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发表于 2009-4-10 18:52
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来自: 中国辽宁大连
第五讲 桩腿制造中的焊接难点及尺寸精度控制
(一)
桩腿及桩靴所用的材料中很多为屈服强度是500兆帕级的超高强钢,而齿条等部位为E500,不仅屈服强度高,而且要确保-40℃的低温冲击性能,这给焊接带来很大的难题,也使得焊接工艺的认可试验难上加难。在焊接工艺认可试验前的模拟试验中,通过钢的供货状态(调质状态),我们分析了下列焊接时易出现的问题:
1. 裂纹
(1)据化学成分计算得到钢的碳当量:(CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 )。
结果是CE的值为0.40-0.41,这说明存在着很强的淬硬倾向,钢中的淬硬倾向越大,越容易产生裂纹。一方面,钢淬硬之后形成脆硬的马氏体组织,从金属的强度理论可以知道,马氏体是一种脆硬的组织,发生断裂时只需消耗较低的能量,因此,焊接接头有马氏体存在时,裂纹易于形成和扩展。另一方面,钢淬硬会形成更多的晶格缺陷,主要是空位和位错。在应力和热力不平衡的条件下,空位和位错都会发生移动和聚集,当它们的浓度达到一定的临界值后,就会形成裂纹源。在应力的继续作用下,就会不断的发生扩展而形成宏观的裂纹。
(2)氢也是引起焊接冷裂纹的重要因素之一,并且具有延迟的特性。尤其是残余扩散氢的影响,即在较低温度下(Ms点以下)才具有致裂作用的氢的影响。焊缝中氢的浓度达到一定值后,在应力的作用下就会产生裂纹。一般情况下,氢致裂纹出现在热影响区,但是焊接超高强度钢时,由于焊缝的合金成分复杂,热影响区的组织转变可能先于焊缝,此时氢就相反地从热影响区向焊缝扩散,那么延迟裂纹就可能在焊缝上产生。
(3)超高强钢焊接时产生冷裂纹不仅取决于钢的淬硬倾向和氢的有害作用,而且还决定于焊接接头所处的应力状态,甚至在某些情况下,应力状态还起取决性的作用。焊接接头所承受的拘束应力还包括不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力和金属相变时产生的组织应力。
综上所述,超高强度钢焊接时,产生冷裂纹的机理在于钢种淬硬之后,受氢的诱发和促进使之脆化,在拘束应力的作用下形成了裂纹。
2. 晶粒长大引起的冲击韧性的下降
经分析,高强度钢都存在一个韧性最佳的冷却时间t8/5,t8/5 过小或过大都会使韧性下降。t8/5 过小时,韧性下降的原因是由于全部得到了马氏体,当t8/5增加时,引起脆化的原因除了奥氏体晶粒粗化引起的脆化外,主要原因是由于上贝氏体和块状的M-A组元。同时,这种钢对线能量是非常敏感的,也就是说,线能量也是使冲击韧性下降的一个重要因素。
3. 热影响区的软化
这是QT状态供货的这种高强度钢的普遍存在的问题,对焊后不再进行调质处理的低碳钢来说尤为重要。强度级别越高,这问题越突出,尤其是我们所使用的500级的超高强度钢。
(二)
针对以上的问题我们进行了综合分析,解决方法是:
1. 焊前预热
通过预热来降低马氏体转变时的冷却速度,同时通过马氏体的“自回火”作用来提高抗裂性。但是预热温度不能过高,否则不仅对防止裂纹没有必要,而相反会使800-500℃的冷却速度低于出现脆性混合组织的临界冷却速度,使焊接热影响区的韧性大大降低。
根据DNV的规范要求,预热温度的确定不仅要考虑碳当量CE值,还要考虑裂纹敏感系数 Pcm值(Pcm=C+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B)及焊件的厚度之和Tcomb。 当焊接件的厚度之和Tcomb≥70mm时,如果Pcm>0.26, CE>0.41, 预热温度要求最小100℃,最高可达175℃。这种预热温度下,工人的操作条件极差,致使无法焊接。而且桩腿、桩靴部位的超高强钢部分将在冬季施工,更加大了裂纹倾向;当Pcm≤0.26, CE≤0.41时,如果Tcomb≤75mm,一般不预热;如果Tcomb〉75mm,预热温度不小于75℃。通过分析及讨论厚度的覆盖情况,我们选用厚度为40mm的,级别为E500的钢板作试件,这样一来,不仅给施焊带来了方便,冷裂纹也比较好控制。
2. 选择适当的焊接材料
氢除了来源于焊接材料的水份,焊件坡口处的铁锈、油污以及环境湿度等因素以外,主要是焊接材料的含氢量。超高强度钢的焊接需要使用含氢量为H10或H5的低氢焊接材料。这种材料很难找到,而且DNV规范要求又很严格,先后试验了多种焊条及药芯焊丝才得以确定。若用焊条修补缺陷时,必须使用含氢量为H5的超低氢焊条,且热输入大,效率低。最后确定采用效率高、焊后残余应力小的药芯焊丝。
3. 严格控制层间温度
层间温度起着与预热同样的作用。最小层间温度为75℃,最大为200℃,也就是说,层间温度最小控制在预热温度的下限,而最大层间温度也不能过高。
4. 线能量的控制
为了确保立焊位置冲击值在34J以上,其他位置在47J以上,我们选用小线能量的方法,也就是多层小焊道焊缝,这样不仅可以使焊接热影响区和焊缝金属有较好的韧性,而且还可以减小焊接变形。根据经验,我们将最大线能量控制在21600J/cm。t8/5对于焊接接头熔合线处最薄弱的粗晶区冲击韧性的影响很大,如果控制在10秒-30秒之间,则熔合线处粗晶区能保证很好的冲击韧性,甚至比母材还好。
另外把每个焊道形状及大小标在WPS上,实际生产中严格按其执行。
5. 焊后热处理
这类钢的合金化原理就是在低碳的基础上通过加入多种提高淬透性的合金元素来保证获得强度高、韧性好的低碳马氏体和部分下贝氏体的混合组织。冷却速度不能过快。我们选用的是焊后立即后热,温度为200℃,保温2小时,随后在空气中冷却下来。这样做的目的是有利于氢的逸出,防止冷裂纹。
(待续)
[ 本帖最后由 yangwap 于 2009-4-24 16:57 编辑 ] |
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