優(yōu)化焊接工藝 防止焊件低溫脆性破壞

達運社 達卿文

（1.青島匯金通電力設(shè)備股份有限公司，青島 266327；2.中國石油天然氣第七建設(shè)有限公司設(shè)計研究院，青島 266100）

2016年3月，青島匯金通電力設(shè)備股份有限公司承擔了加拿大金礦某輸電工程鋼桿基礎(chǔ)的制造任務(wù)。由于使用地為高山峻嶺，地質(zhì)結(jié)構(gòu)為青石山，無法使用混凝土基礎(chǔ)，只能將鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)錨固在山石上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，材質(zhì)為 SA572 Gr65。

圖1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及焊縫布置圖

鋼桿基礎(chǔ)主要載荷為：塔架質(zhì)量、水平張力、風(fēng)力以及地震力等。產(chǎn)品用于加拿大魁北克省，屬嚴寒地區(qū)，使用地極限溫度為-40℃，風(fēng)力較大；該鋼桿基礎(chǔ)在工作狀態(tài)下，不僅承受著較大的靜載荷，還承受著大小不等、毫無規(guī)律的動載荷；工作溫度不僅是常溫，還有低溫。這就決定輸電工程鋼桿基礎(chǔ)的機械性能，不僅要滿足常溫下的強度、剛度要求，而且還要滿足在低溫工況下不發(fā)生低溫脆性破壞。因此，對焊接提出了較高的技術(shù)要求：焊接執(zhí)行標準CSA W59.1和W47.1。主要焊縫F1、F2、V1采用全焊透的結(jié)構(gòu)形式，且100%無損檢測，符合CSA W59.1標準；主體材料（ASTM A572 GR65）以及焊接接頭在-30℃時，夏比V型缺口沖擊試驗平均值不小于20J。

該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接接頭數(shù)量多，焊接量大，焊接殘余應(yīng)力大，再加上鍍鋅時溫差應(yīng)力的疊加效應(yīng)影響，焊接殘余應(yīng)力及焊縫開裂的現(xiàn)象有可能出現(xiàn)，焊接接頭低溫脆性斷裂的幾率增加，這就要求制造過程中合理地制定焊接規(guī)范，安排焊接順序，最大限度地減小變形，最大限度地減小焊接殘余應(yīng)力，防止脆性破壞將是需要解決的主要問題。

1 焊接缺陷及殘余應(yīng)力對低溫脆性的影響

組對、焊接過程中不可避免地會產(chǎn)生加工應(yīng)力，特別是焊接殘余應(yīng)力和焊縫缺陷過大，是焊縫在低溫環(huán)境下產(chǎn)生脆性斷裂的主要原因。焊接過程中由于不均勻的溫度場存在，導(dǎo)致焊件產(chǎn)生不均勻的膨脹與收縮，在構(gòu)件中產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。同時，幾乎每個焊接接頭都存在板材厚薄不一、焊接密度不均、余高不等、材質(zhì)不一致、荷載不連續(xù)的問題。焊縫中不可避免地存在超標或不超標的氣孔、夾渣、咬邊等缺陷的存在，出現(xiàn)了焊縫結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，便產(chǎn)生了另一種表現(xiàn)形式的邊緣應(yīng)力，這些都是影響焊縫低溫韌性的重要原因。構(gòu)件的低溫性能很大程度上取決于焊接接頭的性能。

2 防止脆性斷裂的措施

構(gòu)件在低溫狀態(tài)下易產(chǎn)生低溫脆性破壞，低溫脆斷是在沒有預(yù)兆的情況下突然發(fā)生的，破壞性很大，一旦發(fā)生，會產(chǎn)生嚴重的后果，因此，在構(gòu)件制造過程中需在選材、焊接過程各方面采取措施，防止低溫脆斷的事故發(fā)生。

工程上，為了防止構(gòu)件在低溫下發(fā)生脆性斷裂，往往選用高強度低溫用鋼，選用與母材相適應(yīng)的焊材，采用經(jīng)過焊接工藝評定合格的焊接工藝參數(shù)，嚴格的焊接操作及質(zhì)量檢驗，最大限度地降低焊接殘余應(yīng)力及焊接缺陷，提高焊接接頭的低溫韌性。

加拿大金礦某輸電工程鋼桿基礎(chǔ)主體材質(zhì)為STM A572 GR65（簡稱GR65），焊材為ER80S-Ni1，GR65鋼是一種典型的低合金高強度鋼，既有較高的強度，又有良好的韌性，是制造低溫工況下高壓電力輸送塔架的優(yōu)選材料。該材料屬可焊性能較差的Ⅳ類材料，淬硬傾向較高，焊后裂紋傾向大，焊后殘余應(yīng)力較大。這些都是影響低溫韌性的重要因素，特別是焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力必須采取一定的措施予以最大限度的降低。

2.1 選擇與母材相同匹配的焊接材料

選擇與母材相同匹配的焊接材料，以減小材料不連續(xù)引起的邊緣應(yīng)力。母材、焊材機械性能詳見表1。

表1 母材、焊材匹配表

2.2 選用合理的焊接工藝參數(shù)

為了選用合理的焊接工藝參數(shù)，依據(jù)加拿大焊接CSA W59.1的要求，采用CO2氣體保護焊接方法分別做了3組焊接工藝評定，詳見表2、表3。

表2 焊接工藝評定覆蓋范圍一覽表

表4 焊接工藝評定結(jié)果一覽表

表5 焊接工藝參數(shù)表

所有焊接工藝評定試樣都經(jīng)加拿大CSA機構(gòu)認可的具有資質(zhì)的第三方進行理化試驗，其性能完全符合標準要求。詳見表4。

依據(jù)以上焊接工藝評定報告，結(jié)合本公司焊工水平焊接設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)狀，編制符合要求的焊接工藝參數(shù)。詳見表5。

2.3 合理選擇焊腳尺寸和形狀

焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接殘余應(yīng)力的大小，焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接殘余應(yīng)力大，焊縫缺陷多，產(chǎn)生低溫脆性破壞的幾率也越大。因此，在保證結(jié)構(gòu)的承載能力條件下，對主要受力焊縫V1、F1、F2采用全焊透的坡口形式，焊腳尺寸控制在1/4 板厚，且不大于10mm，對于其余的丁字接頭，板厚大于14mm可以采用對稱的全焊透的焊接方法，可以比一般角焊縫減少焊縫金屬，角焊縫形狀要成凹型。

2.4 合理安排焊縫位置

在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，最大限度地降低殘余應(yīng)力的疊加。選用合理的焊接順序，焊接F1、F2環(huán)焊縫前，將其分為12等分，分別由2名焊工分段、對稱焊接；筋板焊接，則按照所處的位置隔2塊筋板焊1塊筋板，焊接順序為V1、F3、F4、V4，V1、V4，自下而上焊接，F(xiàn)3、F4則由里向外焊接。

采用多層多道焊接方法，前一道焊縫是后一道焊縫的預(yù)熱，后一道焊縫則是前一道焊縫的正火或回火熱處理。同一條焊縫，前道焊縫按順序全部焊完后才允許焊后道焊縫，各層焊縫的接頭應(yīng)相互錯開，（不允許在同一個部位起落?。：缚p的接頭不應(yīng)處在縱橫焊縫的交叉點，每道焊縫高度不應(yīng)超過5mm，每焊完一層都要清除熔渣及飛濺物，如發(fā)現(xiàn)有氣孔、夾渣、未焊透等缺陷時，必須清除重焊。

2.5 降低焊縫內(nèi)部缺陷

每層焊縫起點應(yīng)錯開，起弧、落弧處必須打磨，方可繼續(xù)焊接，最大限度地降低焊縫內(nèi)部缺陷，降低產(chǎn)生低溫脆性破壞的源泉。

2.6 減小焊接殘余應(yīng)力

采用焊前預(yù)熱，減小溫度梯度，減小焊接殘余應(yīng)力。對于F1、F2焊縫兩側(cè)加熱，焊前預(yù)熱溫度為120℃，其余焊縫預(yù)熱溫度為80℃。

3 效果驗證

為了驗證以上措施的效果，制作一個與正式產(chǎn)品材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及焊接方法相同的模擬試件（產(chǎn)品的1/6），分別在受力最大、焊腳尺寸最大的上環(huán)焊接接頭F2的焊縫區(qū)及熱影響區(qū)取樣，進行-30℃的低溫沖擊試驗，平均沖擊功分別為：32J和36J，結(jié)果證明產(chǎn)品完全滿足高寒地區(qū)的要求。

4 結(jié)語

焊接殘余應(yīng)力以及焊接缺陷是導(dǎo)致低溫脆性破壞的主要因素，在焊接過程中必須引起高度重視，特別是高寒地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)，否則，將會造成難以彌補的嚴重后果。在焊接前應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)特點，制定出詳盡的焊接工藝，并認真執(zhí)行，最大限度地降低焊接殘余應(yīng)力，提高焊接構(gòu)件抗低溫脆性破壞的能力。對于重要的構(gòu)件，建議制作與正式產(chǎn)品取相同材料、相同結(jié)構(gòu)、相同焊接工藝的產(chǎn)品焊接模擬試件（或具有代表性的一部分產(chǎn)品），在關(guān)鍵的受力焊縫上及熔合區(qū)取樣進行低溫沖擊試驗，以驗證其抗低溫脆性破壞的能力，合格后方可正式焊接。