厚板焊接结构质量控制研究

杨洪兰，于 彬，闫秀侠

(烟台工程职业技术学院，山东 烟台 264006)

厚板焊接结构质量控制研究

杨洪兰，于 彬，闫秀侠

(烟台工程职业技术学院，山东 烟台 264006)

通过焊接热循环模拟试验和焊接工艺评定对厚板焊接结构的焊接质量控制进行了深入研究，解决了厚板焊接结构的质量问题。研究成果及工艺技术措施对于厚板焊接结构生产和质量保证具有一定的指导意义，已经在企业焊接生产中得到了很好的应用，并取得了明显的成效。

厚板；焊接；质量控制

在压力容器制造、重型工业和核电设备制造等行业的生产中有众多的厚壁容器、大型构件和厚壁管道，它们大多采用焊接加工的方法进行制造、成形。由于这些焊接结构厚度很大，焊接时需要很大的焊接热输入，使得制造加工应力大，从而导致焊缝及热影响区冲击韧度严重下降，钢的焊接性能受到一定的影响，给焊接加工带来了很多问题。特别是在厚板结构的压力容器焊接中，由于钢板厚度大，严重影响了焊接质量的稳定性，经常出现一些影响工艺性能和使用性能的缺陷，以至于不能满足相关技术指标要求，从而使保证产品焊接质量成为难题，也使产品制造成本增加，经济效益下降。因此，在厚板结构的压力容器制造过程中，必须采取相应措施，严格质量控制，来保证焊缝的质量及焊接接头的性能；同时在保证产品焊接质量的前提下，尽量提高生产效率。本文结合企业焊接生产，通过焊接热循环模拟试验和焊接工艺评定等过程对厚板压力容器焊接结构质量控制进行了深入研究，以此对厚板焊接结构质量控制提供工艺技术支持。

1 厚板焊接结构的主要问题

1.1 焊接接头脆化

厚板焊接结构，特别是厚板钢制压力容器在国民经济诸多领域有着广泛的应用，而在其焊接生产过程中主要以自动埋弧焊为主。自动埋弧焊焊接方法具有生产效率高、劳动条件好和焊接质量好的优点，适于较厚、较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。但厚板钢制压力容器的结构特点，使其在焊接过程中存在着重要问题，主要是熔敷金属量多，焊接时间长，热输入大，施焊时焊缝拘束度大，焊接残余应力大，焊后应力和变形大；同时由于热源三维温度场的作用，造成焊缝及热影响区冷却速度较快，在结晶过程中容易形成粗晶粒马氏体组织，从而使焊接的钢材变脆，冲击韧度下降，产生冷裂纹的倾向也将增大。此外，由于热输入很大，也导致了热影响区晶粒粗大，产生脆化现象。

1.2 焊缝成形不良

在厚板钢制压力容器的自动埋弧焊过程中，由于焊接电流很大，金属熔化速度快，熔化的金属量多，如果熔池结晶过程不能有效控制，便会造成焊缝成形不良，严重影响焊接质量。

2 影响厚板焊接结构焊接质量的主要因素

2.1 焊接热输入

焊接热影响区晶粒大小与热输入直接相关，而且焊缝中的偏析程度也与晶粒大小有着一定的关系。热输入越大，晶粒越粗大，使得焊接接头的塑性和韧度受到严重影响；同时由于晶粒尺寸的增大，偏析程度也增大。这些均导致焊接接头韧性下降，晶界强度和塑性降低，而且增加了对热裂纹的敏感性。

2.2 钢板厚度

厚板结构存在三向应力，钢板厚度越大，刚度越大，焊接应力也越大。厚板的三向应力使得焊接过程中拘束应力增加，给焊接质量带来很大的影响。而且在焊接热源作用下，随着结构厚度的增加，散热加快，导致焊接接头的冷却速度加快，韧性下降，材料的焊接冷裂纹敏感性增加。

2.3 焊接接头的坡口形式

厚板钢制压力容器筒体纵环缝多采用自动埋弧焊进行焊接，并且采用多层焊。坡口加工角度较小时，会导致熔合比增大，使焊道液态金属高度稀释，硫和磷等杂质元素含量增加，焊缝中心的杂质浓度增加，冷却结晶后极易产生结晶裂纹。

2.4 焊丝位置

焊丝相对于焊件的位置直接影响熔池金属结晶过程的进行。在进行厚板压力容器筒体环缝焊接时，如果焊丝相对于焊件的位置处理不当，会出现液态金属流淌，导致焊缝成形不良。

3 厚板焊接结构的焊接质量控制

1)厚板焊接结构在焊接过程中，焊缝热影响区由于冷却速度较快，在结晶过程中很容易形成粗晶粒马氏体组织，从而使焊接时钢材变脆，产生冷裂纹的倾向增大。在实际焊接生产过程中，由于冷却时间比较容易测定且比较准确，所以多以一定温度范围内的冷却时间来表示冷却速度。对于低碳钢和低合金钢等不易淬火的材料，常采用相变温度为800～500 ℃的冷却时间t8/5来表示冷却速度。根据热模拟试验，在厚板焊接过程中，一定要严格控制焊接接头尤其是焊缝及熔合区处，从800 ℃冷却到500 ℃的时间，即t8/5值。t8/5值过小，焊接接头熔合区硬度过高，易出现冷裂纹；t8/5值过大，则熔合区处的临界转变温度升高，使接头冲击强度下降，而且工件的组织也会发生变化。出现上述2种情况，都将直接影响焊接接头的质量。

因此，对于厚板焊接结构，在焊接之前需通过不同的焊接热循环模拟试验，以确定母材的最佳韧性水平，为焊接工艺评定的实施提供依据，推荐焊接参数。

2)厚板焊接结构焊接前要按照焊接工艺评定的相关标准和要求进行焊接工艺评定。其中，焊接材料的选择要综合考虑强度、塑性和韧性的要求；坡口形式尽量采取对称的X形或U形坡口。

3)为减少内应力，防止裂纹，改善焊缝性能，母材焊接前必须预热。预热方法可采用电加热和火焰加热2种方式。火焰加热一般用于个别部位且电加热不宜施工之处，由于加热温度不易控制，特别要注意加热的均匀性。电加热预热温度由热电仪表自动控制，容易保证加热的均匀性。预热温度要根据母材的厚度及具体的结构特点来确定。

4)为提高焊接接头的塑性和韧性，在焊接工艺参数的选择上要控制好热输入。应根据焊接工艺评定结果，科学地选择焊接工艺参数，并做到合理匹配。

5)定位焊缝是厚板施工过程中最容易出现问题的部位。由于厚板结构定位焊时，定位焊处的温度冷却很快，造成局部应力集中过大，极易引起裂纹的产生。采取措施是在厚板定位焊时，相应提高预热温度，加大定位焊缝长度和焊脚尺寸，以降低冷却速度。

6)在厚板结构的焊接过程中，重要的工艺原则是多层多道焊。由于厚板结构的坡口较大，单层单道焊缝无法填满截面内的坡口空间，而多层多道焊能很好地填满坡口，并且前一道焊缝对后一道焊缝来说是一个很好的预热过程；后一道焊缝对前一道焊缝又能起到后热的作用，相当于一个后热处理的过程，有效地改善了焊接过程中应力分布状态，有利于控制热输入，保证焊接质量。采用多层多道焊施工，每一焊道焊完后应将焊渣清除干净并仔细检查和清除缺陷后再进行下一层焊接，注意每层焊缝始、终端应相互错开约50～100 mm。

7)厚板结构焊接过程的层间温度控制对于焊接质量保证至关重要，层间温度的控制效果将直接影响热应变及焊接残余应力的分布。根据结构的特点，层间温度一般以控制在150～250 ℃为宜。为保持层间温度，在进行厚板焊接时，要保持连续焊接作业。

8)为了改善焊缝的组织，降低淬硬性，降低残余应力，防止焊缝出现脆化现象，焊后要立即进行后热处理，即将焊缝加热至200～250 ℃，保温1 h以上。

9)在用自动埋弧焊对压力容器筒体环缝进行焊接时，要调整好焊丝相对于筒体的位置，使焊丝处于逆焊接方向向后一定的距离。根据结构厚度的不同，这个距离也是有所不同的，其原则就是尽量使熔化的金属处在接近于水平位置完成结晶过程，从而不会出现满溢及熔化金属的流淌，以确保焊缝成形良好。

4 结语

厚板焊接结构在焊接过程中容易出现焊接接头脆化和焊缝成形不良的问题，影响因素比较多，焊接工艺也比较复杂，对于其焊接质量保证及控制增加了一定的难度。本文通过焊接热循环模拟试验和焊接工艺评定对厚板焊接结构质量控制进行的研究，在相关企业的焊接生产中已经得到了很好的应用，取得了明显的效果，对于厚板焊接结构生产和质量保证具有一定的指导意义。

责任编辑彭光宇

TheResearchonQualityControlofWeldedConstructionofThickPlanks

YANG Honglan，YU Bin，YAN Xiuxia

(Yantai Engineering Vocational Technology College,Yantai 264006,China)

This thesis carries out an in-depth research on quality control of welded construction with thick planks through weld thermal testing and welding procedure qualification, which has solved the problem of welded construction. The research and technical measures have some significance for producing thick planks welding construction and quality assurance. The technology has been widely used in welding enterprises, and has achieved remarkable results.

thick plank，welding，quality control

TG 444

：A

杨洪兰(1969-)，女，高级讲师，主要从事机械工程等方面的研究。

2014-12-09