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1、钢桥U肋焊接新工艺金属芯药芯焊丝CO2气体保护焊生产应用俘掳钢桥U肋焊接新工艺金属芯药芯焊丝CO2气体保护焊武船重型工程有限公司(武汉市430415)张华舒先庆李立明武峰叶君龙摘要针对目前钢桥U肋焊接中存在的共性技术问题进行了研究.采用宏观断面分析,冷裂敏感性对比试验,金相组织分析等手段,研究了金属芯药芯焊丝CO气体保护焊工艺在U肋焊接中的适应性,分析了各种工艺条件对U肋焊缝熔透率及焊缝成形的影响,优化了焊接坡口尺寸和工艺参数.研究结果表明:对于钢桥板厚为8mm的U肋角焊缝,采用金属芯药芯焊丝CO气体保护焊,焊丝直径为1.6mm,可一道焊接成形,焊缝熔透率大于80%,外观成形和内部质量良好,可
2、大幅提高焊接工效,降低生产成本,从焊接新工艺途径上得到了突破.关键词:钢桥U肋金属芯药芯焊丝工艺参数焊缝熔透率焊缝成形中图分类号:TG4440前言中国的焊接钢桥正在蓬勃发展,跨江河,跨海大桥不断建成.钢桥为设计使用寿命百年以上的公共建筑,且属典型的受动载载荷结构,对焊接接头质量的要求非常严格J.u肋焊接是整个钢桥生产制造中的重要组成部分,u肋与面,底板问角焊缝要求有较高的抗疲劳性能,是钢桥焊接中的重点与难点.近年来,国内有多座钢桥在运营期间受车轮载荷作用,U肋与面板问角焊缝出现了开裂问题,给钢桥的设计与制造者带来了警示和思考.目前,钢桥U肋焊接均采用熔渣型药芯焊丝CO,气体保护焊或实心焊丝CO
3、:气体保护焊,但鉴于u肋焊缝的接头形式和技术要求的特殊性,在焊接质量,工效与成本上未能达到较好的综合效益;尤其对于板厚为8mm的U肋,采用熔渣型药芯焊丝焊接,若单道焊接,焊缝金属填充量不足,焊缝外观成形不良,若两道焊接,则焊接生产效率过低.中铁山桥公司对钢桥U肋加劲焊接技术进行了总结,但仅基于现有技术介绍了U肋焊接的工艺要求,并没有突破U肋焊接中的共性技术问题.金属芯药芯焊丝是近年来国际上发展的新趋势,相对于熔渣型药芯焊丝,它的药芯大部分是金属粉,只有少量的稳弧剂和造渣剂,具备高熔敷速度,低飞溅率,焊接工艺性好的特点,而且氢含量可以较易地限制收稿日期:20100317在较低的水平,使焊缝抗裂性
4、能得到提高,同时可减少焊接气孔倾向.将金属芯药芯焊丝用于U肋焊缝的焊接,利用其良好的工艺性能和更高的熔敷速度优势,旨在解决目前行业中钢桥u肋焊接存在的共性技术问题,特别是对于板厚为8mm的U肋角焊缝,可一道焊接成形.因而改善了焊缝外观成形和内部质量,大幅提高焊接工效,降低生产成本.1U肋角焊缝设计要求及工艺特点1.1设计要求钢桥中的U肋板厚多为8mm,少数为6mm或l0mm,图1为U肋加劲结构截面示意图.A放大图1U肋加劲结构截面示意图U肋焊缝设计要求主要有:焊缝外观应满足规定要求,不得有裂纹,未熔合,未焊满,咬边等缺陷;焊缝熔深不小于u肋厚度的80%;u肋焊缝背面不允许有焊漏.1.2工艺特点
5、目前,由于应用了微合金强化作用原理,钢中碳含2010年第10期5l俘掳生产应用量和碳当量及夹杂物的降低,焊接热影响区的脆化作用已显着降低.而实践表明,为保证焊缝强度要求所选用的焊接材料,焊缝的实际强度往往会大大超过设计要求,成为”超强匹配”.对于钢桥U肋角焊缝,焊缝金属冷却速度较快,硬化作用比较明显,焊缝的塑性和韧性常常逊于母材,因此焊缝金属产生裂纹的几率增大,特别是u肋焊缝中的横向冷裂纹问题不可忽视.由于u肋焊缝为背面无衬垫单面焊接成形,焊缝熔深允许范围很窄,受u肋坡口精度,装配间隙,工件倾角,送丝位置和角度,焊接参数等因素的影响,同时保证良好的焊缝外观成形和设计熔深要求,又要避免焊缝焊漏,
6、工艺要求非常严格,是钢桥焊接中的难点.2试验条件及方法母材材质为Q345D,U肋试板规格为8mm120i/l/flx400mm;面(底)板试板规格为14mm150mmX500mm;金属芯药芯焊丝牌号为SQJ50MX,代号为xl,直径为1.6mm;熔渣型药芯焊丝代号为X2,直径为1.6mm.表1为金属芯药芯焊丝xl熔敷金属化学成分与力学性能.表1SQJ50M金属芯药芯焊丝熔敷金属化学成分与力学性能影响U肋焊缝外观成形和熔深的工艺因素较多,且各因素间存在互相作用的关系,显然无法对所有因素进行一一组合试验.采用的试验方案是:充分利用已积累的焊接经验,第一步选择认为较为适中的工件倾角,焊丝角度,焊接参
7、数(焊接电流,电弧电压,焊接速度),进行各种焊接坡口尺寸的对比试验;第二步,确定较佳的焊接坡口尺寸后,对送丝位置,装配间隙,焊接参数,工件倾角等因素进行对比试验,确定其较佳值,最终得到优化的焊接坡口尺寸和工艺参数.3试验结果与分析3.1焊接坡口尺寸的选择焊接坡口尺寸直接影响焊缝外观成形与熔深,选定面(底)板与水平倾角为30.,焊丝与面(底)板夹角为45.,送丝位置离坡口根部12mm左右,焊接电流,=320340A,电弧电压U=2527V,焊速与焊缝厚度相适应,焊丝伸出长度为1416mm,气体流量为1820L/rain,U肋试板均贴紧面(底)板,以u肋试板的坡口角度和钝边尺寸P为变量.图2为U肋
8、焊接试验试板装配图,图3显示为各类U肋坡口尺寸对焊缝熔透率的影响.从图3中可以看出,对于板厚为8mm的u肋,采用金属芯药芯焊丝CO气体保护焊,坡口的钝边尺寸对焊缝熔深的影响皿着,当钝边尺寸增加时,焊缝熔透率随之降低;焊接赶口角度对焊缝熔透率亦有较大的522010年第10期影响,当坡口角度增加时,焊缝熔透率随之增大.这是因为,在其它焊接参数相同的条件下,当坡口角度一定时,焊接电弧的穿透力是一致的,那么钝边尺寸越大,未熔透深度显然越大;而当钝边尺寸一定时,坡口角度增大时,因电弧穿透力的增加及坡口根部传热速度的减小,从而造成焊缝熔深的增大.当坡口角度为52.或56.,钝边尺寸为0或0.5mm时,焊缝
9、熔深达到了u肋板厚80%以上的设计要求.U肋图2U肋焊接试验试板装配图试验中发现,坡口角度增大时,而钝边尺寸又不足时,焊缝易发生焊漏现象;当坡口角度达到60.时,钝边需大于1mm,焊缝不至于焊漏,但焊接中对焊接电弧的位置要求很高,稍偏面(底)板或u肋均会影响焊缝外观,偏于面(底)板侧,熔宽不足以完全熔化u肋坡口面,偏于u肋侧,则会在u肋侧产生咬边缺陷.在满足焊缝熔深的条件下,坡口角度较小时,焊缝金属填充量较小,相应焊接速度可适当增加,同时可更有效地避免咬边缺陷的产生.综上所述,综合焊接质量,焊接效率与成本,对于8mm厚U肋焊接,优选焊接坡口尺寸均为:坡口角度为52.,钝边尺寸为00.5mm.9
10、284嚣76连6860钝边尺寸plnun图3坡口尺寸对焊缝熔透率的影响2.03.2焊接参数的选择选定U肋坡口尺寸后,进行了焊接参数的选择和优化,试验不同焊接规范,坡口间隙,焊丝指向位置等参数对焊缝熔深及外观成形的影响.U肋焊缝熔深随焊接电流,坡口间隙的增加而增加,随焊丝指向离坡口根部距离的增大而减少,即便对于合适的焊接坡口尺寸,要使u肋焊缝熔透深度达到设计要求,又不至于焊漏,各参数之间需要合理匹配.在试验中发现,当焊接电流过小时,焊缝熔透率不足,过大时,焊缝焊漏,焊缝未填满;当电弧电压过小,焊缝外观易成凸形,过大时,焊缝在U肋侧易出现咬边缺陷;而当焊接速度过快时,焊缝外观呈凸状成形,经优化后焊
11、接参数为:,:330340A,U=2527V,=250270mm/min.在试验中发现,对于有一定坡口间隙的U肋角焊缝,焊缝熔深存在着”非连续过渡区”现象,即通过连续调节焊丝指向离坡口根部距离c值,焊缝或焊漏,或熔深小于一定值.当坡口间隙超过0.8mm时,若要使焊缝熔深大于U肋板厚的80%且不焊漏,C值的选择范围已很小,焊接工艺裕度已很低.坡口间隙与焊丝指向位置需合理匹配,在合适的焊接规范下,对于无间隙坡口,当1mmc2.5mm时,焊缝熔深和外观成形可达到设计要求,当c>2.5mm时,焊缝熔深则不足;对于0.8mm间隙的坡口,当C达到3.0mm左右时,焊缝不至于焊漏,而当C更大时,则会出
12、现焊缝熔深不足,外形焊偏的问题.生产应用t缛掳此外,当面(底)板与水平面倾角过小时,U肋焊缝易咬边,反之,焊缝熔深略有下降,30.左右为较宜;当焊丝与面(底)板夹角过小时,U肋焊缝背面易焊漏,反之,焊缝熔深减少,45.左右为较宜.焊丝在移动方向上为垂直或略为前倾均可.应该注意的是,当焊丝与面(底)板夹角过大,焊丝指向离坡口根部距离过大以及焊接速度较慢时,易在u肋焊缝根部形成尺寸较大的”夹渣”,将大幅降低焊缝的熔透率.通过试验发现,焊缝焊漏缺陷易引起焊接热裂纹,分析认为,焊缝焊漏改变了成形系数,加剧了低熔点杂质在柱状晶汇合处的偏析.因此焊缝焊漏不仅仅只是形状缺陷,还可能会引起焊缝内部的熔合性缺陷
13、问题.图4为U肋焊接接头宏观断面.图5为U肋焊缝外观成形.罔4U肋焊接接头宏观断面图5U肋焊缝外观成形3.3工艺对比分析对于药芯焊丝的选用,不能不关注氢的影响,焊缝硬化作用及其在拘束条件下引起焊接冷裂的问题,因此重点考察金属芯药芯焊丝xl焊缝金属的冷裂敏感性,进行了直Y形坡口拘束试验和GBOP试验,分别考察其纵向与横向冷裂敏感性,与之对比的是熔渣型药芯焊丝)(2,试验条件与工艺参数相同.在直Y形坡口拘束试验中,焊丝)(2焊缝表面有通长纵向裂纹.而2010年第10期53俘掳生产应用焊丝x1无表面裂纹,图6为GBOP横向裂纹试验结果.(a)横向裂纹宏貌(焊丝X1)(b)横向裂纹宏貌(焊丝X2)图6
14、GBOP横向裂纹试验结果对图6中两者的横向裂纹宏貌进行测算,x1焊丝焊缝面积裂纹率Scr为35.5%,X2焊丝焊缝面积裂纹率Scr为78.4%,其中Scr=(裂纹面焊缝横截面面积).试验表明,金属芯药芯焊丝x1焊缝冷裂敏感性显着低于熔渣型药芯焊丝X2,这为其在产品焊接中的应用提供了有利的条件.借助横向冷裂试验,对比两者在试块表面以上部分焊缝金属的截面面积,可以得出,在试验中的同一焊接规范条件下(焊接电流280A,电弧电压28V,焊接速度350mm/min),金属芯药芯焊丝熔敷速度比熔渣型药芯焊丝熔敷速度约高25%.图7为采用2种不同工艺U肋焊缝金属的显微组织,分别为金属芯药芯焊丝CO气体保护焊
15、(焊丝X1)和熔渣型药芯焊丝CO:气体保护焊(焊丝X2).比较xl与)(2焊缝金属金相组织.X1接头焊缝区晶界先析铁素体含量较少,且晶内针状铁素体细小密集,数量较多.增加晶内针状铁素体含量对提高焊缝韧性有益,也就是说,金属芯药芯焊丝X1的U肋焊缝韧性高于熔渣型药芯焊丝x2.542010年第10期图8为采用2种不同工艺的U肋接头宏观断面,u肋板厚为8mm,均一道焊接成形,分别为金属芯药芯(b)焊丝X2图7U肋焊缝金属显微组织(a)焊丝Xl图8U肋焊接接头宏观断面对比生产应用r蜉掳钛合金T形接头电子束焊接残余应力数值模拟北京宇航系统工程研究所(100076)袁双喜首都航天机械公司(北京市10007
16、6)史进朝郝文龙哈尔滨_v-,_lk大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001)何景山摘要建立了钛合金T型接头电子束焊接温度场和应力场的数值计算模型,利用大型有限元软件MSC.Marc对焊接过程进行了数值模拟.模拟过程采用高斯面热源和椭球体热源叠加的组合型热源模型.对所得模拟结果,分别分析了三向残余应力在不同方向上的分布曲线,分析认为,纵向应力表现出较大的数值,最大值可达750MPa.通过X射线衍射的方法测量了焊接试件的横向残余应力,并与数值模拟结果进行对比,结果显示二者符合良好.关键词:数值模拟钛合金电子束焊残余应力中图分类号:TG456.30前言钛合金是航空航天领域中很有发展前景的材
17、料,近年来,其使用比例逐年增加.电子束焊由于在真空条件下进行,焊缝金属化学成分纯净,并且接头热影响区小以及焊接变形小,是钛合金焊接的优选方法.电子束焊属于局部短时高温加热,焊缝窄而深,在焊接过程中会产生相当大的焊接应力,并在焊后残留在工件中形成残余应力,对焊接构件的安全使用具有重要收稿日期:20090907影响.目前,国内外对电子束焊接构件残余应力的研究已经取得了一定的进展-5.文中将对电子束焊接中常见的T形接头残余应力的分布特点进行分析.1有限元计算模型文中采用的试验材料为钛合金,其中筋板为铸造钛合金ZT4,尺寸为100mm10mm9mm;盖板材料为锻造钛合金TC4(Ti一6A14V),尺寸
18、为100mm100mm1.5mm.采用大型有限元分析软件MSC.Marc对钛合金T形接头电子束焊接过程进行有限元数值模拟,模拟过程中利用MSC.Marc自带的前处理程序焊丝CO:气体保护焊(焊丝X1),熔渣型药芯焊丝CO气体保护焊(焊丝X2).从图8中看出,采用熔渣型药芯焊丝X2,熔宽较宽,焊缝金属填充量不足,有咬边缺陷,焊接熔池底部轮廓呈”锅形”,焊缝熔深也不足;而采用金属芯药芯焊丝x1,因其具有更高的熔敷速度,焊缝成形比较饱满,避免了咬边缺陷,且焊接熔池底部轮廓呈”杯底状”,焊缝熔深满足设计要求.4结论(1)金属芯药芯焊丝具有更高的熔敷速度,良好的工艺性能和抗裂性能,适合于钢桥u肋角焊缝的
19、焊接.对于板厚为8mm的u肋,其焊缝可一道焊接成形,各项指标均达到设计要求,大幅提高了焊接生产效率.(2)对板厚为8mm的U肋的焊接,优化的坡口尺寸为:坡口角度为52.,钝边尺寸为00.5mm,焊接参数为:,=330340A,U=2527V,=250270mm/mino(3)对于保证U肋角焊缝良好的成形质量,坡口间隙的控制至关重要,当坡口间隙超过0.8mm时,焊接工艺裕度已很低.参考文献1张华,舒先庆,黄新明.钢桥焊接中_艺参数与焊缝金属填充量的关系J.焊接,2007(8):5052.2朱庆菊.钢箱梁斜拉桥U形加劲肋焊接J.金属加:(热加_丁).2008(10):4245.3】李建海,陈邦固.新型金属芯药芯焊丝的开发和应用J.焊接技术.2000(6):4750.4陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策M.北京:机械1一业版社.2005.作者简介:张华,1981年出生,学士,工程师.主要从事钢桥焊接技术工作,已发表论文9篇.2Olo年第1o期55