底层焊道采用焊条手工电弧焊时宜使用不大于Φ4mm的焊条施焊，底层根部焊道的最小尺寸应适宜，但最大厚度不应超过6mm；
（1）焊接应力、应变的控制
1）应力控制方法
焊接应力和应变是能量存在同一焊件的不同形式，服从于能量守恒定律，它们相辅相成并可互相转换，减少一方必须增大另一方。
任何形式消除焊接应力的方法，都是以牺牲材料的综合性能指标特别是塑性、韧性储备为代价，因此焊接应力是从设计开始的焊接全过程控制的预防措施，这是目前控制焊接应力的最好方法。
a.深化设计时尽量减少焊缝数量,避免多条焊缝的交叉。
b.尽量减小坡口角度,减小焊缝截面积。
c.采用合理的焊接顺序。
d.采用合理的预热和后热规范。
2）钢材碳当量计算
作为估算钢材焊接性的重要指标之一，Q420和Q345B的碳当量CE（％）根据国际焊接学会（IIW）推荐的适应于中高强度的非调质低合金高强度钢公式，计算如下（化学成分均取平均值）：
Q420：
CE（%）=C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+V/5+Cu/15+Ni/15（%）≈0.430（%）
Q345：
CE（%）=C+Mn/6+Cr/5+Mo/5+V/5+Cu/15+Ni/15（%）≈0.345（%）
钢材中各种化学成分的控制如下所示：
牌号
质量
等级
化学等级（％）
C≤
Mn
Si≤
P≤
S≤
V
Nb
Ti
Al≥
Cr≤
Ni≤
Q420
C
0.20
≤1.60
0.55
0.035
0.035
0.02~
0.20
0.015~
0.06
0.02~
0.20
0.015
0.40
0.70
Q345
B
0.2
1.0~1.6
0.55
0.040
0.040
0.02~
0.15
0.015~
0.060
0.02~
0.20
——
碳当量Ceq<0.4%时，淬硬倾向不大，焊接性良好，当碳当量Ceq=0.4~0.6，钢材易淬硬，说明焊接性已变差，焊接时需预热，随着板厚的增大，预热温度也适当的提高。
Q345碳当量为0.345，Q420碳当量也约为0.430左右，大于0.4,所以淬硬倾向大，抗裂性能差，焊接性也较差。
故焊接时应采取预热、控制线能量、后热缓冷或消除扩散氢等工艺措施。
（2）焊接预热及后热
除电渣焊、气电立焊外，Ⅱ类钢材匹配相应强度级别的低氢型焊接材料并采用中等热输入进行焊接时，板厚与最低预热温度要求以符合下表规定：
常用结构钢材最低预热温度要求
钢材牌号
接头最厚部件的板厚t（mm）
t＜25
25≤t≤40
40＜t≤60
60＜t≤80
t＞80
Q345
——
600C
800C
1000C
1400C
Q420
600C
800C
1000C
1400C
1800C
注：
本表适用条件：
1接头形式为坡口对接，根部焊道，一般拘束度；
2热输入约为15~25kj/cm；
3采用低轻型焊条，熔敷金属扩散氢含量（甘油法）：
E5015、E5016、E5515、E5516不大于6ml/100g；
E6015、E6016不大于4ml/100g；
4一般拘束度，指一般角焊缝和坡口焊缝的接头未施加限制收缩变形的刚性固定，也未处于结构最终封闭安装或局部返修焊接条件下而具有一定自由度；
5环境温度为常温；
6焊接接头板厚不同时，应按厚板确定预热温度；焊接接头材质不同时，按高强度、高碳当量的钢材确定预热温度；
a.焊前预热及层间温度的保持宜采用电加热器、火焰加热器等加热，并采用专用的测温仪器测量；
b.预热的加热区域应在焊接坡口两侧，宽度应各为焊件施焊处厚度的1.5倍以上，且不小于100mm；预热温度宜在焊件反面测量，测温点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处；当用火焰加热器预热时正面测温应在加热停止后进行。
c.后热消氢处理的加热温度应为200~250度，保温时间应依据工件板厚每25mm板厚不小于0.5h、且总保温时间不小于1h确定。
达到保温时间后应缓冷至常温；
焊接焊后保温措施实例
本工程厚板焊接采用远红外电加热技术，对δ≥40mm的焊缝和重要焊接节点全部采用电加热，由此保证了焊缝的预热（后热）温度的均匀和准确性，对防止焊接裂纹的产生和控制应力应变起到积极的作用，特别在冬季施工中电加热起到了不可替代的作用。
现场远红外电加热照片1
现场远红外电加热照片2
（3）焊接裂纹控制
在焊接厚板钢结构时，传热速度比薄板快，因此提高了焊缝金属的结晶速度，即提高了焊缝结晶期间的应变增长率，增大了热裂倾向；在另一方面，由于冷却速度的提高，结构钢焊接接头必然更易于硬化，与薄板焊接相比较，厚板焊接的冷裂倾向必然增大。
因此，为了防止产生焊接裂纹，首先要控制冷却速度；其次要选用正确的母材和焊接材料。
在工艺上控制接头的冷却速度，主要从焊前预热、焊接线能量及焊接顺序三个方面进行。
（4）层状撕裂启裂源分类及其防止措施
厚板焊接时，由于Z向（板厚方向）受力，沿板厚轧制层产生台阶式开裂称之为“层状撕裂”。
本工程以厚板为主，故防止层状撕裂也是本工程的一大重点。
层状撕裂产生原因及预控措施：
启裂分类
成因
措施
第Ⅰ类
以焊根裂纹,焊趾裂纹为启裂源,沿HAE发展的层状撕裂。
1.影响冷裂的因素:
Pcm、HD、RF；
2.伸长的MnS夹杂物；
3.角变形引起的应变集中。
1.同防止冷裂纹的措施；
2.降低钢中的S的含量,选用Z向钢；
3.改变接头及坡口形式,防止角变形及应力集中。
第Ⅱ类
以轧制夹层为启裂源,沿HAZ发展的层状撕裂。
1.伸长的MnS夹杂物及硅酸盐夹杂物；
2.拘束度加大应变时效。
1.降低钢中的夹杂物（如增加稀土）,选用Z向钢；
2.减少拘束度；
3.采用低氢焊材；
4.改进接头和坡口形式；
5.堆焊隔离层。
第Ⅲ类
以轧制夹层为裂源,沿远离HAZ的母材中心发展的层状撕裂。
1.轧制的长条MnS夹杂物及硅酸盐夹杂物；
2.拘束度增加；
3.应变时效。
1.选用Z向钢；
2.减小拘束度；
3.改进接头或坡口形式；
4.堆焊隔离层；
5.钢板两端机械加工。
6.12.2.2普通钢构件焊接工艺
序号
焊接工艺
1
焊接分为打底层与面缝层，均为单道焊。
打底层焊接时选用小直径电焊条，电流调节为约90A（2.5mm,3.2mm）；
2
沿下部中心线将焊口分为两半部实施焊接，焊前应自间隙最小处先焊，多处间隙较小，则分多处将间隙较小处先焊，注意将收弧处弧坑填满；
3
无论先焊焊缝连贯与不连贯，均应采用角向磨光机去除始端与收端凸起处，形成易使全缝连贯的缓坡状；
4
接头的阴角部分，使用2.5mm焊条，阳角部分使用3.2mm焊条；
5
对于间隙较大或缝宽超焊条直径2倍以上的焊缝，处理方法为在水平杆端采用堆垒焊法缩小间隙（不得填充异物，也不得在钢板上形成局部高温高热区）
6
焊缝的最终接头，必须在中部；
7
层焊缝除必须保证焊脚符合规定外，还必须保证焊缝边缘饱满，缝中区稍凹；
现场焊接流程图
6.12.8低温焊接技术措施
大量焊接钢结构失效事故表明，低温是导致脆断的主要原因，特别是结构中存在着缺陷（缺口效应）则脆断效应更严重。
当温度低于材料的临界转变温度时，在远小于屈服强度的作用下，钢材会出现完全无屈服的断裂。
本工程工期内存在冬期施工，需解决低温焊接的技术难题。
低温焊接具有下述特点：
低温焊接条件下，焊缝的冷却速度较常温比较速度增加，直接后果是t8/5下降，晶粒度随之粗大，因此冷裂纹的敏感性也相应增加。
在结构拘束度很大的前提下，冷却速度过快，极易造成焊缝金属偏析，在较强的拉应力场作用下，在焊缝的偏析处即焊缝中心部分发生结晶裂纹，是热裂纹的一种形式。
冷裂纹的延迟效应增加，焊缝金属在冷却过程中，游离氢的溶解度降低，冷却的速度变快，氢透出的时间变短，因此残留在金属的比例增大，使冷裂纹的效应增加。
延迟效应同残留在金属中的氢含量成正比。
低温下发生脆断的可能性增加，当构件的工作温度低于材料的脆性转变温度的情况下，在拉应力和焊接残余应力共同作用下，结构的静载强度大幅度的降低，极大可能在远低于材料的屈服点的外力作用下发生脆断。
预热效果变差，相同的温度，相同的预热时间，低温下的效果远比常温差，同样也影响t8/5。
根据以往所做的低温焊接试验结果分析，可以得出如下结论：
环境温度变化对焊接质量的影响不是决定性的。
改变环境温度，特别是母材本身的温度和加强后热是低温焊接成功的基本方法。
预热温度的差别会带来强度上的差别，特别是厚板焊接，低温环境影响强度指标是肯定的。
所以，应充分重视环境温度的提高和准确的预热温度。
预热温度的降低或不预热必然降低焊缝的综合指标。
这是因为环境温度过低加速了焊缝冷却所致。
薄板低温焊接试验结果表明，焊接热循环传导方式区别决定了薄板（如20mm）受低温环境影响较厚板（如60mm）小。
针对上述特点，本工程的低温焊接所采取的主要措施是焊前大范围加热的方法来消除温差。
骤热和骤冷是造成钢结构接头区不均匀胀缩的主要因素，不均匀胀缩又是造成母材与焊接接头产生裂纹的主要因素。
消除明显温差，最大限度地减缓钢材在板厚方向压应力到拉应力的转换过程，最大限度地促使接头在同轴线上均匀胀缩是低温焊接的重要质量保证环节。
此外，在施焊过程中，应保持持续、稳定并且较高的层间温度。
焊后认真执行后热的措施。
后热温度应通过热感温度仪和水溶式温度测试笔来监控。
焊后还应采取石棉布等保温措施，并密封空气流通部位，防止边沿区域冷却较中部区域过快。
序号
低温环境焊接施工注意事项
1
为保证焊缝不产生冷脆，负温度下焊接用的焊丝，在满足设计强度的要求下，优先选用屈服强度较低、冲击韧性好的低氢型焊丝。
2
焊丝实行专人保管，贮存在通风干燥的地方，禁止油污污染，采取垫高等防潮措施。
3
焊接使用的瓶装CO2气体，负温时的瓶嘴，如在水气作用下有可能产生冰冻堵塞现象，焊接作业前应首先检查疏通。
4
低温气候焊接施工前，应先检查焊接防护棚，上部允许稍透风、但不渗漏雨水，兼具防一般小物体的打击功能，中部宽松，但能抵抗强风的侵扰，不致使大股冷空气透入，平台底面防护采用阻燃材料遮蔽严实，防止劲风从底部侵入。
5
焊前加热消除焊缝两侧母材与焊缝区的强烈温差，最大限度地减缓钢材在板厚方向由热胀时压应力到冷缩时拉应力的转换过程，最大可能地促使焊缝接头均匀胀缩，保证厚钢板焊接质量。
6
厚板焊接时，焊缝层间温度应始终控制在100～120℃之间，每个焊接接头应一次性焊完。
施焊前，注意收集气象预报资料，当恶劣气候即将到来，如无确切把握抵挡时，则放弃施焊。
若焊缝已开焊，要抢在恶劣气候来临前，至少焊完板厚的1/3方能停焊，且严格做好后热处理，并且进行保温处理。
7
环境温度低于零度时，焊接完成后，在自检外观质量符合要求后，立即实施后热处理。
使用两把烤枪对焊缝区域进行烘烤，使后热温度达到250℃，并持续保持该温度120分钟，这一过程可通过红外测温仪来测量控制，完成后热处理后，在焊缝外面加盖至少4～8cm厚的保温棉，使焊缝缓慢冷却，达到常温后，方可除去保温措施（见以下保温措施实例照片）。
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