碳素結構鋼及低合金高強鋼焊接方法選擇

1、碳素結構鋼及低合金高強鋼焊接方法選擇本文原為高力生教授、潘際鑾院士和閆炳義高級技師(焊接)參加三峽總公司召開的“三峽工程金屬結構焊接專家咨詢會”后的一個書面意見。編者將其節(jié)錄整編成文予以發(fā)表，以期對三峽工程金屬結構焊接技術的提高有所裨益。本文已經(jīng)原作者審閱。三峽工程目前正在施工的重要結構主要有電站壓力鋼管、水輪機座和船閘門，其中水輪機座的施工工藝質(zhì)量由國外公司負責，其余兩項由國內(nèi)制造商和施工單位承包，閘門制造多由國內(nèi)知名船廠承擔，具焊接工藝比較成熟，相對船體制造的沒備和工藝已不是什么難事；由于材料為強度級別較低(Q345)的低合金鋼，所以今后的主要問題是工地安裝時，如何提高效率，降低成本。 壓

2、力鋼管的制作和安裝將成為主要矛盾，工程前期共有壓力鋼管14條，約22500t，由于材料復雜(上段為16MnR，下段為610U2低合金高強鋼)，板厚度大(最厚達58mm)，特別是管道直徑大(12499mm)，安裝位置復雜，因此不同于常規(guī)管道的制作和安裝。 此次有幸參加了三峽開發(fā)總公司工程建設部組織的“三峽工程金屬結構焊接技術專家咨詢會”，受益匪淺，但由于時間太短，會前對幾個承包單位的工作和試驗資料未及仔細學習，所以有些意見未能允分表達，現(xiàn)對有些觀點加以說明。 1三峽工程壓力鋼管的選材思想和實踐是成功的 上段選用16MnR、下段選日本NKK的60kg級的610U2都是可焊性好的鋼種，特別是日本的6

3、10U2，屬于低碳調(diào)質(zhì)鋼中的焊接無裂紋鋼(CF鋼)，其特點是含碳量低(0.09)、總碳當量低(CEQ2=0.39%)、裂紋敏感系數(shù)低(PCM0.19)。由于在鋼材生產(chǎn)過程中采用新技術，如在線余熱淬火等，在碳當量不大情況下，增加其淬透性，并加入多種微量元素，所以能在保證高強度的同時提高其塑性和韌性(-40時其AKv>200J甚至達300以上)，增加了在減輕重量情況下得到高質(zhì)量焊縫的可能性。 2從焊接設計出發(fā)，選擇焊材的原則 16MnR是焊接結構應用最多的鋼種，一般焊縫按等強設計，此鋼種國內(nèi)的焊接材料、焊接方法配套均非常成熟。 關于610U2類型的低碳調(diào)質(zhì)鋼，本來其可焊性也是較好的，但是在焊

4、接時若處理不當，在熔合區(qū)的冷裂和影響區(qū)的脆化和軟化等缺陷也有發(fā)生，在特殊情況下特別是在工地安裝中，對焊接熱輸入和預熱等方面有一定要求。 焊接無裂紋鋼種，采用低H或超低H焊材，在板厚50mm以下或在0以上環(huán)境均可不預熱。此種鋼冶煉技術優(yōu)越，其力學指標突出，特別是在屈強比的沖擊性能方面(如本次選用的610U2就是這樣)，但在焊接時，如要求焊縫沖擊性能達到母材要求，這顯然是不合適，焊縫設計其力學指標以工作要求為主，不低于母材力學指標的保證值，再留有適當余量，而不應該以母材的實測值為標準，有時為了提高焊縫的塑韌性可適當降低焊縫的設計強度指標。實踐證明，低強匹配的焊縫，往往能提高焊縫的韌性和抗裂紋敏感性

5、。 3關于焊接方法 壓力鋼管的主要加工工藝是焊接，原則上，手工電弧焊、埋弧焊、氣保護實心焊絲和藥芯焊絲焊，自保護藥芯焊絲等均可選用，應根據(jù)施工條件、結構形式、效率與成本核算、焊接質(zhì)量的水平綜合考慮，選擇原則應為：在好的勞動條件下，低成本地完成高質(zhì)量的焊縫。 這次論證會上的基本結論是：廠房預制推行自動實心焊絲氣保護焊；工地安裝采用手工焊；研制全位置自動焊設備。對此結論大多數(shù)與會者雖能接收，但還存在某些疑慮。 (1)從保證焊接質(zhì)量出發(fā)，焊接冶金過程完善(如通過滲合金控制焊縫成分和H值含量)；保護好；焊接熱源能量集中，易控制熱輸入和焊接變形；能通過焊接設備控制焊接質(zhì)量等，具有這些能力的焊接方法是最好

6、的。 對這二種鋼特別是610U2應首選氣保焊，因為低合金高強鋼焊接質(zhì)量的主要問題是焊接裂紋和熱影響區(qū)的脆化和軟化，而氣保焊最大的特點是低H焊、易控制熱輸入，例如測擴散H含量平均值為：手工電弧焊的酸性焊條21.9，堿性焊條3.15；CO2保護焊1，MAG焊0.03，埋弧焊2.17，單位：ml/100g。 焊接的抗銹能力實驗：埋弧焊當0.3g/10mm時產(chǎn)生氣孔，而CO2焊1g/10mm才產(chǎn)生氣孔。所以，C02焊是一種低H焊接。另外氣保焊能量密度大，在正常規(guī)范下，其熱輸入僅為手工焊的1/21/3(特別是脈沖MAG焊)而且變形小，這對具有一定熱敏感性的高強鋼極為重要。氣保焊的優(yōu)點是效率高成本低，因為

7、它的熔化效率高，不用清渣換焊條，坡口小，熔敷金屬少，坡口加工量少。 (2)氣保焊分實心焊絲和藥芯焊絲，它們有一些共同的特點，如熱量集中、高效，也有不同處(見后)。氣保焊已成為焊接碳鋼和低合金高強鋼的主要工藝方法，我國造船工業(yè)所用鋼材與三峽的16MnR和610U2基本類似，其熔化極氣體保護所占比例已達60%以上(其中藥芯焊絲又占氣保焊50%以上)，其它行業(yè)如石化、電力、機械等也基本相同。說明這種焊接方法是金屬結構制造企業(yè)的看家方法。 4關于氣保焊的效率和質(zhì)量 由于氣保焊特別是CO2焊有一定局限性，另一方面推廣氣保焊是個系統(tǒng)工程，從設備、焊材配套到焊縫設計等，全都要適應新方法。所以推廣時還需制定規(guī)

8、程和獎勵制度。 4.1氣保焊的效率 一種焊接方法的效率，由它的熔深、能量密度、熔化速度、熔敷效率等因素決定，除此以外，被焊工件的坡口型式及其填允量，也直接影響效率。 手工焊和氣保焊熱源雖都是電弧，但是由于燃弧率不同，弧區(qū)介質(zhì)不同，所以會影響熔深和能量密度，從而使熔化速度，熔敷效率有很大差別。 - 燃弧率熔敷速度熔敷效率平均熔深 - 手工焊30% 3550g/min 55% 3mm CO2 45%平均90g/min 9095% 6mm MIG/MAG>50% 60140g/min 9699% 46mm 焊芯焊絲>50% 140200g/min 8387% 46mm - 從表中熔敷速度

9、和熔敷效率看，氣保焊單位時間熔敷到焊縫上的金屬量應該比手工焊多兩倍以上。在推廣氣保焊時，實際效率的提高往往達不到理論數(shù)據(jù)，很重要的原因是焊件坡口型式?jīng)]有做相應的改變；另外就是由于氣保焊設備材料不配套或使用不當，大大增加了輔助時間，從我國船廠統(tǒng)計看，氣保焊每日消耗焊材1015kg(日本可到50kg)，手工焊67kg。 4.2氣保焊的質(zhì)量 氣保焊不但可用于低合金高強鋼的焊接，而且可以說是焊接的首選方法。這不僅因為它比手工焊的效率最少高一倍以上，而且它最易保證高強鋼的焊接質(zhì)量。 如在1中所述，選材很好，碳當量和裂紋敏感系數(shù)都很小，可焊性良好，這就不需要很多復雜工藝而能保證質(zhì)量。當然對這樣一項跨世紀工

10、程來說，仍需作到萬無一失。16MnR屬于C-Mn系列的熱軋正火鋼，610U2屬于超低碳多元素調(diào)質(zhì)鋼，一般均在焊態(tài)下使用。這兩類鋼焊接接頭質(zhì)量的主要問題是保證焊縫的高綜合性能，防止影響區(qū)的脆化和軟化，保證熔合區(qū)和熱影響區(qū)不發(fā)生裂紋并有一定韌性。由于610U2屬于熱處理強化鋼在焊態(tài)下使用，如何同時保證焊縫的綜合性能及熱影響區(qū)的韌性，實踐證明雖不是非常困難，但在選擇焊接材料及工藝時應保證焊縫金屬一定的化學成分，選擇合適的線能量與適當?shù)念A熱和層間溫度相配合，從而得到合適的t8/5，以保證熱影響在AC1-AC3之間的部分得到合適的組織(最多的針狀鐵素體，最少的M-A組元)和品粒度。另外還應控制含H量，進

11、一步防止冷裂的發(fā)生。 低C調(diào)質(zhì)鋼特別是CP鋼，含C量極低，熱影響區(qū)只能形成低C馬氏體、巳由于Ms點較高，能產(chǎn)生自回火，所以冷裂傾向不大，又由于含C，S量都低，Mn/S大，所以熱裂傾向很小，只要注意工藝的選用，不管是手工焊、埋弧焊，實心或藥芯氣保焊均可保證焊接質(zhì)量。可以看出，選擇焊材可以保證焊縫成分，但更重要的是選擇合適的工藝。 選用氣保焊焊接上述兩種鋼，應該說是最合適的方法，因為它熱量集中，容易控制熱輸入，又是一種低H焊接法；在允許的同樣線能量下，其焊接效率又大大高于手工焊，焊接變形小，不易引起應力集中和矯正工時，但是為什么至今在部分單位得不到認同呢?其原因首先是方法本身的局限性：氣保焊有惰性

12、氣體非熔化極(T1G)、CO2氣體實心焊絲和藥芯焊絲、氧化性混合氣體實心和藥芯焊絲幾種。除TIG外均可用于此二種鋼，與手工焊和埋弧焊相比，實心焊絲保護焊不是氣渣聯(lián)合保護，在調(diào)整成分方面主要通過焊絲。在冶金反應方面單，所以為保證質(zhì)量，冶煉專用配套焊絲很重要；另外，由于氣體起保護作用并參與熱反應，有許多優(yōu)點(如能形成帶電離子和壓縮電弧，電弧能量密度加大，低H)也有其缺點(如增C，形成氣孔)，所以，在焊接碳素結構鋼和熱軋正火低合金鋼常用的焊絲中，降低含C量，加大Mn、Si含量以保證焊縫的金屬成分和性能，特別是韌性。除氣保焊本身局限性外，我國配套焊絲極不完善(H08Mn2Si和H08Ma2SiA)，這

13、就是許多部門采用氣保焊后不能達到希望的焊縫性能的原因。特別是在焊接低C調(diào)質(zhì)鋼時，需要針對鋼種選用合適的焊絲。加之選擇工藝程序不合理，設備使用不當，氣體選用處理不當，工人又都是手工焊轉(zhuǎn)行，自然推廣氣保焊就有一定阻力。 5關于韌性 對韌性的擔心源于焊接接頭的低應力破壞，而低應力破壞的原因，是材料在一定溫度下的塑脆轉(zhuǎn)變和接頭存在的缺陷擴張造成的，因此從質(zhì)量保證體系上分別用沖擊韌性和斷裂韌性指標來控制以上兩種原因所引起的脆性破壞。 雖然過去發(fā)生的脆斷實例均是在有缺陷的情況下產(chǎn)生的，但是接頭中微小缺陷難于檢測，而且斷裂韌性的實驗過于復雜，所以一般結構均以控制沖擊韌性指標為主，但沖擊韌性指標是材料塑性和強

14、度的綜合指標，塑脆轉(zhuǎn)變溫度又是一個范例，所以它不能單一成比例的反映其塑性。 材料沖擊韌性指標的確定過程(例如碳素鋼的常溫為27J，低合金鋼-20及-30為47J)，是以分析過去脆斷實例和有關實驗為基礎且有一定裕量，所以在滿足指標要求又不存在可檢缺陷時，一般不會發(fā)生脆斷事件，對重要結構還應做斷裂韌性實驗。 焊接接頭的韌性包括焊縫及近縫區(qū)韌性，近縫區(qū)的韌性主要與近縫區(qū)的脆化有關，近縫區(qū)脆化原因與晶粒數(shù)、析出相、灰雜物偏析、組織及其變化有關。所以提高接頭韌性，對應控制焊縫合金化和熱循環(huán)；而對近縫區(qū)只能合理選擇母材、控制線能量和熱循環(huán)。 關于三峽工程所用兩種鋼的韌性控制問題，16MR焊接在我國已很有經(jīng)

15、驗；對于610U2鋼，制造廠成分匹配合理和煉鋼技術高超，CEQ和PCM很低，綜合性能很好，其沖擊韌性在-20時均達200J以上；在選擇焊材和焊接方法上，三峽的實踐證明手工焊沖擊韌性最高；但不能因此則認為只能用手工焊。 根據(jù)以上分析，提高焊縫韌性決定于合金化和冷卻速度(線能量和子熱等)。而合金化靠選擇焊材和保證過渡，因此，手工焊和氣保焊藥芯絲較有利，因為在國內(nèi)手工焊條配套最全，兩者均是氣渣聯(lián)合保護，但其它方法也都可以保證控制焊縫成分；對近縫區(qū)，由于母材已定，應從焊接工藝上控制線能量及預熱手段。所以不管上述的那種焊接方法，只要能選擇合適的焊材和焊接工藝，均可保證韌性要求，但對韌性指標的要求應科學而

16、適當。 從青云和葛洲壩集團提供的材料看，實驗雖還不完善，但數(shù)據(jù)也完全說明此結論(見6.1，6.2內(nèi)容)。無限制提高沖擊韌度裕量不但在經(jīng)濟上不可取，在保證質(zhì)量方面也無大好處，因為沖擊韌度是代表塑性和強度的綜合指標，沖擊韌度很高時，s會相應提高，斷裂韌性的指標-裂紋容限尺寸就會減小，所以接頭沖擊韌度數(shù)值應保證其最低平均值達到母材的設計保證值且有一定裕量即可，不應以母材實測值為標準。 6關于C02實心焊絲和藥芯焊絲焊接 6.1關于實心焊絲的焊接 實心焊絲氣保護焊應是這兩種鋼的首選工藝方法，不僅可在廠房內(nèi)預制，還應用到工地安裝上，但要在工地風力允許或解決防風措施情況下，上面已闡述了此方法的優(yōu)點，效率是

17、手工焊的23倍，低H，特別是脈沖焊，在平均電流較低的情況下達到大熔深，并能控制熱輸入和全位置焊的成形。 此方法的韌性不但被過去的實踐證明，本次葛洲壩集團的實驗也證明了接頭具有良好的沖擊韌性。 過去，實心焊絲CO2保護焊不被人歡迎的的另一個原因是這種方法飛濺大，焊縫成型不美觀，設備復雜等，但隨著技術進步，隨著對工藝方法本質(zhì)的認識和設備不斷改進，利用氣保焊工藝方法的特點和設備配合，可取得更大效益。由于氣保焊的特點，熔滴過渡有短路、大滴、噴射三種方式初期，三種過渡方式只決定于電弧電壓和電流參數(shù)，在短路和大滴過渡時，熔滴是非軸向過渡，顆粒又大，所以焊接飛濺很大。而對于CO2氣體又很難得到細滴噴射。后來

18、采用了富氬的混合氣體保護(Ar+20%25%CO2或Ar+2%5%C02)，使產(chǎn)生噴射過渡的臨界電流大大下降，焊接時飛濺極少，無噪音，全位置焊時易成形。 氣保焊的另一個技術進步就是脈沖焊的應用，脈沖焊采用峰值電流和維持電流間斷改變，這對特殊(橫立仰全位置)焊接有很大好處，而且對需控制熱輸入的材料以小的熱輸入(小的平均電流)達到高效高質(zhì)量焊接。初期要得到脈沖焊較難，因為氣保焊的電流大小決定于送絲速度，小規(guī)范時，送絲速度低，為短路過渡，電弧不穩(wěn)，飛濺大，而現(xiàn)在設備先進，特別是逆變技術和計算機技術的結合，使脈沖焊不必以脈動送絲取得，且可在任意電流下得到噴射過渡，也可得到頻率范圍很寬的脈沖焊接即現(xiàn)在幾

19、種混合氣體不必單獨輸送，氣體廠已混合好，另外焊把已把氣絲電合一，送絲機經(jīng)中間裝置可長距離送絲。所以，根據(jù)其效率高，質(zhì)量好，特別是脈沖焊的優(yōu)點，應該盡量在工地安裝中應用。 6.2關于藥芯焊絲的焊接 藥芯焊絲有氣保護和自保護兩大類，白保護主要用于工地安裝和用氣不方便的地方，防風能力可達四級(<15m/s，)，由于僅靠熔渣和造氣劑保護，藥粉量相對焊條比例較少(焊條占30%，藥芯占15%)，所以一般不用于重要結構。 氣保護藥芯焊絲屬氣聯(lián)合保護，兼有氣保護焊和手工焊兩方面的優(yōu)點，例如高效、冶金反應完善、工藝性能好、低H。特別是弧穩(wěn)，飛濺少，熔敷速度是各種焊接方法中最高的，而且可以采用大電流進行全位

20、置焊，對設備要求低等獨特優(yōu)點。所以國外此種方法的應用速度最快，且有適應各種要求的產(chǎn)品供選擇。 氣保護藥芯焊絲為氣渣聯(lián)合保護，其藥皮與焊條相同，有鈦型(酸性)、鈣型(堿性)、鈦鈣型(中性或弱堿性)。酸性工藝性能好，堿性工藝性能不好，但塑韌性高。中性介于其間。 為什么認為藥芯焊絲的韌性不好呢?主要還是焊材選擇不當和工藝不合理而不是這種方法固有的，特別是對氣保護的氣渣聯(lián)合情況。其實本次會議提供的實驗資料也說明了這點。葛洲壩集團搜集的一些資料，其中說氣保護藥芯焊絲“焊縫沖擊韌性低，擴散氫含量大，CO氣孔及氫致裂紋傾向大”但未指明各自的出處，因為他們調(diào)研的巖灘和隔河巖均用的是自保護焊絲NR203Nil，

21、又說韌性塑性較低，但到底是多大?使用后有什么問題并未說明，相反在青云公司所作的藥芯焊絲的實驗中，其結果卻相反。實驗結果中16MnR用國產(chǎn)芯焊絲GL-YJ502(Q)，CO2保護，其機械性能全部合格，其沖擊值最低為-20時78J，60公斤級的610U2分別用日本種鋼DW60焊絲+CO2，美國林肯91K2H+(Ar+CO2)，韓國TWE811Nil+CO2，TWE811Nil+(Ar+CO2)，TWE911N12+CO2進行試驗，其結果強度、冷彎、硬度全部合格，但是塑性、韌性、美國與日本焊絲不但合格，且保持較高水平(5>21%；Ak-200，美國平均108J、98J、日本平均85J)；南韓焊絲其5一般為16%19%，Ak-20平均值TWE811Nil42-49J，TWE911Ni2平均52-67J，但b(s)高，低，剛滿足要求值也不理想。其實，葛洲壩集團自己的藥芯焊絲的實驗也否認了上述資料的結論。 從以上實驗可以得到這樣的結論：只要焊材選擇適當，氣保護藥芯焊接完全可以滿足母材的性能要求；藥芯焊絲制造水平影響焊絲穩(wěn)定性；接頭的塑性不僅取決于焊材和氣體，而且還取決于線能量和預熱等工藝參數(shù)。上述試驗均為特殊位置，如經(jīng)仔細研究后確定工藝參數(shù)，其接頭性能