核心期刊论文发表S690调质钢箱型梁焊接控制与缺陷分析

　　核心期刊论文发表推荐杂志《建筑科学》是建设部主管，中国建筑科学研究院主办，创刊于1985年，在国内外公开发行的建筑科学类综合性技术期刊。本刊内容丰富、可读、实用，在建筑行业中享有很高的声望。本刊依托建设部和中国建筑科学研究院，得到部、院领导的大力支持，并有许多国内建筑界著名的专家学者组成了编委会，使得本刊更具权威性、指导性。
　　摘要:　本文阐述了S690调质钢箱型梁结构的变形控制，对箱型梁的焊接变形特点进行了分析，对比不同措施下的变形情况，推荐出合理的焊接顺序。分析了S690 材质的焊接性以及该项目质量控制过程优点与不足，分析了焊接缺陷形成的可能性因素，对焊接缺陷的修复做了简单讨论。综合箱型梁和S690调质钢的特点，探讨箱型梁用高强钢的焊接工艺选择。

　　关键词：箱型梁S690调质钢焊接变形控制,焊接缺陷,修复难点以及应对措施

　　第0章前言

　　随着对焊接结构承载能力要求的逐渐提高和服役条件的日益苛刻，普通强度等级的钢材已不能满足工程实际需求，因此一些高强度等级的钢材得到开发和利用，在自升式钻井船项目和起重船吊机项目中均涉及了690 Mpa高强度钢的焊接。S690材料的使用不但提高了部件的性能还减轻了部件本身的自重，在重要部件以及深水导管架中全面推广高强度钢材的使用是未来钢结构建造的趋势。

　　箱形梁具有较好的强度和刚度，稳定性较好，受力均匀，承载能力优越于其它结构，并且箱型结构便于布置各种大型设备，如龙门吊主梁上布置上下小车行走机构轨道，某起重船吊机项目背拉绳部分就为箱型梁结构。为了减轻重量，又要保持结构一定的强度和刚度，箱体的板厚选得较薄而且截面尺寸较大，因而截面惯性矩也较大，有效的减少了最大应力，并且主梁横截面中性轴处承受应力值为0。

　　但是，制作箱体时的焊接工作量比较大，箱型梁在焊接过程中容易出现扭曲变形以及弯曲变形，变形校正相对困难，加之调质钢不能用火工校正，因此控制焊接变形成了建造过程中的重中之重。制定合理的焊接工艺，严格控制焊接过程，防止焊接变形累积在建造过程中尤为重要。S690调质钢冷裂纹倾向严重，制定严格的工艺规范程序以及焊前焊后热处理规范有着重要意义，对于整个焊接过程采用严格的监控措施也是非常必要的。

　　箱型梁在建造过程中需要严格控制焊接质量，焊接变形。对接接头为全熔透形式，需要100%MT探伤外加100%UT探伤;4条纵向焊道焊接形式为k型坡口采取半熔透形式，采用50%MT探伤,筋板需要20%MT探伤。

　　第1章箱型梁焊接变形分析与建造方案探讨

　　1.1焊接变形产生分析

　　焊接应力与变形是由焊接产生的不均匀温度场而引起的。在焊接不均匀加热会产生平行于焊道(纵向)和垂直焊缝方向( 横向) 的应力和变形, 厚度则还产生板厚度方向的应力。

　　影响焊接应力与变形的因素主要有两个方面,第一个方面是焊缝及其附近不均匀加热的范围和程度, 也就是产生热变形的范围和程度; 第二个方面是焊件本身的刚度以及受到周围拘束的程度; 实际上也就是就是阻止焊缝及其附近加热所产生热变形的程度。两个方面作用的结果决定了焊缝附近压缩塑性变形区的大小和分布, 也决定了残余应力与残余变形的大小。

　　跨度较大的箱型梁其焊接变形趋势与焊接顺序、装卡方式息息相关。焊接顺序或者装卡不当容易出现，扭曲、弯曲、扭转等变形问题。在焊接完成以后由于箱型结构其稳定性高，变形调整是很困难的问题，因此焊前变形预防、控制是成为较其他结构更为突出的一个问题。

　　1.2建造方案分析

　　在本项目中的建造有两种方式：分段组对、焊接完成后组对和整体组对最后焊接。分段组对、焊接完成后组对，将每一节分为多段，每段独立组对焊接，最后将各段整体组对焊接。这种方式杆件自由度大，焊接应力可以及时释放，有利于避免焊接裂纹;但是存在如下问题：①箱体多为薄板，在焊接热循环作用下容易变形;② 分段焊接局控制在误差范围内，但是整体组对时候容易出现误差累积，届时焊接已经完成，变形调整极难。③材料为S690材料，焊后不能采用火攻校正，增加了变形校正的难度。

　　整体组对最后焊接方案为将每一节整体组对完毕，报检测量水平以及弯曲度达标后再开始焊接。整体组对后焊接结构刚度大，能够有效减小焊接变形量。但是这种方案杆件拘束度大，容易出现应力集中现象，出现焊接裂纹的几率相对增加，通过焊接预热缓冷、减小焊接热输入等方式可以有效避免裂纹的发生。

　　1.3现场尺寸、变形控制

　　为了保证焊接变形在误差范围以内，现场施工尺寸控制主要把握以下几条原则：

　　1)胎架预置。胎架预置要保证水平度以及稳定性。

　　2)严格控制组对尺寸误差，尺寸误差包括水平度、直线度、整体尺寸长度。组对错皮控制在0.1t以内(t为薄板的板厚)，接头预留<2mm的焊接收缩余量。通过实时用水平仪测量水平保证水平度;通过拉线方式实时测量控制直线度。

　　3)焊接反变形。鉴于横角焊缝热输入大于仰脸焊接的原因需要预作焊接反变形。变形形式见图2.1。

　　4)底板与胎架刚性固定，底板与顶板只见添加临时支撑控制翼缘焊接变形。见图2.2。

　　5)为了防止扭曲变形，箱型梁在胎架上焊接临时阻挡立柱，见图2.3。

　　6)焊接时严格按照焊接工艺规程，严格控制焊前预热焊后缓冷，控制焊接线能量，防止过热造成焊接变形。

　　7)焊接过程实施动态监控，每焊接一小段及时进行水平度以及直线度的测量，及时矫正。

　　8)采用从中间向两边分段退焊法施焊，两道焊缝接头处采用前一道焊缝预留50mm只打底不填充、盖面，来防止接头交接处出现应力集中现象。见图2.4。

　　图2.1焊接反变形

　　图2.2刚性固定

　　图2.3 添加阻挡立柱图2.4 焊接预留50打底焊道

　　第2章S690调质钢材的化学成分以及焊接性分析以及焊接工艺选择

　　2.1本公司使用的S690钢材成分分析

　　本企业公司工程应用的S690调质钢合金成分如下表:

　　表21 本公司S690材料成分

　　CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≈0.51

　　根据碳当量预测，此种钢材为中碳钢，焊接性一般。

　　2.2S690调质钢焊接性分析

　　S690高强钢由于添加了较多如Cr、Mo、Ni等具有较大的热膨胀性合金元素，此类钢材淬透性较强，在冷却过程中，容易形成脆硬的马氏体组织;S690材料经过调质处理，组织应力释放不充分，应力集中现象明显。调质组织在焊接热循环过程中容易出现HAZ区域软化，导致母材力学性能下降，在施工过程中应当需要充分认识到材料的这些固有性质，采取适当措施，以保证产品的使用性能。以下针对其材质成分以及热处理方式进行焊接性分析。

　　2.2.1 冷裂纹

　　调质钢在低碳的基础上加入了提高淬透性的合金元素，在焊接冷却过程中容易获得低碳马氏体和上贝氏体的混合组织，淬透倾向比较大，在拘束应力与焊接应力作用下容易出现冷裂纹。焊接时候需要控制t85，在较小的冷却速度下，使得形成马氏体能够自回火，避免冷裂纹的形成。现场通过焊前预热≥115℃;焊后消氢处理，消氢温度控制在230℃-250℃以内，消氢结束后用耐火棉保温措施控制冷却速度，以达到控制t85的效果。

　　2.2.2 再热裂纹

　　低碳钢中加入了Cr、Mo、Cu、Ti、Nb、B等合金元素线膨胀系数与铁相差较大，在凝固到冷却到室温的过程不同元素的体积变化产生较大的内应力，再次加热使得母材以及填充金属强度降低，一旦内应力超过金属强度就会产生再热裂纹。鉴于S690钢材的再热裂纹趋势，施工过程中不允许焊后用火工方法调焊接变形，同时避免焊缝周围再次受热，要适当调整焊接顺序避免已焊完焊道再次加热。

　　2.2.3 HAZ区的脆化、软化

　　焊接线能量过大，高温停留时间长而会引起奥氏体晶粒粗大，形成上贝氏体、M-A组员而引起HAZ区域的脆化。现场需要严格控制焊接线能量以及预热温度，以防止热影响区脆化，降低材料本身的力学性能;在HAZ区受热未完全奥氏体化的区域，即受热时最高温度低于AC1，而高于钢材调质处理时回火温度(一般为 500-650℃)的那个区域有软化倾向，线能量越小，软化越小。

　　第3章焊接工艺

　　钢结构制造需要根据母材选择相匹配的焊材，以使焊缝金属具有与母材基本等同的机械性能和具备良好的焊接性能。为了实现这一目的,需要在焊接过程中适当控制众多交互作用的因素,使焊缝金属具有一定的化学成分和所需性能的特定组织。基于多种因素，在本结构中选择手工电弧焊和熔化极混合气体保护焊两种焊接方法。焊条选取E8018-G(封底焊条)及E11018-G焊条;焊丝选取：ER100S-G(封底焊丝)及ER100S-G焊丝。GMAW用实心焊丝，保护气体用80%的氩气和20%二氧化碳混合气体。工艺参数如下：

　　表3.1 手工电弧焊焊接工艺参数

　　表3.2 混合气体保护焊焊接工艺参数

　　高强钢焊缝金属的机械性能试验结果具有很大的差异性。这种差异可能来源于很多方面,如不同批次的焊接材料、焊接工艺的改变、焊接位置、焊缝拘束度、母材的批次变化等。焊接准备工作以及辅助工作也影响很大。鉴于S690材质焊接性较差，对冷裂纹以及再热裂纹敏感。

　　在本项目中，我们要求严格做到以下几点：

　　组对前对母材进行预处理，严格控制母材的直线度。

　　严格控制坡口尺寸，当组对间隙大于薄板的2倍壁厚或者大于20mm时不允许堆焊长肉。

　　焊前坡口以及附近25mm内严格除锈，如果打磨后24小时内未焊接需要重新处理。

　　定位焊要距离边缘30mm以上，点固长度控制在50-75mm范围。

　　焊前严格预热，板厚在10mm