碳素结构钢及低合金高强钢焊接方法选择

摘 要：三峡工程压力钢管选用16MnR和160Q2可焊性好的钢种，其焊接方法首选气保焊。在预制厂应推广实心焊丝气保焊，在实验基础上推广药芯焊丝气保焊，推广气电立焊；在工地安装立足于手工焊的基础上推广气保护焊。这些方法必将带来巨大的效益。
关键词：焊接设计；焊接方法；气保焊；实心焊丝；药芯焊丝
三峡工程目前正在施工的重要结构主要有电站压力钢管、水轮机座和船闸门，其中水轮机座的施工工艺质量由国外公司负责，其余两项由国内制造商和施工单位承包，闸门制造多由国内知名船厂承担，具焊接工艺比较成熟，相对船体制造的没备和工艺已不是什么难事；由于材料为强度级别较低(Q345)的低合金钢，所以今后的主要问题是工地安装时，如何提高效率，降低成本。
压力钢管的制作和安装将成为主要矛盾，工程前期共有压力钢管14条，约22500t，由于材料复杂(上段为16MnR，下段为610U2低合金高强钢)，板厚度大(最厚达58mm)，特别是管道直径大(φ12499mm)，安装位置复杂，因此不同于常规管道的制作和安装。
此次有幸参加了三峡开发总公司工程建设部组织的“三峡工程金属结构焊接技术专家咨询会”，受益匪浅，但由于时间太短，会前对几个承包单位的工作和试验资料未及仔细学习，所以有些意见未能允分表达，现对有些观点加以说明。
1、三峡工程压力钢管的选材思想和实践是成功的
上段选用16MnR、下段选日本NKK的60kg级的610U2都是可焊性好的钢种，特别是日本的610U2，属于低碳调质钢中的焊接无裂纹钢(CF钢)，其特点是含碳量低(≤0.09)、总碳当量低(CEQ2=0.39%)、裂纹敏感系数低(PCM≤0.19)。由于在钢材生产过程中采用新技术，如在线余热淬火等，在碳当量不大情况下，增加其淬透性，并加入多种微量元素，所以能在保证高强度的同时提高其塑性和韧性(-40℃时其AKv>200J甚至达300以上)，增加了在减轻重量情况下得到高质量焊缝的可能性。
2、从焊接设计出发，选择焊材的原则
16MnR是焊接结构应用最多的钢种，一般焊缝按等强设计，此钢种国内的焊接材料、焊接方法配套均非常成熟。
关于610U2类型的低碳调质钢，本来其可焊性也是较好的，但是在焊接时若处理不当，在熔合区的冷裂和影响区的脆化和软化等缺陷也有发生，在特殊情况下特别是在工地安装中，对焊接热输入和预热等方面有一定要求。
焊接无裂纹钢种，采用低H或超低H焊材，在板厚50mm以下或在0℃以上环境均可不预热。此种钢冶炼技术优越，其力学指标突出，特别是在屈强比的冲击性能方面(如本次选用的610U2就是这样)，但在焊接时，如要求焊缝冲击性能达到母材要求，这显然是不合适，焊缝设计其力学指标以工作要求为主，不低于母材力学指标的保证值，再留有适当余量，而不应该以母材的实测值为标准，有时为了提高焊缝的塑韧性可适当降低焊缝的设计强度指标。实践证明，低强匹配的焊缝，往往能提高焊缝的韧性和抗裂纹敏感性。
3、关于焊接方法
压力钢管的主要加工工艺是焊接，原则上，手工电弧焊、埋弧焊、气保护实心焊丝和药芯焊丝焊，自保护药芯焊丝等均可选用，应根据施工条件、结构形式、效率与成本核算、焊接质量的水平综合考虑，选择原则应为：在好的劳动条件下，低成本地完成高质量的焊缝。
这次论证会上的基本结论是：厂房预制推行自动实心焊丝气保护焊；工地安装采用手工焊；研制全位置自动焊设备。对此结论大多数与会者虽能接收，但还存在某些疑虑。
(1)从保证焊接质量出发，焊接冶金过程完善(如通过渗合金控制焊缝成分和H值含量)；保护好；焊接热源能量集中，易控制热输入和焊接变形；能通过焊接设备控制焊接质量等，具有这些能力的焊接方法是的。
对这二种钢特别是610U2应首选气保焊，因为低合金高强钢焊接质量的主要问题是焊接裂纹和热影响区的脆化和软化，而气保焊的特点是低H焊、易控制热输入，例如测扩散H含量平均值为：手工电弧焊的酸性焊条21.9，碱性焊条3.15；CO2保护焊1，MAG焊0.03，埋弧焊2.17，单位：ml/100g。
焊接的抗锈能力实验：埋弧焊当0.3g/10mm时产生气孔，而CO2焊1g/10mm才产生气孔。所以，C02焊是一种低H焊接。另外气保焊能量密度大，在正常规范下，其热输入仅为手工焊的1/2～1/3(特别是脉冲MAG焊)而且变形小，这对具有一定热敏感性的高强钢极为重要。气保焊的优点是效率高成本低，因为它的熔化效率高，不用清渣换焊条，坡口小，熔敷金属少，坡口加工量少。
(2)气保焊分实心焊丝和药芯焊丝，它们有一些共同的特点，如热量集中、高效，也有不同处(见后)。气保焊已成为焊接碳钢和低合金高强钢的主要工艺方法，我国造船工业所用钢材与三峡的16MnR和610U2基本类似，其熔化极气体保护所占比例已达60%以上(其中药芯焊丝又占气保焊50%以上)，其它行业如石化、电力、机械等也基本相同。说明这种焊接方法是金属结构制造企业的看家方法。
4、关于气保焊的效率和质量
由于气保焊特别是CO2焊有一定局限性，另一方面推广气保焊是个系统工程，从设备、焊材配套到焊缝设计等，全都要适应新方法。所以推广时还需制定规程和奖励制度。
4.1 气保焊的效率
一种焊接方法的效率，由它的熔深、能量密度、熔化速度、熔敷效率等因素决定，除此以外，被焊工件的坡口型式及其填允量，也直接影响效率。
手工焊和气保焊热源虽都是电弧，但是由于燃弧率不同，弧区介质不同，所以会影响熔深和能量密度，从而使熔化速度，熔敷效率有很大差别。
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燃弧率 熔敷速度 熔敷效率 平均熔深
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手工焊 30% 35～50g/min 55% 3mm
CO2 45% 平均90g/min 90～95% 6mm
MIG/MAG >50% 60～140g/min 96～99% 4～6mm
焊芯焊丝 >50% 140～200g/min 83～87% 4～6mm
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从表中熔敷速度和熔敷效率看，气保焊单位时间熔敷到焊缝上的金属量应该比手工焊多两倍以上。在推广气保焊时，实际效率的提高往往达不到理论数据，很重要的原因是焊件坡口型式没有做相应的改变；另外就是由于气保焊设备材料不配套或使用不当，大大增加了辅助时间，从我国船厂统计看，气保焊每日消耗焊材10～15kg(日本可到50kg)，手工焊6～7kg。
4.2 气保焊的质量
气保焊不但可用于低合金高强钢的焊接，而且可以说是焊接的首选方法。这不仅因为它比手工焊的效率最少高一倍以上，而且它最易保证高强钢的焊接质量。
如在1中所述，选材很好，碳当量和裂纹敏感系数都很小，可焊性良好，这就不需要很多复杂工艺而能保证质量。当然对这样一项跨世纪工程来说，仍需作到万无一失。16MnR属于C-Mn系列的热轧正火钢，610U2属于超低碳多元素调质钢，一般均在焊态下使用。这两类钢焊接接头质量的主要问题是保证焊缝的高综合性能，防止影响区的脆化和软化，保证熔合区和热影响区不发生裂纹并有一定韧性。由于610U2属于热处理强化钢在焊态下使用，如何同时保证焊缝的综合性能及热影响区的韧性，实践证明虽不是非常困难，但在选择焊接材料及工艺时应保证焊缝金属一定的化学成分，选择合适的线能量与适当的预热和层间温度相配合，从而得到合适的t8/5，以保证热影响在AC1-AC3之间的部分得到合适的组织(最多的针状铁素体，最少的M-A组元)和品粒度。另外还应控制含H量，进一步防止冷裂的发生。
低C调质钢特别是CP钢，含C量极低，热影响区只能形成低C马氏体、巳由于Ms点较高，能产生自回火，所以冷裂倾向不大，又由于含C，S量都低，Mn/S大，所以热裂倾向很小，只要注意工艺的选用，不管是手工焊、埋弧焊，实心或药芯气保焊均可保证焊接质量。可以看出，选择焊材可以保证焊缝成分，但更重要的是选择合适的工艺。
选用气保焊焊接上述两种钢，应该说是最合适的方法，因为它热量集中，容易控制热输入，又是一种低H焊接法；在允许的同样线能量下，其焊接效率又大大高于手工焊，焊接变形小，不易引起应力集中和矫正工时，但是为什么至今在部分单位得不到认同呢?其原因首先是方法本身的局限性：气保焊有惰性气体非熔化极(T1G)、CO2气体实心焊丝和药芯焊丝、氧化性混合气体实心和药芯焊丝几种。除TIG外均可用于此二种钢，与手工焊和埋弧焊相比，实心焊丝保护焊不是气渣联合保护，在调整成分方面主要通过焊丝。在冶金反应方面单—，所以为保证质量，冶炼专用配套焊丝很重要；另外，由于气体起保护作用并参与热反应，有许多优点(如能形成带电离子和压缩电弧，电弧能量密度加大，低H)也有其缺点(如增C，形成气孔)，所以，在焊接碳素结构钢和热轧正火低合金钢常用的焊丝中，降低含C量，加大Mn、Si含量以保证焊缝的金属成分和性能，特别是韧性。除气保焊本身局限性外，我国配套焊丝极不完善(H08Mn2Si和H08Ma2SiA)，这就是许多部门采用气保焊后不能达到希望的焊缝性能的原因。特别是在焊接低C调质钢时，需要针对钢种选用合适的焊丝。加之选择工艺程序不合理，设备使用不当，气体选用处理不当，工人又都是手工焊转行，自然推广气保焊就有一定阻力。