Q345R與610N/mm2級高強鋼大厚度異種鋼的焊接工藝研究

余麗梅

（中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川 彭山 620860）

Q345R與610N/mm2級高強鋼大厚度異種鋼的焊接工藝研究

余麗梅

（中國水利水電第七工程局有限公司機電安裝分局，四川 彭山 620860）

通過對Q345R與610N/mm2級高強鋼大厚度異種鋼的焊接性分析、選擇合理的焊接方法和焊接材料,并進行焊接工藝評定，總結出了Q345R與610N/mm2級高強鋼大厚度異種鋼焊接的工藝方法，成功地應用在實際生產中。

Q345R；610N/mm2級高強鋼；大厚度；異種鋼；焊接工藝評定；焊接參數

對于高強鋼的焊接，特別是大厚度高強鋼與低合金鋼的焊接，焊前分析、焊接工藝評定、選擇合理的焊接材料、焊接方法、焊接參數是保證焊接質量的關鍵。通過對厚度為52mm的610N/mm2級高強鋼WDB620與厚度為60mm的Q345R低合金容器鋼的大厚度異種鋼進行焊接工藝試驗，驗證了焊接材料、焊接方法、焊接熱輸入等選擇的正確性，從而制定合理的焊接工藝，保證了焊接質量。此工藝在四川瓦屋山水電站焊接施工中得以運用，并取得了成功，解決了大厚度異種鋼焊接施工難題。為同類施工提供了參考。

1 焊接性分析

Q345R是常用的容器鋼材料，其焊接性能良好，焊接時一般不需要采取特殊的工藝措施。但厚度大于30mm或剛性較大的焊接接頭在焊接時需進行預熱；而610N級的高強鋼，其焊接性能較差，焊接熱輸入范圍較窄，主要問題是焊接接頭裂紋和熱影響區的軟化、脆化等缺陷較容易產生。焊接時要控制好熱輸入和道間溫度。兩種材料的化學成分見表1。

表1 Q345R與610N/mm2級高強鋼的化學成分（質量分數%）

2 焊接工藝試驗及試驗結果

根據DL/T 5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》和GB/T11345-89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》的要求，沿鋼板的軋制方向分別取立焊、仰焊2個焊接位置的板狀試樣進行焊接工藝試驗。

2.1 焊接方法

焊接方法的選擇,除了考慮現場施焊條件及生產效率,還應考慮施工單位的焊接設備、焊接能力和鋼材的具體板厚等因素。對于厚度為52mm的600N/mm2級高強鋼+厚度為60mm的Q345R的大厚度異種鋼板焊接,其焊接方法選用焊條電弧焊。

2.2 焊接材料及設備的選擇

正確選用焊接材料、預熱溫度和層間溫度是焊接異種鋼的關鍵。根據DL/T501-2007中的6.3.7條，異種鋼焊接時，應按強度低的一側的鋼板選擇焊接材料，按強度高的一側鋼板選擇焊接工藝。為此選用E5015（J507）低氫型堿性焊條作為焊接材料，規格分別為Ф3.2mm和Ф4.0mm兩種。

焊接設備選用ZX7-400型逆變式弧焊電源，采用直流反接。

2.3 坡口形式

坡口加工采用機械方法。坡口型式采用1∶2的不對稱的X型坡口，見圖1。

2.4 試件的裝配

試件裝配時注意避免強力裝配，以減少拘束應力對焊縫質量的影響。其裝配間隙為3～4mm，定位焊厚度不大于8mm，定位焊位置選擇在焊縫端部30mm以內。定位焊的兩端頭圓滑過渡呈緩坡狀，以保證封底焊縫質量。且定位焊時，預熱溫度較正式焊接時要高出20℃～30℃，為快速提高焊接區溫度，降低定位焊后焊接區的降溫速度，使其達到良好的熔合效果，故定位焊電流較正式焊接時高10%～15%。

圖1 坡口形式

2.5 試件焊接的工藝措施及參數

（1）焊件、焊材的前處理

焊接前，將坡口表面及兩側20mm范圍內水、鐵銹、油污和其它對焊接性能有害的雜質用砂輪機進行清理打磨，直至露出金屬光澤。

焊條應放置于通風、干燥和室溫不低于5℃的專設庫房內，設專人保管、烘焙和發放，并應及時作好實測溫度、焊條烘焙記錄和焊條發放記錄。E5015焊條的烘焙溫度為350℃～400℃，恒溫時間為1h～2h。烘焙后的焊條應保存在100℃～150℃的恒溫箱內，藥皮應無脫落和明顯的裂紋。現場使用的焊條應裝入保溫筒，隨用隨取。焊條在保溫筒內的時間不宜超過4h，超過后應重新烘焙，重復烘焙的次數不宜超過2次。

（2）焊前預熱

預熱是防止裂紋的有效措施，并且還有助于改善接頭性能。但預熱會惡化勞動條件，使生產工藝復雜化，過高的預熱溫度還會降低接頭韌性。因此，焊前是否需要預熱以及預熱溫度的確定應根據鋼材的成分（碳當量）、板厚、含氫量及坡口是否有水漬、結構形狀、剛度大小以及環境溫度等決定。綜上考慮，為了提高焊接接頭的塑韌性,減少內應力,避免裂紋的產生,此工藝采取焊前預熱的措施。

焊縫預熱溫度為120℃～150℃，定位焊接預熱溫度為140℃～180℃。用紅外線測溫儀測定溫度，溫控記錄數據統一在距焊縫中心線100mm處測量，測量點不少于3點。

（3）焊接過程

焊接過程中,嚴禁在坡口以外及母材表面打火,焊接電流不宜過大,每層焊縫的厚度也不宜太大，層厚控制在3mm～5mm，以確保焊接質量。焊條擺動寬度小于焊條直徑的3倍以限制焊道寬度。焊接過程中采用多層多道焊接時每道焊縫的清理均很重要,特別要注意坡口邊緣死角處的清理,每焊完一道應及時將焊道內的藥皮、雜質等清理干凈避免夾渣。但高強鋼不得用錘子錘擊焊道，以免出現裂紋。并仔細檢查有無缺陷后尚可進行后續的焊接工作。

鑒于焊接過程中焊接熱輸入對焊接接頭的沖擊韌性有很大影響（特別是高強鋼尤為顯著），所以在焊接過程中應嚴格控制熱輸入的大小?？紤]到610N/mm2級高強鋼的焊接性能較差，為降低焊縫熱影響區粗晶區脆化所造成的不利影響，故應選擇合適的焊接熱輸入范圍。盡量采用小參數、快速焊，將焊接熱輸入控制在20kJ/cm～35kJ/cm為宜。焊接工藝參數見表2、表3。

表2 立焊焊接工藝參數

表3 仰焊焊接工藝參數

由于焊接過程中層間溫度是獲得優良焊縫的必需條件之一，溫度偏高將使焊縫強度下降，晶粒粗大，使沖擊韌性下降。溫度偏低會使焊縫出現夾渣、氣孔等焊接缺陷。在焊接過程中層間溫度應控制在120℃～230℃。

（4）后熱

為了有利于焊縫中的氫擴散逸出和緩解焊接收縮應力，防止延遲裂紋的產生，試件焊接完成后應立即進行后熱。后熱溫度為200℃，保溫2h后自然冷卻。

2.6 焊件檢測

試件焊接完畢，先進行外觀檢查符合要求后，方準進行其它項目的檢測。

焊縫外觀檢測項目主要包括：焊縫高度和寬度、咬邊長度和深度符合DL/T5017-2007規范要求，表面無氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷。

焊件經外觀檢驗合格后，對焊縫進行UT探傷，探傷比例為100%。立焊和仰焊試件均未發現缺陷。評定級別為Ⅰ級，全部符合GB/T11345-89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》要求。

2.7 焊接試件的力學性能試驗

按照DL/T5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》標準，對焊接接頭取樣分別進行了拉伸、彎曲、沖擊試驗。試驗結果見表4、表5、表6。

表4 拉伸試驗

表5 彎曲試驗

表6 沖擊試驗

從上述力學性能報告可以看出，Q345R（60mm）+600N/mm2級高強鋼（52mm）大厚度鋼板焊接接頭試件的抗伸、彎曲、沖擊試驗數據均達到DL/T5017-2007《水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》標準的要求。

3 結論

通過對上述兩種鋼材的焊接工藝方法進行探討，并通過試驗論證，制定了切合實際的焊接工藝規程。采用此工藝施焊的試件經無損檢測及力學性能試驗結果均符合要求。此工藝在瓦屋山水電站焊接施工中得以運用，并取得了成功，解決了大厚度異種鋼焊接施工難題,證明該焊接工藝規程是可行的。同時為同類施工提供了參考。因此只要遵循以下焊接工藝要點，完全可以解決Q345R與610N/mm2級高強鋼大厚度異種鋼焊接的質量問題。

⑴焊前認真清理坡口及坡口邊緣20mm的水漬、油污、鐵銹等雜物；

⑵嚴格控制工件組對間隙，以3mm～4mm為宜；

⑶鑒于焊接過程中焊接熱輸入對焊接部位的沖擊韌性有很大影響（特別是高強鋼尤為顯著）。所以在焊接過程中應嚴格控制熱輸入量的大小?？紤]高強鋼的焊接性能較差，焊接熱輸入量應控制在≤32kJ/cm為宜。并在焊接過程中必須采用多層多道焊的焊接方法；

⑷由于焊接過程中層間溫度是獲得優良焊縫的必需條件之一，溫度偏高將使焊縫強度下降，晶粒粗大，使低溫沖擊韌性下降。溫度偏低易出現未焊透、未熔合、夾渣和氣孔等。焊接過程中層間溫度應嚴格控制在120℃～230℃；

⑸預熱和后熱溫度的控制，對焊接質量至關重要，焊前預熱溫度要控制在120℃～150℃為宜，后熱應在焊后立即進行，后熱溫度控制在200℃為宜，并保溫2h，至自然冷卻。

采用上述焊接措施后，完全可以避免焊接裂紋等焊接接頭缺陷的產生。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].機械工業出版,2002.

[2]徐初雄.焊接工藝500問[M].機械工業出版,1997.

[3]DL/T5017-2007，水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范[S].

[4]GB/T11345-89,鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級[S].

TG441

B

1672-5387（2010）02-0033-03

2010-01-08

余麗梅（1980-），女，焊接高級技師，現從事焊工培訓及焊接工藝編制、評定工作。