10万m3油罐大角焊缝平角埋弧自动焊工艺_焊接设备_中国百科网
10万m3油罐大角焊缝平角埋弧自动焊工艺
    为尽量减少国际原油市场价格波动对生产经营带来的消极影响，中国石化总公司管道储运分公司在湛江港新建了湛江中转油库一期工程8座10万m3大型原油储罐，油罐底板边缘板以及第一圈至第五圈壁板选用了12MnNiVR高强度钢板，其中大角焊缝全部使用了平角埋弧自动焊工艺，实际应用效果表明，该种工艺方法具有焊接稳定，焊接生产效率高，劳动强度低等特点，可在同类型的储罐生产中推广应用。
1 ?12MnNiVR钢板的特性分析
??? 12MnNiVR钢板是一种典型的低合金高强度钢板，一般为调质状态下供货，以获得更高的抗拉强度，同时，通常加入了一定量的合金元素，以提高钢的强度和韧性。
按公式CE(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15计算得12MnNiVR钢板的碳当量CE=0.44%，由于钢中少量Mo、V、Mn、Si等合金元素的作用，钢材的淬透性非常好，焊接过程较容易产生淬硬组织，有一定的冷裂倾向，焊接时应主要防止冷裂纹。故此，在焊接该种钢材时要进行适当的预热。该钢材对S、P两种有害元素的控制非常严格，且Mn/S=120～160，焊接时，S、P等有害元素对焊接熔池结晶过程影响较少，可见12MnNiVR钢板焊接时的热裂倾向较少。
综上所述，12MnNiVR钢板的焊接，主要采取的措施是：焊前进行预热，配合适当的焊接工艺规范，以防止焊接出现淬硬组织，防止产生冷裂纹，即可获得合格的焊接接头。
2?焊接材料的选择
焊丝和焊剂的正确选用，以及两者之间合适的配合，是焊缝金属能否获得较为理想的化学成分和力学性能，以及能否防止裂纹、气孔等缺陷的关键。所以必须根据焊件的成分、性能的要求，正确合理地选用焊丝与焊剂。目前，12MnNiVR等低合金高强度钢板埋弧焊的焊接材料，主要是日本新日铁公司和神户制钢公司产品，根据以往的使用经验，用新日铁公司焊材进行焊接时，由于熔池液态金属的流动性差，容易产生夹渣等焊接缺陷，故选择了神户制钢公司US-40+MF-300作为平角埋弧自动焊的焊接材料。US-40焊丝金属的化学成分见表1所示。
表1?3US-40焊丝的化学成分（%）
JIS Z3351 YS-M5
3 焊接设备
12MnNiVR平角埋弧自动焊的焊接设备，主要选用LT-7型平角埋弧自动焊小车，配合DC-1000电源。该种设备具有焊接参数稳定，操作容易，利于提高焊缝质量。
4 焊接工艺参数的选择及焊接工艺评定
4.1 焊接线能量的选择
对12MnNiVR钢板而言，从保证不产生冷裂纹的角度出发，在满足热影响区塑性、韧性的条件下，焊接线能量应尽可能大些。根据焊接性能分析的结果，并综合考虑平角埋弧自动焊的工艺特点，选择焊接线能量为q=12～25kJ/cm的范围进行焊接试验。
4.2 预热及层间温度的确定
12MnNiVR钢板其最大抗拉强度值Rm=730MPa，属于高强度钢，焊接时一般要进行预热。参考GB《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》及施工技术文件的规定，选择12MnNiVR钢板平角埋弧自动焊，其焊前预热温度为100℃±10℃，并且控制层间温度不低于预热温度。
4.3 焊接工艺参数选择
平角埋弧自动焊的主要焊接工艺参数是：焊接电流、电弧电压和焊接速度等。合理地选择焊接工艺参数，是实现焊接过程稳定，减少焊接缺陷，提高焊接质量的关键。
4.3.1焊接电流
焊接电流是平角埋弧自动焊的重要焊接参数，它决定焊丝的熔化速度、熔深等。当焊接电流增加时，熔深增大，熔宽和余高相应有所增大，焊丝熔化量增加，可提高生产效率。但在一定的焊接速度下，焊接电流过大，容易使焊缝产生咬边或成形不良，使热影响区增大。电流过小，焊缝厚度减少，容易产生未焊透，电弧稳定性差。所以在焊接时要正确选择焊接电流。
4.3.2电弧电压
电弧电压与弧长成正比，在其它条件不变时，电压增大（即弧长增加），使焊缝宽度显著增加，而焊缝余高和焊缝厚度略为减少，焊剂的熔化量增多，增加了焊剂的消耗，电弧不稳定，严重时会造成焊缝咬边，还会产生气孔。但电弧电压过小，会使焊缝变得窄而高，造成焊缝成形不良和脱渣困难。因此，电弧电压的选择要适当。
从上述可见，焊接电流主要影响焊缝的熔深，而电弧电压主要影响焊缝的熔宽。如果单纯地增大焊接电流或电弧电压，都不能得到满意的焊缝成形。因此，为获得满意的焊缝成形，焊接电流和电弧电压必须相匹配，见表2所示。
表2?焊接电流相应的电弧电压
焊接电流（A）
电流电压（V）
4.3.3焊接速度
焊接速度对焊缝余高和焊缝宽度有很大影响。当焊接速度增加时，焊缝余高和焊缝宽度都大为下降，这是因为焊接速度增加时，焊缝单位时间内输入的热量减少。当焊速过高时，则会造成未焊透、咬边，焊缝粗糙不平等缺陷。适当地降低焊接速度，熔池体积增大，存在的时间变长，有利于熔入熔池金属中的气体浮出，减少产生气孔的倾向。但是，过低的焊接速度会产生烧穿、灰渣等缺陷。
综上所述，选择12MnNiVR钢板平角埋弧自动焊焊接工艺评定的工艺参数见表3。?
表3?12MnNiVR钢板平角埋弧自动焊工艺评定参数
焊丝牌号直径（mm）
电源种类及极性
速度（cm/min）
4.4 焊接接头坡口型式
根据设计图纸的要求，为了更好地控制焊缝缺陷和焊接变形，减少焊接工作量，保证焊接质量，12MnNiVR钢板焊接时的坡口型式和焊接顺序如图1所示。
图1平角埋弧自动焊坡口型式
4.5 焊接工艺评定
按GB《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》及施工技术文件的规定，在焊接工艺性能分析及选择了焊接工艺参数基础上，根据表4所示的工艺参数进行了12MnNiVR平角埋弧自动焊的工艺评定，结果见表6所示。
表4?12MnNiVR平角埋弧自动焊工艺评定结果
变形角（°）
（T型接头角焊缝）
SAW-T32/20-2F-1022
20°、25°
表4的结果可知，根据表3的工艺参数进行12MnNiVR钢板的平角埋弧自动焊，焊接接头的变形角为20°、25°（α＞15°），满足GB《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》及施工技术文件的要求，可以在生产中推广应用。
5 工程应用
按照焊接工艺评定的结果编制焊接工艺，共焊接了1200多米焊缝，焊缝成形美观，焊接变形很小 (平角埋弧自动焊过程及焊缝外观照片见图2)。PT探伤一次合格率为100%，完全满足施工技术规范及技术文件的要求，据现场测算，焊接速度约是手工电弧焊的10倍。????
图2?平角埋弧自动焊过程及焊缝外观
6.1 12MnNiVR属高强度调质钢，焊前要进行适当的预热，预热温度为100℃±10℃。
6.2 选用US-40 Φ2.4mm焊丝+MF-300焊剂进行12MnNiVR高强度调质钢的平角埋弧自动焊，在合适的工
艺条件下，焊接质量好，焊接速度快，焊接接头的力学性能完全达到技术文件的要求。
[1] 周振丰，张文铖. 焊接冶金与焊接性.北京：机械工业出版社.1987.
[2] 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册.北京：机械工业出版社.1993.
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[5] 劳动人事部培训就业局编.焊工工艺学. 劳动人事出版社.1987.
[6] GB 立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范.
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700MPa级高强度调质钢板焊接性能研究
关键词：试验;焊接接头;调质钢板;影响;热输入量;力学;热处理;断裂;焊缝;冲击
　　0、前言　　随着各类机械装备不断向大型化和轻量化发展，越来越多的高强度钢板得到应用。700MPa级高强度调质钢板是一种级别较高的钢板，近年来广泛应用于液压支架、起重机吊臂、港口起重机之类矿山机械、工程机械及港口设备的制造，其连接处多以焊接形式结合，焊接接头的拘束应力较大，如果焊接工艺措施不当，焊接接头就可能产生焊接冷裂纹。虽然以前也有较多关于700MPa及以上级别钢板焊接性能的研究，但均主要针对添加较多合金元素的生产情况。近年来，随着中国钢铁行业生产的严重过剩，越来越多的钢铁企业进行了减量化合金成分设计，但合金元素的减少必定影响到钢板的焊接性能。本文结合国内某钢厂生产的一种减量化低成本700MPa级调质钢板，对其焊接冷裂纹敏感试验和不同热输入条件下焊接接头的力学性能进行研究，并分析焊后热处理工艺对力学性能的影响，为该类钢的焊接工艺参数设计提供参考和依据。　　1、试验钢板的成分、组织及力学性能特点　　试验钢板的化学成分见表1所示。从表中可以看出，试验钢采取无Ni、低Mo、低Cr微合金化的成分设计，同时严格控制危害元素P、S含量，碳当量Ceq=0.43%。　　表1：试验钢的化学成分wt/%
　　≤0.05
　　0.0014
　　0.13调质态试验钢板的组织照片见图1所示。从图1（a）可以看出，试验钢母材的组织比较细小，由回火索氏体组成。从图1（b）可以看出，在试验钢板的晶界处及其周围存在大量微小析出物。　　&　　（a）金相组织；（b）扫描组织　　图1：试验钢板母材的组织形貌　　两个厚度规格试验钢板的力学性能见表2所示。可知，屈服强度为745MPa和730MPa，抗拉强度为795MPa和785MPa，延伸率为18.0%和17.5%，-40℃低温冲击功均超过200J。　　表2：700MPa级调质试验钢板的力学性能
　　厚度/mm
　　Re/MPa
　　Rm/MPa
　　-40℃（纵向）KV2/J
　　2、焊接冷裂纹敏感性研究　　按照国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量（Ceq）公式计算，试验用700MPa级调质钢板的Ceq=0.43%。由于700MPa级调质钢板主要应用于煤矿及港口机械制造，且以中厚板为主，焊接接头的拘束应力较大，因此，如果焊接工艺措施不当，焊接接头可能产生焊接冷裂纹。预热是防止高强钢及厚大结构件产生焊接冷裂纹的有效措施。为此，本试验采用插销试验对700MPa级调质钢板的焊接冷裂敏感性进行了研究，为合理确定焊接预热温度、制订防止焊接冷裂纹的工艺措施提供依据。　　插销试验按“GB9446”《焊接用插销冷裂纹试验方法》规定进行。试件从50mm厚的700MPa级调质钢板厚度1/4处制取，试件的长度方向垂直于钢板的轧制方向，直径为Ф6mm，采用螺旋缺口，缺口深度0.5mm，试件尺寸见图2所示。底板选择相同材质的50mm厚700MPa级调质钢板，采用BHG-4M实芯焊丝、80%Ar+20%CO2气体保护焊进行焊接试验，焊接规范参数见表3所示。试验按照断裂准则评定。不同预热温度及加载条件下700MPa级调质钢板插销临界断裂应力的测定结果见表4。由表中可见，采用BHG-4M焊丝、80%Ar+20%CO2气体保护焊，试验载荷为770MPa，在室温19℃、预热60℃和80℃时，插销在不同保载期间均发生断裂，而当预热温度为100℃及120℃时，插销加载到700MPa级调质钢板的实际屈服强度770MPa，保持载荷24h未发生断裂，即在预热100℃以上焊接条件下，700MPa级调质钢板的插销临界断裂应力均超过实际屈服强度。插销试验结果表明，在中等拘束条件下，50mm厚700MPa级调质钢板采用BHG-4M焊丝、80%Ar+20%CO2气体保护焊工艺，预热100℃，可以防止焊接冷裂纹产生。　　&　　图2：插销试验的试件尺寸　　表3：插销试验的焊接条件
　　焊接电流/A
　　电弧电压/V
　　焊接速度/（mm·s-1）
　　保护气体
　　气体流量/（L·min-1）
　　260~280
　　80%Ar+20%CO2
　　表4：50mm厚700MPa级调质钢板的插销试验结果
　　试验编号
　　预热温度/℃
　　试验载荷/MPa
　　试验结果
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　　3、焊接工艺研究　　焊接热输入量的变化将改变焊接冷却速度，影响焊接热循环过程，进而对焊接接头焊缝金属和热影响区的组织和力学性能产生影响。为了掌握焊接热输入量变化对700MPa级调质钢板焊接接头力学性能的影响，为制订合理的焊接工艺提供依据，试验采用Φ1.2mmBHG-4M焊丝、80%Ar+20%CO2混合气体保护焊进行不同焊接热输入量的对接接头焊接试验，并分别对焊接接头的力学性能和微观组织进行了测定和分析。不同焊接热输入量焊接条件见表5所示。焊接接头冲击试验和拉伸试验按照“GB2650~GB2652”标准规定进行，其中焊缝金属冲击缺口开在焊缝中心，热影响区冲击缺口开在熔合线外1mm处。试板尺寸为350mm×150mm×30mm，坡口形式见图3所示。　　表5：试验钢板的焊接条件
　　焊接电流/A
　　电弧电压/V
　　焊接速度/（mm·min-1）
　　预热温度/℃
　　道间温度/℃
　　热输入量/（kJ·cm-1）
　　注：（1）表中焊接电流及电弧电压为平均值；试板打底焊均采用230A，25V；　　（2）试板焊后进行250℃保温2h消氢处理。　　&　　图3：试件坡口尺寸　　3.1、焊接热输入量对焊接接头力学性能的影响　　700MPa级调质钢板在4种不同热输入量焊接条件下的焊接接头拉伸及弯曲试验结果见表6。从表中可见，在4种热输入焊接条件下，焊接接头的弯曲性能良好，D=3a，180°侧弯未出现任何缺陷，全部合格；焊接接头的拉伸断口均位于母材，抗拉强度不低于785MPa。　　表6：热输入量对焊接接头拉伸及弯曲性能的影响
　　热输入量/（kJ·cm-1）
　　Rm/MPa
　　断裂位置
　　D=3a，180°
　　在4种不同热输入量条件下焊接的焊接接头-40℃低温冲击试验结果见图4所示。从图中可以看出，焊接热输入量变化对焊接接头焊缝金属的低温冲击性能影响不明显，-40℃冲击功平均值大于80J；采用14.82kJ/cm热输入量焊接，焊缝金属的-40℃冲击功值最高，大于100J；焊接热输入量对焊接热影响区低温冲击性能的影响与焊缝金属不同，热输入量在8.85~24.17kJ/cm范围内变化时，随着热输入量的提高，焊接热影响区的-40℃冲击功均呈现出下降趋势；与热输入量8.85kJ/cm相比，当热输入量达24.17kJ/cm时，热影响区-40℃冲击功平均值下降幅度约40%，为95J。因此，为了使700MPa级调质钢板焊接接头具有优良的低温韧性，在对30mm厚度的700MPa级调质钢板进行焊接时，应控制焊接热输入量，以不超过20kJ/cm为宜。　　&　　图4：焊接热输入量对700MPa级调质钢板焊接接头低温韧性的影响　　3.2、典型焊接热输入量下的焊接接头微观组织　　图5为采用19.80kJ/cm热输入量焊接的700MPa级调质钢板焊接接头焊缝金属及焊接影响区（过热区、正火区及不完全相变区）的微观组织形态。从图中可见，热输入量在19.80kJ/cm时，焊缝金属组织为针状铁素体+少量贝氏体组织；热影响区过热区组织为回火马氏体组织+少量贝氏体；热影响区正火区组织为回火贝氏体组织；热影响区不完全相变区组织均为回火贝氏体+回火马氏体的混合组织。随着焊接热输入量的增加，焊接热影响区过热区组织晶粒变粗，同时焊接过热区宽度增大。　　&　　图5：热输入量为19.80kJ/cm时焊接接头各部位微观组织　　4、焊后热处理工艺对700MPa级调质钢板焊接接头力学性能的影响　　采用图3中坡口尺寸及表5中2#规范焊接30mm厚700MPa级调质钢板的对接接头，焊后分别进行480℃保温2h空冷及580℃保温2h空冷2种不同参数的焊后热处理。按照“GB”标准规定进行焊接接头拉伸试验及低温冲击试验，焊缝金属冲击缺口开在焊缝中心，热影响区冲击缺口开在熔合线外1mm。3种不同焊后热处理条件下的700MPa级调质钢板焊接接头拉伸及弯曲试验结果见表7，焊接接头-20℃及-40℃低温冲击试验结果见表8。　　表7：焊后热处理对焊接接头拉伸及弯曲性能的影响
　　Rm/MPa
　　断裂位置
　　D=3a，180°
　　480℃×2h
　　580℃×2h
　　250℃×2h
　　从表7可见，经过2种不同参数焊后热处理，700MPa级调质钢板焊接接头的强度指标变化不明显，焊接接头的弯曲性能良好，即焊后热处理对焊接接头拉伸性能和弯曲性能影响不大。从表8可见，与焊后采用250℃保温2h消氢处理相比，700MPa级调质钢板焊接接头经过两种焊后热处理后，焊缝金属及热影响区的低温冲击韧性均有一定的降低，但降低幅度不大，焊接接头的各项力学性能能够满足工矿产品的焊接技术要求。试验结果表明，700MPa级调质钢板对焊后热处理有一定的适应能力，焊后可以采取消氢处理或温度较低的消除应力热处理。　　表8：焊后热处理对焊接接头低温冲击性能的影响
　　-20℃KV2/J
　　-40℃KV2/J
　　焊缝中心
　　热影响区
　　焊缝中心
　　热影响区
　　480℃×2h
　　89（102）
　　140（169）
　　89（96）
　　92（130）
　　580℃×2h
　　38（74）
　　206（181）
　　98（72）
　　177（163）
　　250℃×2h
　　128（117）
　　164（204）
　　138（103）
　　142（169）
　　5、结论　　（1）焊接冷裂纹敏感性试验研究表明，在中等拘束条件下，50mm厚700MPa级高强度调质钢板采用BHG-4M焊丝、富氩混合气体保护焊工艺，在预热100℃条件下进行焊接可以防止冷裂纹产生；在苛刻拘束条件下，最低预热温度应该在120℃以上。　　（2）焊接工艺试验结果表明，30mm厚700MPa级高强度调质钢板的焊接热输入量在8.85~24.17kJ/cm范围内变化，对焊接接头的拉伸、弯曲性能及低温冲击韧性影响不大，焊接接头的综合力学性能保持在较高的水平，钢板对焊接工艺规范有较强的适应性。　　（3）焊后热处理工艺试验结果表明，700MPa级高强度调质钢板焊接接头焊后采用580℃以下温度的焊后热处理，对焊缝金属及焊接热影响区的力学性能影响不大。您所在位置： &
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T形接头横焊在操作时容易产生末焊透、焊缝单边、咬边及夹渣等缺陷。为防止这些缺陷的产生，焊接时除正确选择焊接参数外，还必须根据两板的厚度来调整焊条角度， 使电弧偏向厚板的一边，使两边受热均匀一致。如图所示。 鄂尔多斯生态环境职业学院 * 焊脚尺寸小于6mm的横角焊的焊缝可用单层焊。选择直径4mm的焊条，采用直线形或斜圆圈形运条法；焊接时保持短弧，防止产生单边或垂直板上的咬边现象。 焊脚尺寸为6―10mm时，可用两层两道的多层焊。焊第一层时，选择直径3.2~4.0mm的焊条，采用直线形运条法； 焊第二层时，选择直径4~5mm的焊条，采用斜圆圈形运条 法，防止产生单边或咬边现象。 当焊脚尺寸大于10mm时，采用多层多道焊，可选用直径5mm的焊条，这样能提高生产率，焊接第一层焊道时，可采用较大的焊接电流和直线形运条法。焊接第二道焊缝 时，应覆盖为小于前一层焊道的2／3，焊条与水平板之间的角度要稍大些，一般为45°~55°。，如图所示。焊条与焊接方向之间的角度为65°~80°时，用斜圆圈形或锯齿形运条法。焊接第三道焊缝时，应覆盖第二焊道的1/3~1/2，焊条与水平板的角度为40°~45°。，如图所示，采用直线形运条方法，以避免焊缝过高。
鄂尔多斯生态环境职业学院 * 焊脚尺寸越大，则采用的层数或道数也越多，如图所示。
鄂尔多斯生态环境职业学院 * 焊脚尺寸决定了焊法，如表所示 鄂尔多斯生态环境职业学院 * 一、操作前准备 两块8mm厚的低碳钢板，选用J422型焊条和ZX7-400型焊机，如图所示。 鄂尔多斯生态环境职业学院 * 二、操作步骤 1．单层焊接
平角焊的装配和定位焊与对接平焊相似。 第一步：将焊件拼装成T形接头，两端对齐，准备定位 第二步：在一侧进行
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