Q690高強(qiáng)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(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000)

Q690高強(qiáng)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(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721000)

針對(duì)新材料Q690低合金高強(qiáng)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(yīng)力高、氫致裂紋敏感性強(qiáng)的問題，通過研究MK·GHS70焊絲與Q690高強(qiáng)鋼匹配性問題，包括進(jìn)行焊前處理、控制預(yù)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(shù)，并通過超聲探傷及力學(xué)性能檢驗(yàn)該工藝可行性。結(jié)果表明，Q690高強(qiáng)鋼中厚板全熔透焊接工藝完全滿足設(shè)計(jì)要求和生產(chǎn)需要，成功解決了中厚板全熔透焊接難題。此方法已經(jīng)成功用在海洋平臺(tái)吊機(jī)、海洋井架等設(shè)備，取得了良好效果。

焊接；Q690高強(qiáng)鋼中厚板；焊接裂紋；焊接參數(shù)

0 前 言

近年來，隨著石油鉆機(jī)開采難度的增大，所需鉆機(jī)對(duì)承載力及焊接質(zhì)量要求也越來越高。目前焊接制造的發(fā)展方向主要是向高性能、高強(qiáng)度材料發(fā)展，進(jìn)一步滿足結(jié)構(gòu)件的輕量化要求，同時(shí)又要提高沖擊性能，對(duì)焊接接頭的“強(qiáng)韌比”要求越來越高，高強(qiáng)鋼(Q390/Q420/Q460/Q490/Q550/Q690/Q960 等)代替普通鋼(Q235/Q345)是各種鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。但保證高強(qiáng)鋼焊縫質(zhì)量是焊接技術(shù)人員急需解決的技術(shù)難題，需要總結(jié)出合理的工藝措施才能得到高質(zhì)量的焊接接頭。

2 焊接工藝試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)材料及方法

2.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為Q690高強(qiáng)鋼，其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。焊絲為φ1.2mm MK·GH S70，其化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。筆者通過研究焊絲與Q690高強(qiáng)鋼匹配問題，分析了焊前處理、焊接參數(shù)及焊后熱處理對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響，以及低強(qiáng)匹配時(shí)焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能。

表1 Q690高強(qiáng)鋼的主要化學(xué)成分 ％

表2 Q690高強(qiáng)鋼的力學(xué)性能

表3 MK·GHS70焊絲主要化學(xué)成分 ％

表4 MK·GHS70焊絲的力學(xué)性能

2.1.2 試驗(yàn)方法

為了保證全熔透，Q690母材對(duì)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(píng)定試樣如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備為NBC-500型氣保焊機(jī)，試驗(yàn)保護(hù)氣體為80％Ar+20％CO2，氣體流量為18～20L/min； 焊接場(chǎng)地在車間，環(huán)境溫度23～25℃。

圖1 工藝評(píng)定試樣

2.2 焊接工藝分析

(1)用Pcm(冷裂紋敏感系數(shù))判定Q690鋼產(chǎn)生冷裂紋的敏感性，即

從計(jì)算結(jié)果可以看出，焊接時(shí)有明顯的淬硬傾向，熱影響區(qū)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(shí)需要較小的熱輸入，焊接熱輸入過高，會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)過熱與脆化，使熱影響區(qū)性能降低。

(2)根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)IIW 推薦的碳當(dāng)量公式對(duì)CEIIW進(jìn)行計(jì)算，即

從計(jì)算結(jié)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(duì)這種情況焊接時(shí)必須采取嚴(yán)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(yù)熱。

(3)氫致裂紋是低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接接頭最危險(xiǎn)的缺陷，為了防止產(chǎn)生裂紋，焊接過程中應(yīng)該保持低氫條件。

綜上所述，Q690高強(qiáng)鋼中厚板焊接過程中具有明顯的淬硬傾向，使得焊縫區(qū)及熱影區(qū)塑韌性下降，同時(shí)氫致問題嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。為防止裂紋的產(chǎn)生，需要在焊前預(yù)熱的基礎(chǔ)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(xiàn)場(chǎng)工藝確定

2.3.1 焊前準(zhǔn)備

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

(2)清除坡口面和其他待焊接部位以及兩側(cè)70mm范圍內(nèi)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(yù)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(jìn)行施焊(見表5)。

(3)焊后及時(shí)用石棉被保溫，防止冷速過快，以保證氫及時(shí)逸出，同時(shí)轉(zhuǎn)入爐內(nèi)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(yīng)力。

(4)整個(gè)過程嚴(yán)禁用火調(diào)變形，防止對(duì)合金元素?zé)龘p造成強(qiáng)度減小，影響塑韌性。

表5 Q690高強(qiáng)鋼中厚板焊接工藝規(guī)范

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用上述焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接后，對(duì)試件焊后48h按AWSD1.1《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》第6章進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，并進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)(見表6)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(qiáng)鋼力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

通過對(duì)Q690低合金高強(qiáng)鋼材料焊接性分析，提出了合理的焊接工藝，并對(duì)所焊試件進(jìn)行了工藝評(píng)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格，建議實(shí)際施焊過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

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

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

(3)對(duì)于單面中厚板焊縫，在組裝前進(jìn)行預(yù)制反變形，減少焊接應(yīng)力，焊后禁止加熱調(diào)變及機(jī)械調(diào)變，防止內(nèi)部出現(xiàn)裂紋及材料軟化。

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

(5)焊后石棉被保溫降低冷卻速度，并及時(shí)進(jìn)爐進(jìn)行焊后熱處理消除焊接應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jiǎn)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(fā)生一起質(zhì)量安全環(huán)保事故，為西三線東段按期建成投產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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(qū)浦南鎮(zhèn)，穿越處江面寬約450m，穿越隧道全長(zhǎng)1 096.5m，采用東西雙向掘進(jìn)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(fù)雜地質(zhì)段，各風(fēng)化層界面高低起伏較大，含水量大，裂隙發(fā)育，圍巖無自穩(wěn)能力；西岸平巷圍巖為Ⅲ級(jí)微風(fēng)化花崗巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，完整性好，爆破困難，外部環(huán)境復(fù)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(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部指揮下，各參建單位嚴(yán)格按照技術(shù)方案要求，加強(qiáng)過程管控。目前，九龍江隧道正在進(jìn)行二襯施工，計(jì)劃2015年3月交付敷管。

西三線是繼西二線全線建成投產(chǎn)之后的又一條能源戰(zhàn)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(qū)、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(zhì)條件復(fù)雜，存在的自然災(zāi)害隱患較多。同時(shí)，需要避繞一些規(guī)劃區(qū)、環(huán)境保護(hù)區(qū)、水源地和風(fēng)景名勝區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)，極大地增加了管道建設(shè)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(wǎng))