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1、箱型钢梁（柱）隔板管极电渣焊纵缝焊接的工艺性能改善第33卷第11期2003年11月雹珲檄EkctricWeldingMachineV0l_33No.11Nov.2003箱塾镳粱柱隰板管极电渣撵纵缝焊接酶工艺性能改善杨军,李大军,佟文宗(甘肃西脉新材料科技股份有限公司钢结构研究所,甘肃兰州730050)摘要:介绍了在箱型钢梁(柱)隔板纵缝焊接中,管极电渣焊管极涂层的自制研究,工艺应用及其进一步生产转化.关键词:电渣焊;管极涂层;箱型钢梁(柱)隔板;纵缝中图分类号:TG441-3文献标识码:B文章编号:1001-2303(2003)11-0040-04Applicationofelectrosla
2、gweldingforBox-Beam(pillar)StendonYANGJun,LIDa-jun,TONGWen-zong(GansuSeemineMaterialHigh-techCo.Ltd.ResearchServices,Lanzhou730050,China)Abstract:Inthispaper,itintroducestheprocessapplicationandstudyoftubescoatingforelectroslagweldingandproductionforBoxBeam(pillar)Stendonareintroduced.Keywords:elect
3、roslagwelding;tubescoating;BoxBeam(pillar)stendon;verticalweldingseam-_一刖吾此项目研究前期主要考虑应用在钢结构(箱型钢梁隔板)管极电渣焊焊接过程中,特别是在厚板(16)低合金钢.由于箱型钢梁的设计不同,所出现的焊接方式也将不同,但是箱型钢梁的目前设计大部分采用隔板加劲(采用管极电渣焊完成),虽然日本,美国等国家也有一些其他焊接技术用于箱型钢梁,但因其设备复杂,技术不够成熟,稳定,故很难推广llI2】.箱型钢梁(柱)钢结构在桥梁,建筑中广泛应用,而箱型梁(柱)隔板与腹板焊缝的焊接由于受到空间位置的影响,焊接工艺带来了一定的困
4、难,故目前较多采用管极电渣焊完成此焊接任务.1钢结构管极电渣焊特点由于电渣焊缓慢的冷却速度,使得焊缝区和近收稿日期:20030815作者简介:杨军(1977-),男,甘肃酒泉人,助理工程师,学士主要从事钢结构焊接【艺的制定和研究工作.40学缝区在高温停留时间长,易引起晶粒粗大,产生过热组织,造成焊接接头冲击韧性下降,因此为了改善焊缝的组织和性能,一般电渣焊接头需焊后进行正火处理,但对于钢结构一类大型构件很难进行正火和回火,因此如何提高电渣焊在焊态时的接头冲击韧性及工艺控制是钢结构电渣焊发展中的一个重要课题rj1.为此通过对管极电渣焊的管极涂层工艺配方和制成品的研制,提高了焊接接头冲击韧性,获得
5、低制作成本,高质量的电渣焊焊缝.电渣焊是通过液体渣液所产生电阻热,将其管极,焊丝和母材熔化形成焊缝l41.在此研究过程中选取了常见的箱型钢梁(柱)隔板纵缝焊接为研究对象.图1为熔嘴电渣焊原理示意图,图2为箱型钢梁(柱)隔板纵缝熔嘴电渣焊截面图.2管极涂层配方试制试验过程目前已初步针对低合金钢和低碳钢的钢结构(如图1所示的箱型钢梁结构)管极电渣焊进行了研究,结合与熔嘴管相配合使用的焊丝,焊剂及焊接生产与应用杨军等:箱型梁(堕笪堡皇堕堡笙堡三茎丝堂墼董笙塑图1熔嘴电渣焊原理示意图焊缝仔)图2箱型钢梁(柱)隔板纵缝熔嘴电渣焊截面图母材主要化学成分,通过管极涂层过渡的微量合金元素,细化焊缝晶粒,改善接
6、头力学性能.在管极涂层药皮配方试验中,采用正交试验法,对涂层配方中各药粉(合金,矿粉)组成的经验坐标点进行了数值分析,为其他母材,其他工艺提供理论依据.2.1配方试验综合考虑压涂工艺性能和焊接性能,切合实际情况进行试验,管极涂层配方采用正交试验设计法.2.2配方影响因素a.焊接材料.焊剂Hl360;焊丝b2.4H10Mn2;母材Q345B;无缝管123.0,20钢.以上焊接材料均达国家有关质量要求.b.焊缝金相组织性能:强度,冲击韧度,细化晶粒.c.焊接冶金反应:造渣,脱氧,稀渣,渗合金.d.药皮压涂质量:增塑,粘结.e.管极涂层配方见表1.表1涂层配方药皮矿粉/%大理石滑石粉石英粉萤石粉金红
7、石钛自粉白云石赤铁矿291918174544经过了多次试验,此配方最合理.3配方分析3.1合金元素的过渡管极涂层配方与添加的焊剂形成渣池,利用熔渣导电产生电阻热熔化金属(焊材和母材),要求不仅有稳定的电渣过程,而且要通过二次冶炼进行脱氧,造气,渗合金等,并保证能获得良好的机械性能和满足使用要求的焊缝.焊剂,焊丝,母材均为高锰,Mn作为微量元素在焊接冶金过程中,对铁素体和奥氏体均有较强的固溶强化作用,且Mn氧化后形成MnO,起脱氧和造渣的作用.随着Mn含量的增加,其有较强的淬硬倾向,硬度增大,热裂纹倾向增大,回火脆性增加等不利倾向,故焊缝中的锰含量要加以控制,也即管极涂层中带入的微量元素Mn含量
8、要低;Mo和Ti均为最强的碳化物形成元素(在配方中加入钛铁,钼铁),但只要控制好此2种元素的含量在钢中(no)约0.5%时,能减低或抑制其他元素导致的回火脆性1,在提高抑制奥氏体向珠光体转变能力方面将是有利的,同时可细化晶粒,进而提高焊接接头冲击韧性;Si(在配方中加入硅铁)既可作为常用脱氧剂,控制其含量,它又有较强的固溶强化作用l.3.2焊接冶金反应此结构的管极电渣焊焊缝具有特殊性,其焊接冶金过程除具备一般焊缝的要求外,还由于立焊缝要求气体和杂质能较容易地排出,故要求有合适的熔渣粘度.粘度过大,不利于气体和杂质的排出,也不利于焊缝的充分冶金反应;粘度过小,电渣焊过程易出现飞溅大,不利于电渣焊
9、进行.熔渣的粘度与温度和熔渣的成分有关,如熔渣中加入能形成粗大阴离子的物质(如SiO:与O一结合形成粗大阴离子);升高温度熔渣的粘度下降.熔渣的粘度也与熔渣熔点有关,在保证熔渣粘度合适的条件下,熔渣熔点,?41?生产与应用雹焊梭第33卷也不可太低或太高,合适的熔渣熔点,有利于高温渣液(参看图1)温度提高.液态熔渣的导电性也不可忽略.金属熔池的结晶是从母材的半熔化晶粒开始,从金属熔池的周边向下,向上发展(从宏观焊缝照片也可看到).4工艺评定4.1焊材状态焊剂,熔嘴管(自制)烘干,保证干燥,焊丝表面无油污.4.2母材状态采用半自动切割,保证切割面平整,成形块能贴合紧密,装配零间隙,焊接面无油锈,无
10、预热.4.3焊接工件的装配由于在实际生产过程中熔嘴电渣焊焊接位嚣不利于进行焊缝力学性能试验和焊接分析,故在不影响试验数据的真实性,准确性和焊接成形的前提下,对试块结构作了调整,如图3所示./哇/渣焊孔图3调整后的试块结构图4.4焊接工艺参数焊接工艺参数见表2.4.5试焊过程简述a.安装试验工件前,检查管极是否通畅,无缝管挠度保证0.5,根据试验工件的长度选择管极的长表2焊接工艺参数板厚6/mm装配间隙blmm焊管规格/mm焊丝直径D/mm222212x32.4焊接电压U/V焊接电流/A初始加入焊药量m/g渣池深度h/m384140050020303040度,管极上端电极夹头长度30-40mm,
11、尽量保证管极在电渣焊孔中心位置.b.安装结晶成形块有缝隙,防止渣液和钢水外溢,用石棉泥塞缝.c.添加焊药以保证渣池深度在30-40mnq之间为原则.d.焊接.引弧时电流波动大,焊丝送丝不稳定,电流,电压较小,在随着焊药的再次添加,有一定渣池后,转入电渣焊,电流,电压趋于稳定,电流增大10-20A,电压增大l2V.具体参数见表2.收弧时考虑到引出成形,电流,电压略降低.在整个焊接过程中,注意观察电流电压表盘的示数变化,同时要注意试验工件两侧温度,渣池深度的变化.e.试焊工艺补充说明.为保证有稳定的电渣焊过程及减小网络电压的影响,造成焊接缺陷,电渣焊电源避免电弧放电或电渣一电弧的混合过程I1.5试
12、验分析首先对外购管极(20钢),自制管极,无涂层无缝管进行化学成分复检,并进行试焊,化验焊缝化学成分,做力学性能试验,做焊缝金相照片,最后3者做对比.5.1化学成分对比分析各试件的化学成分见表3.5.2焊接接头力学性能对比力学性能试验数据对比见表4.5.3金相对比试块金相图如图4所示.5.4焊后焊缝宏观,微观相片表3各试件的化学成分%?42生产与应用畅军等:箱型钢梁(柱)隔板管极电渣焊纵缝焊接的工艺性能改善第l1期表4焊接接头力学性能试验数据对比外购试块7422905052760,70,6o,8082自制试块7592904702190,102106,105,78a宏观j!片b微观金相图5焊缝宏
13、观,微观相片最后所选配方的焊缝从宏观照片中,焊缝直径尺寸:2630mm完全焊透,特别是11方向.见图5.焊接质量,探伤全熔透,无任何缺陷.6生产转化自行设计的一套压涂设备工艺原理图,如图6所示7结论在钢结构(箱型钢粱漕极电渣焊焊接过程中,在管极涂层中加入Mn,Ti,Mo,Si等少量合金元素过渡.不仅可以强化焊缝,而且可使其焊缝晶粒细化,冲击值提高20%30%,免去了焊后回火热处理,提高了功效.此配方经进一步完善,延伸.结合一定工艺将可应用于其他母材(Q235Q345等结构钢材料)和其他工艺的管极电渣焊.参考资料:11陈祝年焊接工程师手册MI北京:机械丁业出版社.20022中国机械1程学会焊接学会焊接手册第l,2,3卷【M】北京:机械T业i版札.1993.3姜焕中电弧焊段电渣焊(修订本)【MJ北京:机械丁业出版社,19884】崔忠圻.金属学与热处理【M】北京:机械工业出版社,19925】何广乾高层建筑设计与施工M】北京:科学出版社,19946王肇民.钢结构设计原理【M】.上海:同济大学出版社,1991一机头;2壳体;3锁紧螺母:4一压进甫缸;5送管机构;6一导向套:7一密封件;8一机架;9一液系统;lO一导向管图6电渣焊熔嘴管压涂机筒图藏砧43