電力鐵塔厚板防層狀撕裂焊接工藝

李 強(qiáng)

（中電建成都鐵塔有限公司，四川 成都 610213）

隨著鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，元件的橫截面越來越大，鋼板的厚度越來越厚，厚板會(huì)增加焊接中層狀撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。電力鐵塔塔腳鋼板的厚度通常超過40mm，靴板厚度通常超過16mm，焊接接頭具有T型接頭和角接頭。在焊接過程中，塔腳底部厚度方向上承受較大的拉應(yīng)力，這使得在鋼板的軋制方向上容易開裂。這種焊接產(chǎn)生的層狀撕裂，在外觀上很難發(fā)現(xiàn)，但會(huì)引起質(zhì)量事故，也很難恢復(fù)，因此應(yīng)該加強(qiáng)控制。

1 電力鐵塔厚板焊接工藝分析

電力鐵塔塔腳鋼板材料通常是是包含少量合金元素的低合金鋼，具有高硬度，焊接中容易出現(xiàn)裂紋。厚板焊接是工程的一大問題，為防止焊接層狀撕的發(fā)生，設(shè)計(jì)了下列措施。

1.1 焊接材料

①選擇具有相同強(qiáng)度和塑性剛度的焊接材料，并在焊接前進(jìn)行工藝評定測試，并在測試合格后進(jìn)行正式焊接。②二氧化氣體保護(hù)焊：使用E71T-1或ER50-6焊絲。CO2氣體：CO2含量（V/V）應(yīng)小于99.9%，水蒸氣和乙醇的總含量（m/m）應(yīng)不超過0.005%，不能檢測出液態(tài)水。③對于手工電動(dòng)焊接時(shí)：使用的焊條為E50型。

1.2 焊前預(yù)熱

①焊接前應(yīng)預(yù)熱，以減少內(nèi)部應(yīng)力，防止開裂并提高焊縫性能。②最低預(yù)熱溫度100℃。③T型接頭比對接接頭的預(yù)熱溫度應(yīng)高于25℃～50℃。④操作環(huán)境溫度低于正常溫度（0℃以上），則預(yù)熱溫度應(yīng)高于15℃～25℃。⑤預(yù)熱方法采用電加熱和火焰加熱，火焰預(yù)熱僅用作單個(gè)部件，應(yīng)注意均勻加熱。熱點(diǎn)儀自動(dòng)控制加熱溫度，測溫筆用于測量距焊縫中心75mm的溫度，在加熱區(qū)的背面選擇測溫點(diǎn)。

1.3 焊接過程采取的措施

①后層具有對前層除氫的作用，并且由于能夠改善前層焊縫和加熱影響區(qū)的結(jié)構(gòu)，因此采用多層焊接和多道焊接。當(dāng)每個(gè)焊道完成后，有必要仔細(xì)清潔，仔細(xì)檢查并清除缺陷，然后焊接下一層。②每個(gè)焊接層的焊縫始終端應(yīng)相互錯(cuò)開50mm以上。③層之間的溫度應(yīng)與預(yù)熱溫度相同。④不能在焊接過程中停止實(shí)施焊接。⑤焊接采用邊振邊焊或錘擊技術(shù)用于消除焊接過程中的焊接應(yīng)力。由于在焊接和振動(dòng)過程中焊縫組織結(jié)晶延遲，可以充分讓焊縫中的氫等有害雜質(zhì)流出，并減少焊縫金屬的氫含量以及雜質(zhì)偏析，減少層狀撕裂，使焊縫晶粒更加細(xì)化，焊縫的可塑性和剛性得到改善，因此焊縫的機(jī)械性能得到改善。通過焊接金屬在振動(dòng)下結(jié)晶，降低了焊接應(yīng)力并提高了層狀撕裂和抗焊接阻力。⑥在焊接過程中，應(yīng)注意每次焊縫深度之比為1.1或更大。

2 電力鐵塔厚板層狀撕裂產(chǎn)生原因

在焊接過程中以及焊接后的冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生裂紋，它也可能在焊接完成后發(fā)生，由于結(jié)構(gòu)承受外部載荷而產(chǎn)生裂紋。本文分析了產(chǎn)生層狀撕裂的原因，主要原因如下：①母材因素，母材中存在硫化物和層狀硅酸鹽或氧化鋁聚集在同一平面上，形狀不良。鋼材的硫含量：已知鋼材的含硫是主要因素。硫含量越高，層狀偏析和各向異性等缺陷的可能性就越大，從而導(dǎo)致層狀開裂。碳當(dāng)量是確定受影響淬硬的最重要因素。碳當(dāng)量越高，鋼材淬硬趨勢就越高，組織就越容易出現(xiàn)脆化，并且更容易產(chǎn)生層狀裂紋。②向拘束應(yīng)力，即焊接殘余應(yīng)力，是導(dǎo)致層狀撕裂的機(jī)械條件。在焊接期間會(huì)發(fā)生熱膨冷縮，由于母材厚度厚，不容易變形，由于沒有釋放殘余應(yīng)力而產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力達(dá)到極限時(shí)，會(huì)形成層狀撕裂。③外部荷載作用力，施加的外部荷載是產(chǎn)生層狀撕裂的主要要素。在外加載荷的影響下，母材的應(yīng)力和載荷條件發(fā)生變化，裂紋的形成速率增加。④氫的影響，通?？梢韵氲?，熱影響區(qū)域附近形成的層狀撕裂主要由于冷裂紋誘發(fā)的，其中氫是重要的影響因素。然而，遠(yuǎn)離熱影響區(qū)域處的母材通常產(chǎn)生層狀撕裂不受氫影響。

3 電力鐵搭厚板結(jié)構(gòu)層狀撕裂防止措施

3.1 原材料控制

GBT1591《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》要求Q345B鋼中S含量為0.04%，P含量≤0.04%。在廠對原材料進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，仔細(xì)檢查鋼板中S和P的含量，S，P材料的實(shí)際測量值應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)含量。厚板原材料進(jìn)入廠后，有必要單獨(dú)進(jìn)行無損檢查，以確認(rèn)是否存在板內(nèi)夾層，不合格的鋼板必須將其退回以。

3.2 焊接接頭設(shè)計(jì)

本文根據(jù)到目前為止的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)并提出了一些現(xiàn)場焊接經(jīng)驗(yàn)和接頭設(shè)計(jì)的方法。焊接接頭的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能防止變形，避免厚度方向上有殘余應(yīng)力，在這種情況下，應(yīng)采用較小的焊接角度，以滿足焊接深度和焊接致密性要求。

3.3 焊接工藝控制

3.3.1 焊接材料的選擇

在滿足接頭強(qiáng)度要求的條件下。ER506焊絲是一種脆弱的氫焊接材料，使用具有優(yōu)異塑性性能的材料，良好的塑性是公認(rèn)的厚板焊接材料。

3.3.2 焊接方法的選擇

在焊接厚板時(shí)，使用富含氬氣的混合氣體保護(hù)層（Ar85%，CO215%）。這種焊接方法是低氫焊接方法之一。焊縫比純CO2氣體更易于控制金屬中的氫含量。

3.3.3 坡口的制備

厚板坡口應(yīng)采用機(jī)械坡口進(jìn)行加工，以防止采用火焰切割焊縫部位重復(fù)加熱。在坡口加工過程中，有必要根據(jù)要求嚴(yán)格限制坡口角度和鈍邊尺寸的差異。在預(yù)熱焊接之前，有必要根據(jù)焊接前預(yù)熱鋼板的厚度確定適當(dāng)?shù)臏囟燃訜幔枰m當(dāng)提高焊縫的加熱溫度，以免產(chǎn)生額外的應(yīng)力。通過在焊接前進(jìn)行預(yù)熱，通?？梢员苊庠诤附咏宇^時(shí)出現(xiàn)裂紋。

3.4 焊后熱處理

焊縫的焊接熱處理將有效降低焊縫金屬的氫含量，它還減少了焊接中冷裂紋的出現(xiàn)，有效地防止了母材的層狀撕裂出現(xiàn)。整個(gè)焊接過程完成后，對焊縫和母材整體熱處理，并確保去除母材內(nèi)部的焊接殘留應(yīng)力。

4 電力鐵塔厚板焊接工藝的過程控制

4.1 定位焊控制

在厚板定位焊時(shí)，是最容易出現(xiàn)問題的。當(dāng)厚板定位焊時(shí)，定位焊處的溫度會(huì)被周圍的“冷卻介質(zhì)”迅速冷卻，從而導(dǎo)致過度的應(yīng)力集中，造成局部損壞和裂紋，解決方案是增加厚鋼板定位焊接時(shí)的預(yù)熱溫度，并增加定位焊的長度和焊接面的尺寸。

4.2 多層多道焊工序控制

在厚板焊接過程中，多層焊接和多道焊接是該過程中的重要原理。這是由于厚板焊縫的坡口大，單層單道焊縫無法填充坡口。有些焊工為了方便進(jìn)行寬道焊接，這種焊接的結(jié)果是，較大的殘余應(yīng)力和相對較弱的焊接強(qiáng)度，易于開裂和延遲裂紋產(chǎn)生。多層和多道焊接的優(yōu)點(diǎn)在于，在前一道焊接對后一道焊接來說是“預(yù)熱過程”，可以提高焊接質(zhì)量。

4.3 采用埋弧自動(dòng)焊接控制

在焊接過程中，采用埋弧自動(dòng)焊接，在正面和反面上使用少量的焊接線能量。在此處使用埋弧自動(dòng)焊接，這不僅不用擔(dān)心第一焊道會(huì)將坡口鈍邊穿破，而且最重要的是防止凝固裂紋產(chǎn)生。焊接厚鋼板的變形最主要的是角變形，為了控制變形，通常首先焊接正面焊道，然后再焊接背面的焊道，盡可能減少焊接變形和焊縫內(nèi)應(yīng)力。

5 結(jié)語

層狀撕裂在鋼結(jié)構(gòu)的厚焊接中是一個(gè)大問題。一旦發(fā)生層狀撕裂，損傷相當(dāng)嚴(yán)重。特別是在電力鐵塔中，所以需要引起注意。為此，必須嚴(yán)格控制進(jìn)入工廠的材料的質(zhì)量，不要將母材雜質(zhì)超標(biāo)的材料引入工廠。設(shè)置適當(dāng)?shù)暮附咏宇^，降低殘余應(yīng)力，確保不要發(fā)生層狀撕裂，在加工過程中仔細(xì)監(jiān)控?zé)彷斎耄_保焊接質(zhì)量并防止焊接缺陷發(fā)生。