Q690高強鋼中厚板全熔透焊接工藝分析

孫 博，胡 新，賀繼友，李旭忠

(寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000)

Q690高強鋼中厚板全熔透焊接工藝分析

孫 博，胡 新，賀繼友，李旭忠

(寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721000)

針對新材料Q690低合金高強鋼中厚板普遍存在的焊接冷熱裂紋及淬硬傾向大、焊后殘余應力高、氫致裂紋敏感性強的問題，通過研究MK·GHS70焊絲與Q690高強鋼匹配性問題，包括進行焊前處理、控制預熱溫度及層間溫度、減小焊接熱輸入及正確的焊后熱處理形式，得出合理的焊接參數，并通過超聲探傷及力學性能檢驗該工藝可行性。結果表明，Q690高強鋼中厚板全熔透焊接工藝完全滿足設計要求和生產需要，成功解決了中厚板全熔透焊接難題。此方法已經成功用在海洋平臺吊機、海洋井架等設備，取得了良好效果。

焊接；Q690高強鋼中厚板；焊接裂紋；焊接參數

0 前 言

近年來，隨著石油鉆機開采難度的增大，所需鉆機對承載力及焊接質量要求也越來越高。目前焊接制造的發展方向主要是向高性能、高強度材料發展，進一步滿足結構件的輕量化要求，同時又要提高沖擊性能，對焊接接頭的“強韌比”要求越來越高，高強鋼(Q390/Q420/Q460/Q490/Q550/Q690/Q960 等)代替普通鋼(Q235/Q345)是各種鋼結構的發展趨勢。但保證高強鋼焊縫質量是焊接技術人員急需解決的技術難題，需要總結出合理的工藝措施才能得到高質量的焊接接頭。

2 焊接工藝試驗分析

2.1 試驗材料及方法

2.1.1 試驗材料

試驗材料為Q690高強鋼，其化學成分見表1，力學性能見表2。焊絲為φ1.2mm MK·GH S70，其化學成分見表3，力學性能見表4。筆者通過研究焊絲與Q690高強鋼匹配問題，分析了焊前處理、焊接參數及焊后熱處理對焊接接頭質量的影響，以及低強匹配時焊接接頭的顯微組織及力學性能。

表1 Q690高強鋼的主要化學成分 ％

表2 Q690高強鋼的力學性能

表3 MK·GHS70焊絲主要化學成分 ％

表4 MK·GHS70焊絲的力學性能

2.1.2 試驗方法

為了保證全熔透，Q690母材對接采用X形坡口；試樣尺寸為660mm×180mm×40mm，焊后試樣尺寸為660mm×360mm×40mm；坡口角度為60°。其工藝評定試樣如圖1所示。試驗設備為NBC-500型氣保焊機，試驗保護氣體為80％Ar+20％CO2，氣體流量為18～20L/min； 焊接場地在車間，環境溫度23～25℃。

圖1 工藝評定試樣

2.2 焊接工藝分析

(1)用Pcm(冷裂紋敏感系數)判定Q690鋼產生冷裂紋的敏感性，即

從計算結果可以看出，焊接時有明顯的淬硬傾向，熱影響區容易形成硬而脆的馬氏體組織，塑性和韌性下降，冷裂紋傾向增加，因此焊接時需要較小的熱輸入，焊接熱輸入過高，會導致熱影響區過熱與脆化，使熱影響區性能降低。

(2)根據國際焊接學會IIW 推薦的碳當量公式對CEIIW進行計算，即

從計算結果可以看出，CEIIW接近上限值0.49％，鋼材易于淬硬，冷裂紋敏感性大，焊接性差，針對這種情況焊接時必須采取嚴格的工藝措施及較高的層間溫度和焊后熱處理，焊接前需預熱。

(3)氫致裂紋是低合金結構鋼焊接接頭最危險的缺陷，為了防止產生裂紋，焊接過程中應該保持低氫條件。

綜上所述，Q690高強鋼中厚板焊接過程中具有明顯的淬硬傾向，使得焊縫區及熱影區塑韌性下降，同時氫致問題嚴重影響焊接質量。為防止裂紋的產生，需要在焊前預熱的基礎上保證層間溫度及使用小的焊接熱輸入，并且在施焊后防止冷卻過快形成馬氏體組織，適度回火以保證焊縫的塑韌性。

2.3 現場工藝確定

2.3.1 焊前準備

(1)按工藝要求加工雙邊60°坡口，鈍邊厚度2mm，對Q690中厚板母材預制1°～3°反變形。

(2)清除坡口面和其他待焊接部位以及兩側70mm范圍內的油污、鐵銹等污物，直至露出金屬光澤。

(3)加裝工藝撐，減小變形。

2.3.2 焊接工藝

(1)焊前預熱80～120℃。

(2)焊接過程保持層間溫度120～200℃，采用較小焊接熱輸入進行施焊(見表5)。

(3)焊后及時用石棉被保溫，防止冷速過快，以保證氫及時逸出，同時轉入爐內加熱至480℃，保溫2h后隨爐冷卻至300℃后出爐空冷，以消除焊接殘余應力。

(4)整個過程嚴禁用火調變形，防止對合金元素燒損造成強度減小，影響塑韌性。

表5 Q690高強鋼中厚板焊接工藝規范

3 試驗結果及分析

采用上述焊接工藝參數進行焊接后，對試件焊后48h按AWSD1.1《鋼結構焊接規范》第6章進行超聲波探傷檢測，未發現超標缺陷，并進行了力學性能試驗(見表6)，各項性能指標均符合相關標準要求，且焊縫斷面宏觀腐蝕顯示接頭根部熔合良好，沒有未熔合和未焊透等焊接缺陷(如圖2所示)，獲得了滿足設計要求的全熔透焊縫接頭，充分證明以上焊接工藝是合理可行的。

圖2 焊縫斷面腐蝕后的宏觀照片

表6 Q690高強鋼力學性能試驗結果

4 結 論

通過對Q690低合金高強鋼材料焊接性分析，提出了合理的焊接工藝，并對所焊試件進行了工藝評定試驗，試驗結果合格，建議實際施焊過程中應注意以下幾點：

(1)Q690低合金高強鋼對氫及水汽較為敏感，建議施焊場地干燥無風，并在焊前對焊縫位置70mm范圍內打磨至露出金屬光澤。

(2)雙面焊焊縫在背面清根后進行打磨，防止夾渣等缺陷，施焊前對工件進行整體預熱，預熱后溫度不低于80℃。

(3)對于單面中厚板焊縫，在組裝前進行預制反變形，減少焊接應力，焊后禁止加熱調變及機械調變，防止內部出現裂紋及材料軟化。

(4)焊接過程需保證層間溫度大于預熱溫度以便于氫的逸出，焊速不宜過快，運弧適當，注意施焊角度，保證焊接電流不超過規范電流的±20A。

(5)焊后石棉被保溫降低冷卻速度，并及時進爐進行焊后熱處理消除焊接應力。

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Analysis on Full Penetration Welding Process of Q690 High Strength Steel Plate with Moderate Thickness

SUN Bo,HU Xin,HE Jiyou,LI Xuzhong
(CNPC BaoJI Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721000,Shaanxi,China)

Aiming at some characteristics of new material grade Q690 moderate thickness steel plate with high strength and low alloy,such as cold and hot welding crack,big hardening tendency,high residual stress after welding,and strong hydrogen induced cracking sensitivity.By researching on MK·GHS70 welding wire matching with high strength Q690 steel,including prewelding treatment,controlling preheating temperature and interlayer temperature,reducing welding heat input and the right heat treatment after welding,to obtain reasonable welding parameters,and through ultrasonic flaw detection and mechanical performance inspection process feasibility.The results showed the full penetration welding process of high strength Q690 steel plate completely meet the requirements of design and production.It successfully solved the full penetration welding problem for steel plate moderate thickness.This method has been successfully adopted in offshore platform crane,marine derrick and other equipment,and achieved good results.

welding;Q690 high strength steel plate with moderate thickness；welding crack；welding parameter

TE973

B

1001-3938(2015)01-0059-04

孫 博(1985—)，男，國際焊接工程師，主要從事鋼結構制作及焊接工藝研究工作。

2014-09-03

李紅麗

西氣東輸三線東段隧道全部貫通

2014年12月28日，西氣東輸三線(簡稱西三線)東段九龍江水下鉆爆隧道順利貫通。至此，西三線東段54座隧道全部貫通，未發生一起質量安全環保事故，為西三線東段按期建成投產奠定了基礎。

西三線東段九龍江隧道穿越工程位于福建省漳州市薌城區浦南鎮，穿越處江面寬約450m，穿越隧道全長1 096.5m，采用東西雙向掘進的鉆爆施工方案。

九龍江隧道東西岸圍巖差異較大。東岸平巷為特殊復雜地質段，各風化層界面高低起伏較大，含水量大，裂隙發育，圍巖無自穩能力；西岸平巷圍巖為Ⅲ級微風化花崗巖，巖質堅硬，完整性好，爆破困難，外部環境復雜。為保證九龍江隧道施工安全，2013年4月工程開工以來，在管道建設項目經理部指揮下，各參建單位嚴格按照技術方案要求，加強過程管控。目前，九龍江隧道正在進行二襯施工，計劃2015年3月交付敷管。

西三線是繼西二線全線建成投產之后的又一條能源戰略通道。西三線東段隧道工程2012年9月25日開工，共有54座隧道，其中控制性隧道16座。西三線東段沿線80％為山區、丘陵地貌，地形起伏較大，山高坡陡，管線穿越山體隧道、穿跨越大型河流眾多，地質條件復雜，存在的自然災害隱患較多。同時，需要避繞一些規劃區、環境保護區、水源地和風景名勝區等環境敏感區，極大地增加了管道建設施工難度。

截至12月29日，西三線東段53座隧道已交付管道安裝，其中48座隧道已完成管道安裝。西三線東段工程已完成工程總量的64.8％。

(汪翰云 摘自中國石油網)