結(jié)構(gòu)鋼焊接過程工作溫度控制研究

徐彥偉 金建飛 方廣超

摘要：為滿足社會對節(jié)能減排的要求，工業(yè)設(shè)備的輕量化勢在必行，結(jié)構(gòu)鋼向著更高級別和更加理想的綜合性能發(fā)展。近年來大型履帶吊和高端煤礦機(jī)械液壓支架規(guī)格及數(shù)量不斷增長，使得市場上對屈服強(qiáng)度890MPa以上級別高強(qiáng)鋼的需求不斷增多，更高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在工程機(jī)行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。基于此，本文主要對結(jié)構(gòu)鋼焊接過程工作溫度控制進(jìn)行了簡要的分析。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)鋼;焊接;溫度控制

中圖分類號：TG161 ?????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

近年來，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)加快，高鐵建設(shè)項(xiàng)目更是取得了舉世矚目的成就，城市大型建筑、鐵路大跨度橋梁也日益增多。我國目前廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁工程的結(jié)構(gòu)鋼，隨著建筑規(guī)模、橋梁跨度的越來越大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也越來越大，傳統(tǒng)用鋼已越來越難以滿足實(shí)際需要。本文主要對結(jié)構(gòu)鋼焊接過程工作溫度控制策略進(jìn)行了簡要的分析。

1結(jié)構(gòu)鋼焊接過程工作溫度影響分析

1.1淬火溫度對試驗(yàn)鋼性能和顯微組織的影響

870℃淬火時(shí)，屈服和抗拉強(qiáng)度最低，達(dá)不到Q890E的標(biāo)準(zhǔn)要求;淬火溫度提高至890℃，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高75MPa和68MPa;890～930℃淬火時(shí)，強(qiáng)度變化不明顯;950℃淬火，抗拉強(qiáng)度略有升高，而屈服強(qiáng)度顯著降低，屈強(qiáng)比變化情況與屈服強(qiáng)度變化情況相似，先升高后降低，在950℃淬火時(shí)達(dá)到最低值0.9。870～910℃淬火時(shí)，沖擊性能較好，在100J以上，890℃淬火最好，平均沖擊功169J;淬火溫度升高到930～950℃，沖擊性能急劇降低，950℃淬火最差，平均沖擊功僅28J。硬度性能隨淬火溫度升高變化趨勢與抗拉強(qiáng)度變化近似，淬火溫度由870℃提高至890℃，硬度提高30HV左右;890～930℃淬火時(shí)，硬度變化不大，較為接近;淬火溫度提高至950℃時(shí)，硬度提高10HV左右。綜合強(qiáng)韌性的匹配考慮，890～910℃為比較理想的淬火溫度。不同溫度淬火條件下的顯微組織，軋態(tài)組織由少量板條貝氏體、粒狀貝氏體以及M-A組元構(gòu)成，晶粒形態(tài)為扁平狀。在進(jìn)行淬火加熱時(shí)，鋼板組織重新奧氏體化，軋態(tài)扁平晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒。870℃淬火時(shí)，因加熱溫度低，一些未溶碳化物阻止晶粒長大，使得晶粒較為細(xì)小，可提高試驗(yàn)鋼的強(qiáng)韌性;但在此溫度下加熱，試驗(yàn)鋼奧氏體化不完全，合金元素不能全部固溶，影響其淬透性，從而使強(qiáng)度性能降低;此外，部分未奧氏體化的鐵素體在淬火后保留于最終組織中，分布在馬氏體基體上，這種欠熱組織也會降低試驗(yàn)鋼的強(qiáng)度，但這種組織構(gòu)成使得試驗(yàn)鋼具有較高的延伸率。隨著淬火加熱溫度提高至890℃以上時(shí)，試驗(yàn)鋼的顯微組織以回火索氏體為主。淬火溫度升高，鋼中更多的碳化物溶于奧氏體中，晶粒尺寸逐漸增大，晶界面積減小，鐵素體形核點(diǎn)數(shù)量減少，鋼的淬透性提高。同時(shí)，這些固溶于奧氏體中的碳和合金元素可在淬火后的回火過程中大量析出，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化組織，提高試驗(yàn)鋼的抗拉強(qiáng)度。但隨著碳化物的固溶，抑制晶粒長大的作用削弱，細(xì)晶強(qiáng)化效果減弱，對強(qiáng)度有不利的影響，因此，淬火溫度對強(qiáng)度性能的影響是多方面原因的綜合作用的結(jié)果。在890～950℃淬火時(shí)抗拉強(qiáng)度變化不大，說明淬透性的提高和回火時(shí)碳化物的析出對強(qiáng)度的有利影響抵消了晶粒長大的不利影響。在890～930℃淬火時(shí)，屈服強(qiáng)度變化情況呈現(xiàn)出類似抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律;當(dāng)淬火溫度升高至950℃時(shí)，屈服強(qiáng)度急劇降低，這是因?yàn)榫Я４执螅Ы鐪p少使得試驗(yàn)鋼位錯(cuò)滑移阻力減小。淬火溫度對奧氏體晶粒度和隨后回火過程碳化物析出的影響同樣導(dǎo)致了沖擊韌性的差異。淬火溫度升高，晶粒長大，淬火后板條束尺寸增大，降低材料的低溫沖擊韌性;而更多固溶的合金元素增大了淬火組織的過飽和度，回火后，大量彌散分布的碳化物提高了材料的沖擊韌性。在本文試驗(yàn)條件下，晶粒尺寸對韌性的影響更為明顯，淬火溫度高于930℃，沖擊功急劇降低。

1.2回火溫度對試驗(yàn)鋼性能的影響

不同溫度回火處理試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及屈強(qiáng)比測試結(jié)果。經(jīng)過450～600℃保溫60min回火處理，隨著回火溫度的升高，鋼試樣抗拉強(qiáng)度先降低再升高，屈服強(qiáng)度逐漸升高，屈強(qiáng)比逐漸升高。

2結(jié)構(gòu)鋼焊接過程工作溫度控制研究

2.1預(yù)熱溫度的控制

低溫環(huán)境下，管口溫度較低，散熱速度快，突然將溫度提升至金屬熔融溫度，會導(dǎo)致管材驟然開裂，因此，對T91/P91鋼管焊前預(yù)熱，對防止產(chǎn)生冷裂紋、改善接頭組織和減少焊接殘余應(yīng)力起到重要的作用。通常T91/P91鋼管氬弧焊預(yù)熱溫度為：150～200℃，焊條電弧焊預(yù)熱溫度：200～250℃。為保證低溫環(huán)境下管道預(yù)熱溫度達(dá)到工藝要求，焊前預(yù)熱措施應(yīng)在防風(fēng)保溫棚內(nèi)進(jìn)行，以減緩熱量散失;加熱方式應(yīng)采用自動(dòng)控制遠(yuǎn)紅外電加熱，熱電偶對稱分布于坡口兩側(cè)，且不少于2個(gè)，熱電偶距離坡口邊緣25～35mm;加熱時(shí)，保溫材料必須覆蓋整個(gè)加熱器，且保溫材料應(yīng)包厚一點(diǎn)。

2.2層間溫度的控制

在整個(gè)焊接過程中，焊口層間溫度要嚴(yán)格控制在焊接工藝所規(guī)定的溫度范圍內(nèi)200～300℃，層間溫度過高、過低都不利于接頭缺陷和性能控制。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，層間溫度偏差較大，僅依靠熱電偶測溫不能反映真實(shí)的層間溫度，易造成層間溫度超標(biāo)。為確保層間溫度差不超過允許值，可采用便攜式遠(yuǎn)紅外測溫儀對層間溫度輔助測溫，以達(dá)到較好的效果。

2.3熱輸入控制

低溫環(huán)境下，對熱輸入的控制要求很高，熱輸入的大小對焊縫及其熱影響區(qū)的性能也有很大影響。熱輸入過大，晶粒尺寸生長越大，易形成魏氏組織、粗大晶粒和網(wǎng)狀晶界，降低焊縫沖擊韌性、增大冷裂傾向。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，采用小的熱輸入，如小的焊接電流、低電弧電壓、窄焊道薄焊層、較快的焊接速度、較小直徑的焊條可以防止產(chǎn)生過熱組織和晶粒粗化，提高焊縫沖擊韌性。

2.4焊接道間溫度控制

通過合理控制焊接道間溫度，可有效降低冷卻速度，防止出現(xiàn)冷裂紋和脆硬組織。在合適的道間溫度下，隨著焊縫冷卻過程中散熱溫度梯度的降低，在400℃左右冷卻緩慢，對焊縫中的脆硬組織起到回火作用。道間溫度高會使焊接冷卻速度慢和道間熱作用區(qū)寬度增加，高溫停留時(shí)間長。實(shí)際生產(chǎn)中要求焊接道間溫度高于預(yù)熱溫度、低于評定最高道間溫度，最低道間溫度的控制目的是希望能降低脆性組織轉(zhuǎn)變時(shí)的冷卻速度，最高道間溫度的控制是避免冷卻速度慢而形成組織粗大。

結(jié)束語

總而言之，結(jié)構(gòu)鋼焊接材料以鋼鐵為主，材料熔點(diǎn)多在150℃左右，在外力作用下，缺陷處或應(yīng)力集中處會產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，最后導(dǎo)致焊接接頭處產(chǎn)生了冷裂紋.因此隨著預(yù)熱溫度的升高，焊接接頭的冷卻速度逐漸降低，焊縫中擴(kuò)散氫含量減少，準(zhǔn)解理、韌窩斷為確保焊接縫可以完全吻合，焊接兩端穩(wěn)固性聯(lián)合，要求焊接人員要在焊接時(shí)，準(zhǔn)確把握焊接材料的焊接溫度。

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