海工裝備焊接橫向裂紋產(chǎn)生機(jī)理及防控技術(shù).pdf

1、大厚板高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)在海洋工程裝備、跨海大橋、艦船、海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)等海洋重型裝備中廣泛應(yīng)用。厚板高強(qiáng)鋼易產(chǎn)生冷裂紋,尤其延遲性的焊接橫向裂紋,其潛伏期長(zhǎng),裂紋微小,不易檢測(cè),其危害性極大。課題針對(duì)英國(guó)風(fēng)力發(fā)電管樁、韓國(guó)8000噸浮吊臂架和美國(guó)新海灣大橋鋼箱梁出現(xiàn)的焊接橫向裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行研究,已達(dá)到控制焊接橫向裂紋的產(chǎn)生,來指導(dǎo)海洋重型裝備厚板高強(qiáng)鋼的焊接生產(chǎn),防止焊接橫向裂紋的發(fā)生。
　　 首先,對(duì)風(fēng)力發(fā)電管樁的焊接及返修焊進(jìn)行了

2、熱應(yīng)力耦合分析。風(fēng)力發(fā)電管樁環(huán)焊應(yīng)力場(chǎng)云圖表明,環(huán)焊縫存在較高的縱向應(yīng)力,除此之外還受到附加的彎矩作用,易于產(chǎn)生橫向裂紋。環(huán)焊縫多次補(bǔ)焊應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果表明,碳弧氣刨會(huì)造成補(bǔ)焊區(qū)域產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力。兩端拘束裂紋試驗(yàn)的補(bǔ)焊過程數(shù)值模擬結(jié)果表明,在補(bǔ)焊兩端的根部和表面存在較高的應(yīng)力集中,易于產(chǎn)生焊接橫向裂紋。并進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)試,結(jié)果表明環(huán)焊縫的縱向應(yīng)力比縱焊縫的應(yīng)力高近200MPa,說明環(huán)焊縫易于產(chǎn)生橫向裂紋
　　 根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果

3、設(shè)計(jì)了一種兩端拘束的厚板S355鋼多道焊橫向裂紋的預(yù)制方法。裂紋試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可行,在不預(yù)熱和焊劑不烘干條件下,預(yù)制出類似現(xiàn)場(chǎng)的焊接橫向裂紋,該裂紋為內(nèi)部裂紋,呈現(xiàn)斜45°焊接橫向裂紋,屬于典型的氫致裂紋。該裂紋是由于微氣孔聚集在縱向應(yīng)力的剪切作用力下,沿剪切面(斜45°)擴(kuò)展成較大的焊接橫向裂紋。
　　 為了尋找引起焊接橫向裂紋主要影響因素,研究了不同拘束度、預(yù)熱溫度、層間溫度、焊劑烘干溫度和錘擊等對(duì)焊接橫向裂紋的影響機(jī)

4、制。試驗(yàn)結(jié)果表明,按照WPS的規(guī)定進(jìn)行施焊是不會(huì)產(chǎn)生裂紋。但當(dāng)焊劑不烘干、不預(yù)熱和低的層間溫度,以及中高等拘束下,易于產(chǎn)生微氣孔和焊接橫向裂紋。其中預(yù)熱溫度和層間溫度最為重要,必須嚴(yán)格控制。
　　 為了尋找風(fēng)電樁環(huán)焊縫返修焊橫向裂紋產(chǎn)生原因,建立返修焊的橫向裂紋拘束試驗(yàn)方法。結(jié)果表明,返修焊更易產(chǎn)生焊接裂紋,除了在返修焊焊縫中發(fā)現(xiàn)了大量的焊接裂紋,還在補(bǔ)焊根部和兩端產(chǎn)生為了焊接橫向裂紋,并通過金相組織觀察、硬度測(cè)試和殘余應(yīng)力測(cè)試

5、等對(duì)補(bǔ)焊各個(gè)焊接裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了闡述。
　　 其次,在對(duì)焊接和補(bǔ)焊橫向裂紋的影響因素和產(chǎn)生原因研究基礎(chǔ)之上,對(duì)韓國(guó)8000噸浮吊臂架橫向裂紋進(jìn)行研究,建立了厚板Q690鋼的U型坡口多層多道焊橫向裂紋試驗(yàn)。研究了不同預(yù)熱溫度、層間溫度、不同的焊接方法(SMAW、SAW、FCAW)和不同熱輸入等參數(shù)對(duì)焊接橫向裂紋的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)Q690高強(qiáng)鋼冷裂傾向高,產(chǎn)生的橫向裂紋出現(xiàn)在表面,裂紋延遲性較小,裂紋面與焊接方向垂直。適當(dāng)?shù)念A(yù)熱,保

6、持較高的層間溫度,可有效的抑制焊接橫向裂紋的產(chǎn)生。不同方法的焊接橫向裂紋的敏感性表明,SAW埋弧焊最敏感,其次SMAW手工電焊條焊接,FCAW藥芯焊絲氣保護(hù)焊裂紋敏感略好些。熱輸入要適中,過高易引起縱向裂紋和沖擊韌性差,過低更易產(chǎn)生焊接橫向裂紋。
　　 針對(duì)美國(guó)新海灣大橋鋼箱梁十字接頭的焊接橫向裂紋建立了T型接頭S355鋼橫向裂紋拘束試驗(yàn),研究了焊接方法、預(yù)熱溫度、層間溫度和熱輸入對(duì)T型接頭焊接橫向裂紋的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在不

7、預(yù)熱和低的層間的溫度下,極易產(chǎn)生橫向裂紋,尤其層間溫度影響最為突出,按照AWS標(biāo)準(zhǔn),中厚板焊接可不預(yù)熱,但由于焊縫長(zhǎng),十字接頭散熱快,多層多道焊,易存在由于層間溫度不夠?qū)е碌暮附訖M向裂紋。
　　 最后,對(duì)焊接和返修焊的橫向裂紋的防治措施進(jìn)行研究,通過嚴(yán)格控制熱輸入、焊材保管、預(yù)熱、層間溫度及后熱等措施,可較好的控制焊接橫向裂紋。對(duì)于十字接頭長(zhǎng)焊縫應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度,從而提高層間溫度;對(duì)于結(jié)構(gòu)總拼裝焊時(shí),尤其長(zhǎng)焊縫,必須嚴(yán)格的保持