WDB620/Q345C异种钢的焊接工艺

摘要 本文以云南金汉拉扎电站岔管现场安装为例，简要介绍高强钢岔管WDB620、低合金钢钢管Q345C异种钢的焊接工艺。

关键词 高强钢岔管 低合金钢钢管 异种钢的焊接工艺

Abstract The bifurcated tube site of Cloud 南金汉拉扎 power plant installation, for example, a brief introduction of high-strength steel fork tube WDB620, low alloy steel pipe the Q345C dissimilar steel welding process.Keywords high strength steel manifords low-alloy steel pipe dissimilar steel welding process

中图分类号：TU511.3+7文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

从现代的焊接技术来说，大多数两种不同的金属或合金（甚至包括诸如石墨、玻璃、陶瓷和金刚石等具有结晶状态的非金属与金属）之间都可以进行焊接。当然，对于某些组合的异种金属可以采用常用的焊接方法和焊接工艺即能获得满意的结果，而对于另外一些焊接性差的异种金属组合就不得不采用特种焊接方法和复杂的焊接工艺才能获得符合要求的焊接接头。本文以云南金汉拉扎水电站高强钢岔管现场安装为例，浅谈WDB620/Q345C不同材质钢材的焊接工艺。

金汉拉扎水电站引水压力钢管主管直径φ2200mm，支管直径φ1500mm/φ900mm，钢管（衬）采用Q345C钢材，岔管采用Y型加月牙肋板形式，主材为WDB620高强钢，其中主管内径为φ2200mm，支管内径为φ1500mm，岔管壁厚为44mm，月牙肋板厚度为70mm，公切球φ=2560mm,岔管总重量为15.273T，其中岔管结构安装如下图所示：

图1：岔管结构安装示意图

这两种材料的焊接为异种材料的焊接，非调质高强钢WDB620岔管和低合金钢Q345C钢管的焊接工艺直接影响岔管的安装质量，采用科学合理的焊接工艺显得尤为重要。

1、WDB620 非调质高强钢、Q345C低合金钢的主要技术性能

异种金属的焊接，由于焊缝金属与母材金属在成分、组织及性能上的明显区别，会引起一系列在同种金属焊接时所不存在的问题，这在选择焊接方法及焊接材料以及确定工艺规范时都需加以考虑。异种金属能否获得满意的焊接接头，首先取决于被焊金属的物理-化学性能和采用的焊接方法和工艺。

表1： WDB620高强钢、Q345C化学成分，%

表2：WDB620、Q345C力学性能

根据碳当量Ceq（%）=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15以及焊接裂纹敏感系数Pcm(%)=C+ Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B公式计算可以得出：WDB620碳当量Ceq≤0.42%，焊接裂纹敏感系数Pcm≤0.15%，由此看出，与其他调质高强钢相比较而言，WDB620高强钢具有良好的强韧性匹配、优良的低温冲击韧性和冷成形性、具有较好的焊接性能，裂纹倾向较小，但由于板厚(板厚δ为44mm)较大，在焊接热循环的强烈作用下,焊接接头易产生敏感的金相组织, 其熔敷金属内部不可避免的会产生晶格缺陷, 进而产生焊接缺陷；低合金钢Q345C碳当量Ceq≤0.51%，大于0.45%，可见Q345C低合金钢焊接性能不是很好，焊接裂纹敏感系数Pcm≤0.32%，裂纹倾向较大,Q345C钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织-马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降，导致焊后发生裂纹。因而考虑到以上使焊接接头产生焊接缺陷的不利的因素, 从材料控制及工艺措施出发,对于WDB620、Q345C异种钢的焊接需制定严格的工艺措施，在焊接过程中严格控制线能量、焊前预热和焊后保温等措施。

2、WDB620非调质高强钢岔管/Q345C低合金钢钢管的焊接工艺

由于WDB620高强钢、Q345C低合金钢母材的化学成分、物理性能及力学性能都有较大的差异，焊接时必须采取一定的特殊工艺措施才能获得满意的焊接接头。

焊接材料的选择：正确选择焊接材料是异种钢焊接时的关键，焊接接头质量和性能与焊接材料的关系十分密切。异种钢焊接接头的焊缝和熔合区，由于有合金元素被稀释和碳迁移等因素的影响，存在着一个过渡区段，这里不但化学成分和金相组织不均匀，而且物理性能也不同，甚至力学性能也有极大的差异，可能引起缺陷或严重降低性能，所以必须按照母材的成分、性能、焊接接头形式和使用要求正确的选择焊接材料。对于高强钢与低合金钢的焊接，应选择与强度较低的母材相匹配的焊接材料，且焊缝金属的抗拉强度不超过强度较高的母材标准规定的抗拉强度上限值。在WDB620高强钢与Q345C低合金钢的焊接过程中，由于Q345C钢的冷裂纹倾向较大，应选用低氢型的焊接材料，同时考虑到焊接接头应与Q345C母材等强的原则，选用E5015型电焊条，其化学成分及力学性能分别见表3、表4所示。

表3 ：E5015焊条化学成分（%）：

表4： E5015焊条力学性能：

焊前准备: 焊条E5015经350℃烘焙，保温1-2h烘干后焊条保存在150℃保温筒内，做到随取随用；

焊接设备：ZX7―400S焊机；

焊接方法：采用手工电弧焊；

焊接坡口：根据规范及图纸要求，WDB620高强钢岔管与Q345C低合金钢压力钢管主管管体、支管管体的施工现场安装环缝坡口分别如下图图2、图3所示：

图2：高强钢岔管与主管管体的安装焊缝坡口示意图

图3：高强钢岔管与支管管体的安装焊缝坡口示意图

异种钢焊接时，预热温度主要根据母材的淬火裂纹倾向大小和焊缝金属的合金化程度来确定，通过合理的焊后热处理，可以改善焊接接头的组织和性能，消除部分焊接残余应力与促使焊缝金属中的氢逸出。通过焊接工艺评定试验，制定出科学合理的焊接工艺规范，以获得综合力学性能较好的焊接接头，根据WDB620/Q345C钢的焊接工艺评定结果，其预热温度、层道间温度及焊接热输入范围见表5；

表5：WDB620/Q345C预热温度、层间温度及焊接热输入

注：当环境气温低于0℃或湿度大于90%时，预热温度取上限值。

WDB620高强钢/Q345C钢施焊时采用以下焊接工艺参数：

表6：焊条电弧焊焊接参数

注：（1）焊接工艺参数可适当调整，但焊接热输入不应超出表5中规定；

（2）DC+表示直流反接法。

为减小焊接变形,提高焊缝的塑性和韧性,焊接采用小线能量,快速多层多道焊，每层熔敷金属厚度不大于焊条直径。在同一层焊缝断面上,焊缝底部采用全宽度运条;中部由两侧向中央微摆动多层多道施焊;最后,盖面焊则采用全宽运条，保证焊接条纹一致。根据金汉拉扎水电站岔管安装现场实际情况，对于WDB620高强钢岔管与Q345C钢管管体的焊接，先焊安装焊缝内坡口，采用小范围焊接，特别是第一层的焊接，增加焊接层次，以此减少焊接变形量。层（道）间将熔渣及飞溅清理干净，并进行逐层检查，经自检合格后方可焊接次层焊缝，各层道焊缝之间接头应错开，每层焊接接头应错开15-20mm。内坡口焊接完毕后，背面采用碳弧气刨清根，使内外两面焊缝的实际面积接近相等，有利于减少焊接变形及降低残余应力，用机械方法清除刨槽渗碳层并呈金属光泽，防止表层碳化严重造成裂纹，最后再焊接外坡口直至焊满，焊缝应圆滑过渡，其表面不得有裂纹、弧坑、气孔等缺陷，焊后清除焊渣及飞溅物。

（1）提高施工人员的质量意识是贯彻焊接工艺的关键。

在施工前，进行全员技术交底，详细讲解焊接工艺特点及严格控制现场焊接工艺的必要性和控制要点。

（2）施焊前应检查定位焊缝的质量，若有缺陷应予清除，并重新进行焊接。

（3）预热温度、层间温度及焊接热输入

a）有预热要求焊缝在焊接过程中应不低于预热温度，层（道）间温度不应超出表5所规定的范围；

b）焊接的预热、层间温度、热处理由热处理控温柜自动控制，采用远红外履带式加热炉片，微电脑自动设定曲线和记录曲线，热电偶测量温度。预热时热电偶的测点距离坡口边缘15-20mm；

c）须设置专职人员对焊接过程中预热温度、层（道）间温度及焊接热输入进行测定和控制，如超标应立即通知焊工暂停作业；

d）需后热焊缝应在焊后（不低于预热温度）立即进行，加热宽度与预热时要求相同。

（4）WDB620钢和WDB620/Q345C清根后，应及时焊接。

（5）焊接完成后应在12小时内进行焊后热处理，如不能及时进行热处理应采取保温、缓冷措施。在进行热处理时应采用两根热电偶测温，热电偶点焊在安装焊缝坡口的里外侧。

3、焊后质量检验

（1）焊后通过肉眼对焊缝裂纹、表面夹渣、咬边、未焊满、表面气孔、焊瘤、焊接飞溅等进行检查满足规范要求，所有焊缝按DL 5017―2007 《压力钢管制造、安装及验收规范》中表6.4.1 中的相关规定进行焊缝外观检查。

（2） 根据合同及规范要求，对岔管现场安装焊缝进行100%超声波检测，内部质量无损探伤评定依据GB/T 345―1989《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级》。

4、结语

通过实践证明，选用上述合理的焊接材料、焊接参数和热处理方式，现场焊接质量控制措施可靠，获得了满意的焊接接头质量，其焊接内部质量和焊接变形控制均达到了预期的目标及规程规范的要求。云南金汉拉扎水电站引水压力钢管充水试验的安全、顺利进行，也是对高强钢岔管安装现场整体焊接质量进行了一次很好的检验，同时也证明了WDB620高强钢/Q345C低合金钢具有良好的焊接性能，为以后异种钢的焊接提供了可借鉴的经验。

参考文献

[1]中国机械工程学会焊接学会．焊接手册（第2卷材料的焊接）．北京:机械工业出版社，1992.12. 146～201588～602

[2] 周振丰．焊接冶金学（金属焊接性）．北京：机械工业出版社，1996. 15～59 90～93