浅谈桥梁用结构钢低温环境下焊接技术

　　摘要：本文以Q370qE桥梁用结构钢板为例着重介绍了-15℃低环境温度下桥梁用结构钢的焊接方法、焊接工艺流程、焊接参数、注意事项、控制措施等施工技术。
　　关键词：Q370qE、冲击韧性、低温环境、焊接技术
　　1前言
　　目前钢结构行业的冬季施工已不可避免，焊接作业环境对钢结构的焊接质量影响很大，负温下的焊接技术是冬季焊接质量保证的关键。特别是如何提高低温下高强度桥梁用钢板焊缝冲击韧性是各钢结构生产企业攻关的难题，本文重点以Q370qE钢板为例就-15℃低环境温度下保证高强度钢板焊缝冲击韧性的焊接工艺进行阐述，详细介绍低温施焊的焊接方法、焊接工艺流程、焊接参数、注意事项、控制措施等内容，以期为同类焊接作业提供参考。
　　2Q370qE的性能要求
　　《桥梁用结构钢》GB/T714-2000要求，Q370qE钢板须在正火条件下交货，钢板实物在-40℃试验温度时板厚≤24mm不低于100J，板厚≥24mm不低于120J，焊缝-40℃冲击值不小于41J，焊缝其余机械性能不低于母材，Q370qE钢材的化学成分及机械性能要求如下：
　　3工艺流程及操作要点
　　3.1工艺流程
　　焊材选备焊缝清理焊前准备焊接作业及过程控制焊后保护。
　　3.2操作要点
　　3.2.1焊材选备
　　通过对Q370qE钢材化学成分及机械性能分析，根据焊材须与母材匹配以确保力学性能的原则，同时考虑焊材中Ni元素的含量对焊缝的冲击功有较大的影响，经过多次试验反复比选，CO2气体保护焊采用Supercored71H药芯焊丝，CO2气体纯度达到99.8%以上，埋弧焊采用H08Mn2E焊丝+SJ101q焊剂的组合。
　　3.2.2焊缝清理
　　焊接前需对接口的钝边、坡口进行铣制，控制好对接间隙，采用砂轮机对焊缝及其周边100mm以内的铁锈、油污、夹渣、夹碳等进行清理。
　　3.2.3焊前准备
　　焊接前需对焊缝两侧150mm区域内试件金属进行预热，用红外测温仪进行测控，预热温度在100—150℃；埋弧焊接时需对SJ101q烧结型焊剂进行烘干，烘干温度350℃，保温2小时；将初始焊接电流、电压、焊接速度等参数输入相应的焊接设备，空载运行焊接轨道，检查运行过程的准确性，在焊缝两侧增加80mm的引弧、熄弧板，便于焊接参数的调节和稳定；根据不同的构件形式制作适合的防护棚，采用简易加热设备使其内部升温，将焊后保温材料就近放置，提高后续操作的连续性，同时做好焊接前其他准备。
　　3.2.4焊接作业及过程控制
　　焊接过程中必须严格控制好焊接参数，因焊接层数的不同焊接参数也有相应的变化；车间内CO2气体保护焊焊接电流为220—260A，焊接电压为29—31V，焊接速度为15m/h，层间温度为140—150℃；埋弧焊接时焊接电流580—620A，焊接电压为28—30V，焊接速度为22m/h，层间温度为140—170℃；焊接过程中用宽300mm厚100mm的保温棉对焊缝进行保温，在焊缝两侧100mm处始终安置100mm宽的陶瓷电加热片，功率7kw，加热的恒温为120℃，以降低焊缝的冷却速度。车间外CO2气体保护焊焊接电流为220—260A，焊接电压为29—31V，焊接速度为15m/h，层间温度为140—150；埋弧焊接时焊接电流580—620A，焊接电压为28—30V，焊接速度为22m/h，层间温度为140—160℃。车间外低温焊接作业时，焊接过程中用陶瓷加热片持续对母材进行加热，利用保温棉在焊接过程中及焊后对焊缝进行覆盖保温；利用红外测温仪对焊缝周边100mm内钢材温度进行适时监控；同时做好焊道校对、背面清根、焊接参数调节及焊渣清理工作。
　　车间内CO2保护焊焊接记录
　　焊前坡口简图 焊接熔敷简图
　　图1 
　　图2
　　试件编号 DG2 焊接方法 药芯焊丝CO2气保焊
　　焊接位置 平位焊接 焊接设备 KRII500
　　环境温度 -15℃ 焊接材料 Supercord71H（Φ1.2）
　　环境湿度 30% 焊前预热 140—150℃
　　焊道 道间温度（℃） 电流（A） 电压(V) 焊速(m/h) CO2气流量（L/min）
　　1 —— 220 29 15 15—20
　　2 140 240 30 15 15—20
　　3 140 240 30 15 15—20
　　4 150 250 30 15 15—20
　　5 150 260 31 15 15—20
　　6 150 260 31 15 15—20
　　备注：焊前打磨坡口及清除周围油污；清除层间夹渣，夹碳；背面进行气刨清根及打磨坡口。
　　车间内埋弧焊焊接记录
　　焊前坡口简图 焊接熔敷简图
　　图1 
　　图2
　　试件编号 DG1 焊接方法 埋弧电弧焊
　　焊接位置 平位焊接 焊接设备 MZ-1250
　　环境温度 -15℃ 焊接材料 H08Mn2E（φ4）+SJ101q
　　环境湿度 30% 焊前预热 140—150℃
　　焊道 道间温度（℃） 电流（A） 电压(V) 焊速(m/h) CO2气流量（L/min）
　　1 — 580 28 22 —
　　2 140 600 29 22 —
　　3 140 620 30 22 —
　　4 150 580 28 22 —
　　5 170 600 29 22 —
　　6 160 600 30 22 —
　　7 150 620 30 22 —
　　备注：焊前打磨坡口及清除周围油污；清除层间夹渣，夹碳；背面进行气刨清根及打磨坡口；焊剂经过350℃烘干，保温2小时。
　　车间外CO2保护焊焊接记录
　　焊前坡口简图 焊接熔敷简图
　　图1 
　　图2
　　试件编号 DG3 焊接方法 药芯焊丝CO2气保焊
　　焊接位置 平位焊接 焊接设备 KRII500
　　环境温度 -15℃ 焊接材料 Supercord71H（Φ1.2）
　　环境湿度 30% 焊前预热 140—150℃
　　焊道 道间温度（℃） 电流（A） 电压(V) 焊速(m/h) CO2气流量（L/min）
　　1 —— 220 29 15 15—20
　　2 140 240 30 15 15—20
　　3 140 250 30 15 15—20
　　4 150 260 30 15 15—20
　　5 150 260 31 15 15—20
　　6 150 260 31 15 15—20
　　备注：焊前打磨坡口及清除周围油污；清除层间夹渣，夹碳；背面进行气刨清根及打磨坡口。
　　车间外埋弧焊焊接记录
　　焊前坡口简图 焊接熔敷简图
　　图1 
　　图2
　　试件编号 DG4 焊接方法 埋弧电弧焊
　　焊接位置 平位焊接 焊接设备 MZ-1250
　　环境温度 -15℃ 焊接材料 H08Mn2E（φ4）+SJ101q
　　环境湿度 30% 焊前预热 140—150℃
　　焊道 道间温度（℃） 电流（A） 电压(V) 焊速(m/h) CO2气流量（L/min）
　　1 — 580 28 22 —
　　2 140 600 29 22 —
　　3~7 140 600 30 22 —
　　4 150 580 28 22 —
　　5 140 600 29 22 —
　　6 150 600 30 22 —
　　7 160 620 30 22 —
　　备注：焊前打磨坡口及清除周围油污；清除层间夹渣，夹碳；背面进行气刨清根及打磨坡口；焊剂经过350℃烘干，保温2小时。
　　3.2.5焊后保护
　　车间内焊接完成后利用上述方法使焊缝缓慢冷却至150℃左右时，为保证工序间的衔接，提高生产效率，可将构件转移至保温棚内继续保温，以防止焊缝冷裂纹及冷脆现象的出现，保温棚采用电加热等设备进行供热，温度保持在12℃左右，待焊缝金属降至棚内温度后，方可转入下道工序；车间外焊缝根据现场实际设置局部保温棚，使棚内的温度达到规范要求的环境温度，在保温棚内利用保温棉持续覆盖保温至棚内温度（15℃）后方可移走保温棚进行下道工序。
　　5成果验证
　　在-15℃低环境温度下，我们对Q370qE钢板按上述的焊接方法、焊接参数、保温加热措施进行车间内外CO2气保焊和埋弧焊试板制备，对产品试板分别进行拉伸、弯曲、冲击及接头硬度试验，均符合规范要求，数据如下：
　　车间内CO2气保焊力学性能试验结果
　　试验项目 试验结果 评定标准 结果评定
　　拉伸试验 性能指标 ReL(Mpa) Rm(Mpa) A(﹪) ReL≥355Mpa
　　Rm≥510Mpa
　　A≥20% 合格
　　 接头拉伸 405 545 —  
　　 焊缝拉伸 440 512 21.0  
　　冲击试验 -40℃Akv(J) -40℃Akv
　　≥41J 合格
　　 焊缝金属 热影响区(线外1mm)  
　　 124:92:132 135:109:144  
　　侧弯试验 d=3aα=180°完好 接头完好 合格
　　接头硬度（HV10） 焊缝 热影响区 母材 最高硬度 HV10≤350 合格
　　 185 179 176 185  
　　车间内埋弧焊力学性能试验结果
　　试验项目 试验结果 评定标准 结果评定
　　拉伸试验 性能指标 ReL(Mpa) Rm(Mpa) A(﹪) ReL≥355Mpa
　　Rm≥510Mpa
　　A≥20% 合格
　　 接头拉伸 405 545 —  
　　 焊缝拉伸 470 570 20.0  
　　冲击试验 -40℃Akv(J) -40℃Akv
　　≥41J 合格
　　 焊缝金属 热影响区(线外1mm)  
　　 89:102:95 96:156:105  
　　侧弯试验 d=3aα=180°完好 接头完好 合格
　　接头硬度（HV10） 焊缝 热影响区 母材 最高硬度 HV10≤350 合格
　　 180 175 165 180  
　　车间外CO2气保焊力学性能试验结果
　　试验项目 试验结果 评定标准 结果评定
　　拉伸试验 性能指标 ReL(Mpa) Rm(Mpa) A(﹪) ReL≥355Mpa
　　Rm≥510Mpa
　　A≥20% 合格
　　 接头拉伸 430 540 —  
　　 焊缝拉伸 445 510 21.0  
　　冲击试验 -40℃Akv(J) -40℃Akv
　　≥41J 合格
　　 焊缝金属 热影响区(线外1mm)  
　　 120:95:136 133:101:145  
　　侧弯试验 d=3aα=180°完好 接头完好 合格
　　接头硬度（HV10） 焊缝 热影响区 母材 最高硬度 HV10≤350 合格
　　 170 168 180 180  
　　车间外埋弧焊力学性能试验结果
　　试验项目 试验结果 评定标准 结果评定
　　拉伸试验 性能指标 ReL(Mpa) Rm(Mpa) A(﹪) ReL≥355Mpa
　　Rm≥510Mpa
　　A≥20% 合格
　　 接头拉伸 407 540 —  
　　 焊缝拉伸 475 578 20.0  
　　冲击试验 -40℃Akv(J) -40℃Akv
　　≥41J 合格
　　 焊缝金属 热影响区(线外1mm)  
　　 90:112:97 98:146:115  
　　侧弯试验 d=3aα=180°完好 接头完好 合格
　　接头硬度（HV10） 焊缝 热影响区 母材 最高硬度 HV10≤350 合格
　　 185 170 170 185  
　　6结语
　　此施工技术适用于低碳钢、低合金结构钢和高强度桥梁用结构钢在温度为5℃至-15℃环境中的焊接作业，可应用于门式钢架、钢桁架、钢网架、钢箱梁、钢桁梁、钢管拱等轻重结构的冬季施焊作业中，通过对车间内外CO2气体保护焊、埋弧焊分别对焊材的选配、焊前预热、焊后保温、焊接参数等进行阐述，施工工艺简单，安全性高，经济实用性强，具有一定的参考价值。
　　7参考文献
　　1）GB-T714-2000《桥梁用结构钢》
　　2）TB10212-2009《铁路钢桥制造规范》
　　3）GB-T2654-2008《焊接接头硬度试验方法》
　　4）GB-T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》
　　5）GB-T2652-2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》
　　6）GB-T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》
　　7）GB-T2650-2008《焊接接头冲击试验方法》
　　8）GB-T2649-1989《焊接接头机械性能试验取样方法

《浅谈桥梁用结构钢低温环境下焊接技术》

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