塔機吊臂膊80MPa級高強鋼的焊接

   時間:2014-03-12 01:16:47
塔機吊臂膊80MPa級高強鋼的焊接簡介
    FZQ1380型附著自升式塔機是由國家電力公司鄭州機械設計研究所和山東電建一公司為電力建設市場聯合研製開發的一種新型附著自升式塔機,最大額定起重量為63……
塔機吊臂膊80MPa級高強鋼的焊接正文
  FZQ1380型附著自升式塔機是由國家電力公司鄭州機械設計研究所和山東電建一公司為電力建設市場聯合研製開發的一種新型附著自升式塔機,最大額定起重量為63t,工作時允許最低溫度為-20℃。具有起升高度大,作業範圍廣,起重量大,抗風能力強,自重輕等特點,適用於單機容量為300--1000MW火力發電機組狹小施工場地中的鍋爐安裝及廠房吊裝等施工作業。

起重臂(吊臂)是塔吊結構中最重要的承重部分,總重量子力學15.557t,根部中心到頭部滑輪組中心距為59063.76m;該起重臂由根段落、7m段、3節12m段.前段和頭部共7節組成。按設計要求,起重臂主弦桿採用H80高強鋼管,每節起重臂之間採用D80材質的鍛件構成銷軸連接。H80/D80鋼連接焊縫作為起重臂的連接點和受力集中點,其焊接質量是該起重臂製作中的關鍵。

1.H80/D80高強鋼簡介

HITEN780高強鋼的最低抗拉強度為780MPa,依加工製作工藝不同為H80和D80兩種產品,該鋼種是在低碳錳鋼的基礎上通過加入適量的Cr,Ni,Mo,Cu等元素和V,Nb,Ti,B等微合金元素經熱處理調化而成。

H80鋼為起重臂主弦桿材質,規格為φ127mm*11mm。出廠前經熱加工並調質處理,淬火后回火溫度為660℃(進口管)。D80鋼為重臂接頭鍛件,供貨狀態為擴氫退火,加工后重新進行調質處理,回火溫度為630-640℃。現場焊口接頭形式如圖1所示。

國內800MPa以上級別高強鋼的焊接工程量很少,只有少數幾家重型機械廠從國外引進了低合金調質高強鋼的焊接技術㈢。雖然一些單位對低合金調質高強鋼的焊接材料.焊接工藝進行了一些針對性的研究,但核心技術的資料收集存在較大困難。

2.焊接工藝

2.1 H80鋼的焊接性分析

H80鋼管分別由日本NKK和成都無縫鋼管廠供貨,D80採用成都產的和H80同爐的鋼坯經鍛造加工而成,其化學成份和國產H80一致。H80/D80均經過調質處理,母材組織為回火馬氏體+回火貝氏體,使強韌性匹配達到最佳。

兩種(進口/國產)H80高強鋼的化學成分和力學性能參數對比見表1。

可以看出,H80/D80鋼的w(C)均不超過0.2%。由於合金元素的強化作用,焊縫及焊接熱影響區淬硬性得到提高,焊后組織均為馬氏體;該馬氏體組織的轉變溫度點Ms較高,同類鋼如日本WELTEN-80C的馬氏體轉變起始溫度為470℃,次層焊縫可對上一層焊縫形成的馬氏體組織自動回火,即有「自動回火」特性;組織的改善降低了冷裂紋產生的幾率,使焊接過程中冷裂紋傾向減小。但焊接過程中如果熱輸入集中或冷卻速度較低,在焊接熱影響區易發生軟化或脆化現象,若冷卻速度較快,焊接熱影響區易發生淬硬組織,有出現冷裂和韌性下降的傾向。

由此看來,制定H80/D80焊接工藝時需要解決2個方面的問題:

(1)防止焊接裂紋

(2)在保證滿足高強度的同時,提高焊縫金屬及焊接熱影響區(HAZ)衝擊韌度。

2 .2焊接方法的選定

為了儘可能避免裂紋和盡量提高和生產效率,高強鋼焊接一般採用熱輸入較小的熔化極活性氣體保護焊或隋性氣體保護焊等自動化或半自動焊接工藝;對於800MPa級以上的低合金調質鋼,熔化極氣體保護焊是較好的焊接方法,如CO2焊或Ar+CO2混合氣體保護焊。

我公司現有焊接工藝較單一,只有焊條電弧焊.惰性氣體保護焊.CO2氣體保護焊。雖然後2種焊接方法在熱輸入.保護效果等方面相對電弧焊優點較為突出.但所需要的焊絲必須和母材成份匹配,且訂貨數量很少,採購較困難;另一方面D80母材一側有一舌頭伸出形成襯圈(圖1),要求焊縫根部須熔合良好,考慮到焊條電弧焊的穿透性較好,容易保證根部焊透,因此,決定採用焊條電弧焊來行焊接,並通過焊接工藝評定進行驗證。

2.3焊接材料的選定

2.3.1焊縫韌性匹配的原則[3];一般情況下按照「等強匹配」原則選擇焊接材料,即焊縫金屬的力學性能要和母材相當,近年來美國.日本等國從防止焊接冷裂紋角度考慮認為「等強匹配」可能造成超強結果,使焊接區金屬韌性和抗裂性能下降;他們對「低強匹配」焊接接頭區的組織進行了研究並取得了進展,認為「低強匹配」的焊接接頭在抗裂性和韌性方面優勢較大,並針對一些結構剛度很大,承受壓應力的焊縫作了實際應用,證明可以滿足使用要求。在沒有「低強匹配」方面的可靠資料和數據的情況下,我們認為按照傳統的「等強匹配」原則選擇焊接材料的方案較為可靠。

2.3.2H80鋼焊條的工藝性能

(1)採購過程:國內上海電力修造廠,大西洋焊條廠均無現貨,由於需求數量少,無法訂貨。日本神鋼雖然可以訂購,但3個月後才能供貨。根據現有的資料,查找到北京鋼鐵研究院(安泰科技股份有限公司)可以研製生產此類焊條,遂赴北京商定採用他們的AT--J807B焊條。

(2)J807B焊條的成分:由於施工工期緊,北京鋼研院的研究周期過長,北京方面只能保證J807B焊條出廠時的熔敷金屬成分和金屬母材相同,而力學性能試驗則由我方在焊接工藝評定中予以檢驗,供貨方后複審。

2.3.3J807B焊條的工藝性能。

(1)該焊條屬葯皮過渡類型焊條,在焊條電弧形成的冶金小環境里,在施焊中必然會存在合金成分過渡不均的現象,尤以葯皮成塊脫落時為甚,且存在一部分合金元素的燒損現象。成份,組織不均勻,必然會造成局部力學性能的差異,在焊縫上容易形成「軟肋」或「硬痂」,對焊縫強韌性構成有害。因此需要在焊工培訓中重點加強技術練習,克服操作工藝上的困難。

(2)由於廠家對生產質量把關不嚴,若干焊條葯皮存在偏芯現象,葯皮與焊芯粘結不夠緊密,施焊中保護效果不很理想,易形成焊接缺陷。施焊之前必須由專人將偏芯的焊條撿出。

2.4焊接工藝的參數

制定焊接工藝參數時須考慮以下3個問題。

(1)焊前預熱,改善母材金屬的焊接性,延緩冷卻過程,利於焊縫中氫的析出,降低接頭內部的殘餘應力。

(2)低熱輸入,小參數焊接。利於控制熔池形狀,降低缺陷幾率,減小變形,同時能細化晶粒,改善焊縫宏觀組織;有關800MPa級高強鋼的焊接資料表明,施焊中熱輸入應控制在25KJ/cm以下。

(3)控制道間溫度,利用H80鋼「自回火」特性改善焊縫微觀組織,獲得良好的強韌性能。

接頭形式與管對接,坡口形式帶襯圈V形坡口,預熱溫度80--150℃
,用液化氣噴嘴加熱,用電子式測溫儀測溫,道間溫度≤150℃,焊接位置為水平固定,斜三通,使用直徑為2.5mm的J807B焊條,按小焊接參數施焊,以降低熱輸入;採用多層道焊工藝,每層焊道的厚度不超過期作廢3.5mm,直流正接。焊接工藝參數見表面3。2.5焊后熱處理工藝

低合金調質高強鋼一般在焊態下使用,但在特定條件下(承受動載,低溫等)應進行焊后熱處理。設計要求規定,接頭焊縫「殘餘應力不得大於屈服點的5%,殘餘應力不合格時,應進行熱處理」[4]。考慮到現場組合中額外的拘束應力和因之形成的殘餘應力的大小具有不可預歲性,而且沒有可靠的儀器進行檢測,為安全起見,決定採取焊后熱處理工藝消除殘餘應力。

依據DL/T678-1999《電站鋼結構焊接規程》中規定,「低合金調質結構鋼熱處理必須比調質處理時的回火溫度低30-50℃。進口H80鋼的調質回火溫度為660℃,國產D80鍛件的回火溫度為630-640℃,考慮回火溫度對兩側母材強韌性的影響,焊后熱處理工藝見圖2。2.6焊接及熱處理施工工藝控制

由於H2是焊接冷裂紋的最直接的誘發因素,因此在對焊接過程中按規定要求嚴格執行焊條烘焙、理場保溫筒使用程序和焊口清理程序,降低H2的來源;焊后保溫緩冷,當天施焊的焊口當天必須熱處理完,確保焊縫中的H2充分逸出,減小冷裂紋產生幾率。

每層焊縫只焊接兩面各上焊焊縫,向下焊焊縫須翻身成各上焊位才能施焊,避免焊條在仰焊位置因熔敷效果不好產生焊接缺陷。

施焊中注意接頭的質量和引弧、收弧方式,注意氣孔、未熔合、夾渣等缺陷,表面咬邊必須修補並磨平;蓋面焊縫注意過渡圓滑,邊角不圓整得應採用銼刀修磨處理。

熱處理中所用熱電偶、記錄儀均應根據計量規定進行標定或校驗,保證工藝參數在控制範圍以內。採用新型電腦溫控儀(DWK-180℃)時,要求對每個焊口單獨控溫,熱電偶接線清楚可靠,記錄曲線標識清楚。

3焊接結果

3.1經焊接工藝評定試驗,焊縫接頭質量達到設計使用要求

力學性能試驗結果:搞拉強度825MPa(D80母材處斷裂),50°面彎、背彎均合格,-20℃低溫衝擊真心度40.42J/cm2,硬度試驗焊縫HB243,母材HB227,熱影響區HB206。金相檢驗結果如圖3所示,焊縫、熱影響區組織和母材一致,均為回火索氏體+回火貝氏體組織。

3.2焊后檢驗

外觀檢查:所有焊縫應100%進行外觀檢查,焊縫尺寸必須符合圖紙設計要求,焊縫表面不允許出現裂紋、未熔合、氣孔、夾渣、焊瘤等缺陷,表面余商控制在2.5mm以內,超出部分和過渡不圓滑處需打磨修理。外觀檢查不合格的焊縫,須經修補合格後方能進行下一步的檢查。無損檢驗:焊縫接頭無損檢驗執行100%超聲檢驗,100%硬度測試,100%著色+磁粉檢驗。

3.3塔吊運行情況

FXQ1380塔機於2001年10月22日在寧夏嘴山電廠4X300MW機組擴建工程中投入使用,是非曲直利完成了鍋爐鋼結構大板梁、鍋爐汽包等大件大件吊裝工件,在7~8級風的天氣狀況下仍能正常工件,經受了-20℃以下的低溫考驗[6],有力地支援了工程建設。

4結論

(1)800MPa級高強鋼採用焊條電弧焊接工藝,按「等強原則」選用焊接材料,並採用焊后熱處理工藝,滿足並達到了設計使用要求。

(2)對焊接熱輸入和道間溫度的控制,是H80主強鋼焊接工藝中的關鍵。

(3)下一步可考慮採用「低強匹配」原則,選擇強度等級稍低一引起的焊條(如750MPa級)或採用惰性氣體保護焊工藝提高焊縫金屬韌性,以更好地滿足設計要求。

參考文獻:

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(第2卷材料的焊接)[M].北京:機械工業出版社.[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(第3卷焊接結構)[M].北京:機械工業出版社.[3]鄒增大,李亞江,尹士科,低合金調質高強度鋼焊接及工程應用[M].北京:化學工業出版權.[4]國家電力公司鄭州機械設計研究所.FZQ1380型附著自升塔式起重機基本技術條件[z].[5]DL/T678-1999,電站鋼結構焊接遠規程[S][6]山東電力建設第一工程公司.FZQ1380型附著自動塔式起重機用戶意見書

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