1.1.1.1焊前预热
预热温度和道间温度应根据钢材的化学成分、接头的拘束状态、热输入大小、熔敷金属含氢量水平及所采用的焊接方法等综合因素确定或进行焊接试验;
焊接过程中,最低道间温度不应低于预热温度,焊接过程中的最大道间温度不宜超过250℃;
当环境温度低于0℃时,应提高预热温度15-25℃; 预热及道间温度控制应符合下列规定:
a)焊前预热及道间温度的保持宜采用电加热法、火焰加热法和红外线加热法,并应采用专用的测温仪器测量;
b)预热的加热区域应在焊缝坡口两侧,宽度应为焊件施焊处板厚的1.5倍以上,且不应小于100mm;预热温度宜在焊件受热面的背面测量,测量点应在离电弧经过前的焊接点各方向不小于75mm处;当采用火焰加热器预热时正面测温应在火焰离开后进行。
加热及温控操作
1.1.1.2厚板焊接过程的控制
定位焊:定位焊是厚板施工过程中最容易出现问题的部位。由于厚板在定位焊时,定位焊处的温度被周围的“冷却介质”很快冷却,造成局部过大的应力集
中,引起裂纹的产生,对材质造成损坏。解决的措施是厚板在定位焊时,提高预加热温度,加大定位焊缝长度和焊脚尺寸。
多层多道焊:在厚板焊接过程中,坚持的一个重要的工艺原则是多层多道焊,严禁摆宽道。多层多道焊前一道焊缝对后一道焊缝来说是一个“预热”的过程;后一道焊缝对前一道焊缝相当于一个“后热处理”的过程,有效地改善了焊接过程中应力分布状态和有利于扩散氢的逸出,利于保证焊缝质量。
焊接过程中的检查:厚板焊接不同于中薄板,需要几个小时乃至几十小时才能施焊完成一个构件,因此加强对焊接过程的中间检查,就显得尤为重要,便于及时发现问题,中间检查不能使施工停止,而是边施工、边检查。如在清渣过程中,认真检查是否有裂纹发生。及时发现,及时处理。
厚板焊后,应立即将焊缝及其两侧各100mm范围内的局部母材进行加热,加热时采用红外线电加热板进行。加热温度到200~300℃,然后用石棉铺盖进行保温,使扩散氢迅速逸出,防止焊缝及热影响区内出现氢致裂纹。
对于厚板的超声波检测时应焊后48小时或更长时间进行检测,以免延迟裂纹对工件的破坏。 1.1.1.3焊接裂纹的预防措施
控制焊材的化学成份,由于钢材化学成分已经选定,因此焊材选配时应选硫、磷含量低、锰含量高的焊材。使焊缝金属中的硫磷偏析减少,改善部分晶体形状,提高抗热裂性能。
控制焊接工艺参数、条件
控制焊接电流与速度,使每一焊道的焊缝成形系数达到φ=1.1。 加强焊前预热,降低焊缝在冷却结晶过程中的冷却速度。
采用合理的焊接顺序,使大多数焊缝在较小的拘束度下焊接,减少焊缝收缩拉力。
提高根部焊缝质量
焊缝根部焊接是厚板焊接的起始点,是保证焊缝质量的根基,亦是产生裂纹的敏感区,因此焊缝根部的焊接措施必须慎之又慎。
加强焊缝坡口的清洁工作,清除一切有害物质;加强焊前预热温度的控制;焊前对坡口根部进行烘烤,去除一切水分、潮气,降低焊缝中氢含量。
使用小直径手工焊条打底,确保根部焊透;控制焊层厚度,适当提高焊道成形系数;控制焊接速度,适当增加焊接热输入量。
控制熔合比:在确保焊透的前提下,控制母材熔化金属在焊缝金属中的比例,减少母材中有害物质对焊缝性能的影响。
根部焊材可选用低配:根据根部焊缝的施焊条件与要求,在保证焊缝力学性能的条件下,根部焊缝的焊材可选用韧性好,强度稍低的焊材施焊,以增加其抗裂性。
严格控制线能量:根据三维导热条件下的T8/5与焊接线能量的计算公式,对箱形构件角部和埋弧焊的加热热效率,计算线能量最佳范围为13 812J/cm2—40 492J/cm2。在实际焊接过程中,取计算线能量的中间范围值,焊接线能量应控制在23—37 KJ/cm2的最佳范围内。
控制焊缝金属在800℃~500℃之间冷却速度(t8/5值)
厚板焊接存在的一个重要问题是焊接过程中,焊缝热影响区由于冷却速度较快,在结晶过程中最容易形成粗晶粒马氏体组织,从而使焊接时钢材变脆,产生冷裂纹的倾向增大。因此在厚板焊接过程中,一定要严格控制t8/5。即控制焊缝热影响区尤其是焊缝熔合线处,从800℃冷却到500℃的时间,即t8/5值。
t8/5过于短暂时,焊缝熔合线处硬度过高,易出现淬硬裂纹;t8/5过长,则熔合线处的临界转变温度会升高,降低冲击韧性值,对低合金钢,材质的组织发生变化。出现这两种情况,皆直接影向焊接结头的质量。
当钢材、焊材选定,即碳当量CE已确定前提下,唯有控制t8/5速度方可降低焊缝中冷脆组织的出现。控制方法有焊前预热、适当增大焊接热输入、焊后后热和缓冷,都达到增大t8/5降低冷裂纹敏感性的效果。从而达到控制焊接线能量的输入,达到控制厚板焊接质量之目的。 1.1.1.4后热保温措施
对于厚板接头,结构形状不适用电加热时,应对焊缝进行必要的火焰加热,火焰加热应均匀,同时作好温度监测,控制温度250-300℃,并用保温棉覆盖予以缓冷;
对于板厚≥40mm的对接接头焊后立即进行后热处理,后热处理采用电加热,加热温度应达到250-300℃,保温时间为1.5-2.0min/mm,且≥1h,然后缓冷至常温。
1.1.1.5消除焊接残余应力的焊接措施 1.1.1.5.1利用对零件整平消减应力
钢板在切割过程中由于切割边所受热量大、冷却速度快,因此切割边缘存在较大的收缩应力。中、薄板切割后产生扭曲变形,便是这些应力释放的后果。对于厚板,由于其抗弯截面大,不足以产生弯曲,但收缩应力是客观存在的,因此在整平过程中可加大对零件切割边缘的反复碾压,这对产生的收缩应力的消减极为有利。
1.1.1.5.2进行局部烘烤释放应力
构件完工后在其焊缝背部或焊缝两侧进行烘烤。此法过去常常用于对“T”形构件焊接角变形的矫正中,不需施加任何外力,构件角变形即可得以校正。由此可见只要控制加热温度与范围,此法对消减应力还是极为有效的。 1.1.1.5.3采用超声波震动消除应力
超声冲击(UIT)的基本原理就是利用大功率超声波推动工具以大于2万次/s的频率冲击金属物体表面,由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量,使金属表面产生较大的压塑变形,同时超声冲击波改变了原有的应力场,产生一定数值的压应力,并使被冲击部位得以强化。
采用振动时效法消减应力:振动时效的原理是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力,使其产生共振,从而使工件获得一定的振动能量,使工件内部产生微观的塑性变形,从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态,晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎,使得残余应力得以被消减和均化。振动时效法具有周期短、效率高以及无污染的特点,且不受工件尺寸、形状和重量等限制,经过大量的工程实践证明,对消减工件应力有明显效果。
利用冲砂除锈的工序进行消减应力:冲砂除锈时,喷出铁砂束高达2500MP/cm2,用铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀的冲击,除了达到除锈效果外,对构件的应力消减也会起到良好的效果。 1.1.1.6防止厚板层状撕裂的措施
层状撕裂是一种不同于一般热裂纹和冷裂纹的特殊裂纹,一般产生于T形和十字形角焊接头的热影响区轧层中,有的起源于焊根裂纹,或板厚中心。
层状撕裂产生的原因:钢材含硫量:由层状撕裂的成因可知钢材的含硫量是其最主要的影响因素。含硫量越高,夹杂物含量多,易于产生层状撕裂。
a) 钢材的碳当量:钢材的碳当量越高,钢材组织易脆化,层状撕裂越敏感。 b) 焊缝中扩散氢含量:焊缝扩散氢含量会促使层状撕裂的扩展,对于起源
于焊根或发生于热影响区附近的层裂,扩散氢则起了间接却重要的影响。 防止措施:控制钢材的含硫量,增加、控制钢材的Z向性能。
采用合理的坡口:在满足设计要求焊透深度的前提下,宜采用较小的坡口角度和间隙,以减小焊缝截面积和减小母材厚度方向承受的拉应力。
宜在角接接头中采用对称坡口或偏向于侧板的坡口,使焊缝收缩产生的拉应力与板厚方向成一角度,尤其在特厚板时,侧板坡口面角度应超过板厚中心,可减小层状撕层倾向
防层状撕裂坡口调整
序号 易产生层状撕裂的结构 可改善的结构 说明 1 FFFF箭头所示的方向为焊接时可能出现拘束应力作用的方向。 0.3~0.5t通过开坡口或改变焊缝的形状来减少厚度方向的收缩应力,一2 般应在承受厚度方向应力的一 t 侧开坡口 避免板厚方向受焊缝收缩力的3 t作用 ≥t 在保证焊透的前提下,坡口角度尽可能小;在不增加坡口角度的4 情况 下尽可能增大焊脚尺寸,以增加焊缝受力面积,降低板厚 方向的应力值。 45°55°≥t0.5t6~9mm6~9mmt
t 隔板塞焊坡口 箱型柱主焊缝坡口
采用合理的焊接工艺:双面坡口时宜采用两侧对称多道次施焊,避免收缩应变集中。
b)采用适当小的热输入多层焊接,以减小收缩应变。
c)采用低强度匹配的焊接材料,使焊缝金属具有低屈服点、高延性,可使应变集中于焊缝,以防止母材发生层裂。
d)角接接头,当板较厚时,侧板板边火焰切割面宜磨(或刨)去由热切割产生的硬化层,防止层状撕裂起源于板端表面的硬化组织。
e)采用低氢、超低氢焊条或气体保护焊方法。
f)采用或提高预热温度施焊,以降低冷却速度,改善接头区组织韧性,但采用的预热温度较高时易使收缩应变增大,适用时需要综合多方利弊综合考虑。
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