彭水电站压力钢管主材(WDL610D钢)的焊接技术
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彭水电站压力钢管主材(WDL610D钢)的焊接技术
【摘要】∶彭水水电站压力钢管直径达14m,为目前我国水电水利工程之最,钢管主材整体选用
60Kg级的WDL610D。本文主要介绍了该钢材的焊接技术,为今后水电水利工程建设积累经验。
【关键词】∶彭水水电站高强钢压力钢管焊接
1、前言
金属的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性,主要是指在一定的焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程度,包括两方面内容:结合性能(在一定的焊接工艺条件下,一定的金属形成焊接缺陷的敏感性)和使用性能(在一定的焊接工艺条件下,一定金属的焊接接头对使用要求的适应性)。影响材料焊接性的好坏主要决定于材料的化学成分,并与结构的复杂性、刚性、焊接法、采用的焊接材料、焊接工艺条件及结构的使用条件有密切的关系。具体说,焊接就是由材料、人员、焊接工艺、配套热处理工艺、质检及焊补等构成的一门系统科学。
2、从母材与焊材本身的因素分析高强钢各类缺陷的成因及避免办法
材料因素包括焊件本身和使用的焊接材料,在焊接时都参与熔池或半熔化区内的冶金过程,直接影响焊接质量。母材或焊接材料选用不当时,会造成焊接金属化学成分不合格,机械性能和其他使用性能降低,还会出现气孔,裂纹等缺陷,使结合性能变差。因而正确选用焊件和焊接材料是保证焊接性良好的重要基础,必须十分重视。
WDL610D高强钢是在调质状态下交货的低焊接无裂纹敏感性低合金钢板,其化学成分见表1,机械性能见表2。
WDL610D高强钢含Mn量较高,约为1.20%~1.60%,含P.S量较低的Cr-Ni-Mo-V系合金钢,抗拉强度达到610~730MPa。减少含C量是为了提高WDL610D高强钢的焊接性。为弥补强度的损失,添加了一些合金元素V。
WDL610D高强钢焊接性通常出现两方面的问题:一是焊接引起的各种焊接缺陷,主要是各类裂纹问题。WDL610D高强钢焊接产生的裂纹一般是焊接热裂纹和焊接延迟性冷裂纹。二是焊接时材料性能的变化,主要是热、影响区及焊缝组织发生变化。
2.1、热裂纹的成因及防止
从焊缝热裂纹的形成机理看,影响热裂纹生成的主要因素有合金元素,一次结晶组织,力学因素。其中合金元素是热影响热裂纹倾向最本质的因素,其中主要有以下几个:
硫的影响。钢中的硫是一种很有害的元素,在生产钢材时,硫不可避免地以杂质形式混入钢材,它同铁形成FeS。FeS与铁以及FeO都能形成低熔共晶体。铁同FeS形成的低熔共晶体熔点为985℃,而FeS和FeO形成的低熔共晶体熔点为940℃,它的熔点比钢的熔点要低得多,这些低熔点共晶体在焊接结晶时聚集在晶界上,当焊缝金属大部分已凝固时,它尚未凝固,因而成为产生裂纹的前提。
碳的影响。当低合金钢的含碳量增加时,焊缝产生热裂纹的倾向增大。碳不仅极易与钢中的铬、镍等元素形成低熔点共晶,而且能降低硫在铁中的溶解度,使硫与铁化合成FeS的可能性增加,从而促使形成底熔点共晶,增加产生热裂纹的倾向。
从WDL610D高强钢成分看,含碳量较低,含Mn量较高,Mn/S (含S元素多导致热裂纹)比能达到要求,具有较好的抗热裂纹性能。在正常情况下,焊缝中不会出现热裂纹。但当材料因严重偏析使局部C、S含量偏高时,容易出现热裂纹。在这种情况下,应选用含Mn量较高的焊接材料,以此降低焊缝中含碳量和提高焊缝中的含锰量,可以解决热裂纹问题。
2.2、冷裂纹的成因及防止
材料本身的淬硬性是引起冷裂纹的决定性因素。由于钢的强度级别较高,合金元素的含量较多,因此,与低碳钢相比,焊接性差别就大。碳当量与冷裂纹倾向的关系:材料的淬硬倾向影响冷裂纹倾向,而淬硬倾向又主要取决于钢的化学成分,其中以碳的作用最为明显。因此,可以通过一些经验公式来粗略估计和对比不同材质的冷裂纹倾向。但碳当量不能精确地判断冷裂纹的产生与否,因为冷裂纹的产生除了成分外还与其他因素有关(比如湿度过大时水分较高进入组织导致氢制延迟裂纹,铁锈中也含有大量的氢元素)。WDL610D高强钢之所以号称低焊接裂纹敏感性钢,就是因为它具有合理的碳当量,降低了材料的淬硬倾向。为了避免冷裂纹的产生,需要采取较严格的工艺措施,在焊接过程中严格控制线能量、焊前预热和焊后保温措施,避免焊缝急冷出现淬硬组织。线能量过高,要求的保温缓冷时间就越长;线能量过低,影响焊条的熔敷性,就容易出现未熔、夹渣等非裂纹缺陷!所以,必须在钢板生产厂家的指导下,通过严格的焊接工艺评定,确定一个最合适的线能量范围和配套加温措施,这是确保大规模生产降低缺陷率的最重要因素。
焊接延迟裂纹的基本特征是它往往在焊接完成并且当焊接件冷却到200-150℃以下温度发生,有时甚至可以在接头焊完并放置数小时甚至几十小时以后出现,即这种裂纹形成有明显的延迟性。延迟裂纹除了发生在焊缝内部以外,更经常会出现在焊道层下、焊趾和焊根等部位的热影响区。这种裂纹有时也发生在焊缝终端的弧坑部位呈龟裂状。通过对延迟性裂纹形成进行成分分析,为了避免延迟性裂纹,必须采取焊前预热和焊后保温等措施,确保导致延迟裂纹的氢元素(它与金属反映后形成钉扎效应,破坏焊缝晶界的形成,导致开裂,刨开后出现通常称为“白点”的组织)在一定的温度下有时间获得足够的能量从焊缝中逸出。同时通过严格去绣、坡口打磨和保证空气的相对湿度,尽可能减少氢元素进入焊缝组织的机会。
2.3、彭水压力钢管焊接方法及焊材的选取
半自动气体保护焊焊接;纵环缝焊彭水压力钢管加劲环焊接在厂内进行,选用CO
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接都在洞内进行,受施工条件所限,纵环缝的焊接都选取最为成熟的手工电弧焊。焊接材料是决定焊接质量的主要因素。焊接材料的选择是根据WDL610D高强刚的力学性能、化学成分、焊接钢性及钢管坡口形式和使用要求选取。电弧焊焊条直径为φ3.2mm、φ
焊丝4mm,焊条牌号为CHE607,其熔敷金属化学成分和力学性能分别见表3和表4。CO
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直径为φ1.2mm,焊丝牌号亦为同一厂家生产的CHW-50C6,其焊丝化学成分和熔敷金属力学性能分别见表5和表6。选取以上焊接材料必须具有出厂合格证明和质量保证书。
表4 CHE607焊条焊接熔敷金属的力学性能