核心期刊論文發(fā)表推薦雜志《建筑科學(xué)》是建設(shè)部主管，中國建筑科學(xué)研究院主辦，創(chuàng)刊于1985年，在國內(nèi)外公開發(fā)行的建筑科學(xué)類綜合性技術(shù)期刊。本刊內(nèi)容豐富、可讀、實用，在建筑 行業(yè)中享有很高的聲望。本刊依托建設(shè)部和中國建筑科學(xué)研究院，得到部、院領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，并有許多國內(nèi)建筑界著名的專家學(xué)者組成了編委會，使得本刊更具權(quán) 威性、指導(dǎo)性。
　　摘要:　本文闡述了S690調(diào)質(zhì)鋼箱型梁結(jié)構(gòu)的變形控制，對箱型梁的焊接變形特點進行了分析，對比不同措施下的變形情況，推薦出合理的焊接順序。分析了S690 材質(zhì)的焊接性以及該項目質(zhì)量控制過程優(yōu)點與不足，分析了焊接缺陷形成的可能性因素，對焊接缺陷的修復(fù)做了簡單討論。綜合箱型梁和S690調(diào)質(zhì)鋼的特點，探討箱型梁用高強鋼的焊接工藝選擇。

　　關(guān)鍵詞： 箱型梁S690調(diào)質(zhì)鋼焊接變形控制,焊接缺陷,修復(fù)難點以及應(yīng)對措施

　　第0章前言

　　隨著對焊接結(jié)構(gòu)承載能力要求的逐漸提高和服役條件的日益苛刻，普通強度等級的鋼材已不能滿足工程實際需求，因此一些高強度等級的鋼材得到開發(fā)和利用，在自升式鉆井船項目和起重船吊機項目中均涉及了690 Mpa高強度鋼的焊接。S690材料的使用不但提高了部件的性能還減輕了部件本身的自重，在重要部件以及深水導(dǎo)管架中全面推廣高強度鋼材的使用是未來鋼結(jié)構(gòu)建造的趨勢。

　　箱形梁具有較好的強度和剛度，穩(wěn)定性較好，受力均勻，承載能力優(yōu)越于其它結(jié)構(gòu)，并且箱型結(jié)構(gòu)便于布置各種大型設(shè)備，如龍門吊主梁上布置上下小車行走機構(gòu)軌道，某起重船吊機項目背拉繩部分就為箱型梁結(jié)構(gòu)。為了減輕重量，又要保持結(jié)構(gòu)一定的強度和剛度，箱體的板厚選得較薄而且截面尺寸較大，因而截面慣性矩也較大，有效的減少了最大應(yīng)力，并且主梁橫截面中性軸處承受應(yīng)力值為0。

　　但是，制作箱體時的焊接工作量比較大，箱型梁在焊接過程中容易出現(xiàn)扭曲變形以及彎曲變形，變形校正相對困難，加之調(diào)質(zhì)鋼不能用火工校正，因此控制焊接變形成了建造過程中的重中之重。制定合理的焊接工藝，嚴格控制焊接過程，防止焊接變形累積在建造過程中尤為重要。S690調(diào)質(zhì)鋼冷裂紋傾向嚴重，制定嚴格的工藝規(guī)范程序以及焊前焊后熱處理規(guī)范有著重要意義，對于整個焊接過程采用嚴格的監(jiān)控措施也是非常必要的。

　　箱型梁在建造過程中需要嚴格控制焊接質(zhì)量，焊接變形。對接接頭為全熔透形式，需要100%MT探傷外加100%UT探傷;4條縱向焊道焊接形式為k型坡口采取半熔透形式，采用50%MT探傷,筋板需要20%MT探傷。

　　第1章箱型梁焊接變形分析與建造方案探討

　　1.1焊接變形產(chǎn)生分析

　　焊接應(yīng)力與變形是由焊接產(chǎn)生的不均勻溫度場而引起的。在焊接不均勻加熱會產(chǎn)生平行于焊道(縱向)和垂直焊縫方向( 橫向) 的應(yīng)力和變形, 厚度則還產(chǎn)生板厚度方向的應(yīng)力。

　　影響焊接應(yīng)力與變形的因素主要有兩個方面,第一個方面是焊縫及其附近不均勻加熱的范圍和程度, 也就是產(chǎn)生熱變形的范圍和程度; 第二個方面是焊件本身的剛度以及受到周圍拘束的程度; 實際上也就是就是阻止焊縫及其附近加熱所產(chǎn)生熱變形的程度。兩個方面作用的結(jié)果決定了焊縫附近壓縮塑性變形區(qū)的大小和分布, 也決定了殘余應(yīng)力與殘余變形的大小。

　　跨度較大的箱型梁其焊接變形趨勢與焊接順序、裝卡方式息息相關(guān)。焊接順序或者裝卡不當容易出現(xiàn)，扭曲、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形問題。在焊接完成以后由于箱型結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定性高，變形調(diào)整是很困難的問題，因此焊前變形預(yù)防、控制是成為較其他結(jié)構(gòu)更為突出的一個問題。

　　1.2建造方案分析

　　在本項目中的建造有兩種方式：分段組對、焊接完成后組對和整體組對最后焊接。分段組對、焊接完成后組對，將每一節(jié)分為多段，每段獨立組對焊接，最后將各段整體組對焊接。這種方式桿件自由度大，焊接應(yīng)力可以及時釋放，有利于避免焊接裂紋;但是存在如下問題：①箱體多為薄板，在焊接熱循環(huán)作用下容易變形;② 分段焊接局控制在誤差范圍內(nèi)，但是整體組對時候容易出現(xiàn)誤差累積，屆時焊接已經(jīng)完成，變形調(diào)整極難。③材料為S690材料，焊后不能采用火攻校正，增加了變形校正的難度。

　　整體組對最后焊接方案為將每一節(jié)整體組對完畢，報檢測量水平以及彎曲度達標后再開始焊接。整體組對后焊接結(jié)構(gòu)剛度大，能夠有效減小焊接變形量。但是這種方案桿件拘束度大，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)焊接裂紋的幾率相對增加，通過焊接預(yù)熱緩冷、減小焊接熱輸入等方式可以有效避免裂紋的發(fā)生。

　　1.3現(xiàn)場尺寸、變形控制

　　為了保證焊接變形在誤差范圍以內(nèi)，現(xiàn)場施工尺寸控制主要把握以下幾條原則：

　　1)胎架預(yù)置。胎架預(yù)置要保證水平度以及穩(wěn)定性。

　　2)嚴格控制組對尺寸誤差，尺寸誤差包括水平度、直線度、整體尺寸長度。組對錯皮控制在0.1t以內(nèi)(t為薄板的板厚)，接頭預(yù)留<2mm的焊接收縮余量。通過實時用水平儀測量水平保證水平度;通過拉線方式實時測量控制直線度。

　　3)焊接反變形。鑒于橫角焊縫熱輸入大于仰臉焊接的原因需要預(yù)作焊接反變形。變形形式見圖2.1。

　　4)底板與胎架剛性固定，底板與頂板只見添加臨時支撐控制翼緣焊接變形。見圖2.2。

　　5)為了防止扭曲變形，箱型梁在胎架上焊接臨時阻擋立柱，見圖2.3。

　　6)焊接時嚴格按照焊接工藝規(guī)程，嚴格控制焊前預(yù)熱焊后緩冷，控制焊接線能量，防止過熱造成焊接變形。

　　7)焊接過程實施動態(tài)監(jiān)控，每焊接一小段及時進行水平度以及直線度的測量，及時矯正。

　　8)采用從中間向兩邊分段退焊法施焊，兩道焊縫接頭處采用前一道焊縫預(yù)留50mm只打底不填充、蓋面，來防止接頭交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。見圖2.4。

　　圖2.1焊接反變形

　　圖2.2剛性固定

　　圖2.3 添加阻擋立柱 圖2.4 焊接預(yù)留50打底焊道

　　第2章S690調(diào)質(zhì)鋼材的化學(xué)成分以及焊接性分析以及焊接工藝選擇

　　2.1本公司使用的S690鋼材成分分析

　　本企業(yè)公司工程應(yīng)用的S690調(diào)質(zhì)鋼合金成分如下表:

　　表21 本公司S690材料成分

　　CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≈0.51

　　根據(jù)碳當量預(yù)測，此種鋼材為中碳鋼，焊接性一般。

　　2.2S690調(diào)質(zhì)鋼焊接性分析

　　S690高強鋼由于添加了較多如Cr、Mo、Ni等具有較大的熱膨脹性合金元素，此類鋼材淬透性較強，在冷卻過程中，容易形成脆硬的馬氏體組織;S690材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，組織應(yīng)力釋放不充分，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。調(diào)質(zhì)組織在焊接熱循環(huán)過程中容易出現(xiàn)HAZ區(qū)域軟化，導(dǎo)致母材力學(xué)性能下降，在施工過程中應(yīng)當需要充分認識到材料的這些固有性質(zhì)，采取適當措施，以保證產(chǎn)品的使用性能。以下針對其材質(zhì)成分以及熱處理方式進行焊接性分析。

　　2.2.1 冷裂紋

　　調(diào)質(zhì)鋼在低碳的基礎(chǔ)上加入了提高淬透性的合金元素，在焊接冷卻過程中容易獲得低碳馬氏體和上貝氏體的混合組織，淬透傾向比較大，在拘束應(yīng)力與焊接應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)冷裂紋。焊接時候需要控制t85，在較小的冷卻速度下，使得形成馬氏體能夠自回火，避免冷裂紋的形成。現(xiàn)場通過焊前預(yù)熱≥115℃;焊后消氫處理，消氫溫度控制在230℃-250℃以內(nèi)，消氫結(jié)束后用耐火棉保溫措施控制冷卻速度，以達到控制t85的效果。

　　2.2.2 再熱裂紋

　　低碳鋼中加入了Cr、Mo、Cu、Ti、Nb、B等合金元素線膨脹系數(shù)與鐵相差較大，在凝固到冷卻到室溫的過程不同元素的體積變化產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，再次加熱使得母材以及填充金屬強度降低，一旦內(nèi)應(yīng)力超過金屬強度就會產(chǎn)生再熱裂紋。鑒于S690鋼材的再熱裂紋趨勢，施工過程中不允許焊后用火工方法調(diào)焊接變形，同時避免焊縫周圍再次受熱，要適當調(diào)整焊接順序避免已焊完焊道再次加熱。

　　2.2.3 HAZ區(qū)的脆化、軟化

　　焊接線能量過大，高溫停留時間長而會引起奧氏體晶粒粗大，形成上貝氏體、M-A組員而引起HAZ區(qū)域的脆化�，F(xiàn)場需要嚴格控制焊接線能量以及預(yù)熱溫度，以防止熱影響區(qū)脆化，降低材料本身的力學(xué)性能;在HAZ區(qū)受熱未完全奧氏體化的區(qū)域，即受熱時最高溫度低于AC1，而高于鋼材調(diào)質(zhì)處理時回火溫度(一般為 500-650℃)的那個區(qū)域有軟化傾向，線能量越小，軟化越小。

　　第3章焊接工藝

　　鋼結(jié)構(gòu)制造需要根據(jù)母材選擇相匹配的焊材，以使焊縫金屬具有與母材基本等同的機械性能和具備良好的焊接性能。為了實現(xiàn)這一目的,需要在焊接過程中適當控制眾多交互作用的因素,使焊縫金屬具有一定的化學(xué)成分和所需性能的特定組織�；�于多種因素，在本結(jié)構(gòu)中選擇手工電弧焊和熔化極混合氣體保護焊兩種焊接方法。焊條選取E8018-G(封底焊條)及E11018-G焊條;焊絲選取：ER100S-G(封底焊絲)及ER100S-G焊絲。GMAW用實心焊絲，保護氣體用80%的氬氣和20%二氧化碳混合氣體。工藝參數(shù)如下：

　　表3.1 手工電弧焊焊接工藝參數(shù)

　　表3.2 混合氣體保護焊焊接工藝參數(shù)

　　高強鋼焊縫金屬的機械性能試驗結(jié)果具有很大的差異性。這種差異可能來源于很多方面,如不同批次的焊接材料、焊接工藝的改變、焊接位置、焊縫拘束度、母材的批次變化等。焊接準備工作以及輔助工作也影響很大。鑒于S690材質(zhì)焊接性較差，對冷裂紋以及再熱裂紋敏感。

　　在本項目中，我們要求嚴格做到以下幾點：

　　組對前對母材進行預(yù)處理，嚴格控制母材的直線度。

　　嚴格控制坡口尺寸，當組對間隙大于薄板的2倍壁厚或者大于20mm時不允許堆焊長肉。

　　焊前坡口以及附近25mm內(nèi)嚴格除銹，如果打磨后24小時內(nèi)未焊接需要重新處理。

　　定位焊要距離邊緣30mm以上，點固長度控制在50-75mm范圍。

　　焊前嚴格預(yù)熱，板厚在10mm

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