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(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種焊接方法，特別涉及一種對80～165mm厚鋼板的熱加工及焊接方法。

(二)背景技術(shù)

隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展，建筑鋼結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)跨度越來越大，節(jié)點(diǎn)受 力越來越復(fù)雜，導(dǎo)致大量采用高強(qiáng)度特厚鋼板。國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程，由于其結(jié)構(gòu)跨度 大、構(gòu)造復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)時(shí)局部采用了100/110mm厚的Q460E-Z35級(jí)鋼材。但對于這種 Q460E-Z35鋼板及同級(jí)別厚鋼板的焊接并無相關(guān)的焊接方法，若采用傳統(tǒng)較薄板的焊接方法 ，就不能有效控制焊接殘余應(yīng)力和焊接裂紋，從而無法保證焊接接頭的沖擊韌性，進(jìn)而無法 保證焊接質(zhì)量。

(三)發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種厚鋼板熱加工及焊接方法，主要解決80～165mm厚等同類厚鋼 板的焊接問題，并同時(shí)解決消除厚板焊接工件的焊接應(yīng)力、消除焊接產(chǎn)生的裂紋、避免焊縫 沖擊下降等技術(shù)難題。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：這種厚鋼板熱加工及焊接方法，其特征在于步驟如下：

這種厚鋼板熱加工及焊接方法，其特征在于步驟如下：

步驟1，在80～165mm厚鋼板的切割線兩側(cè)各至少75mm的區(qū)域內(nèi)采用正面加熱板和反面加 熱板進(jìn)行切割前預(yù)熱，預(yù)熱溫度要達(dá)到150℃以上；

步驟2，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到150℃以上時(shí)，采用切割機(jī)進(jìn)行厚鋼板切割，并用火焰切割槍在 厚鋼板上切出焊縫坡口；

步驟3，在厚鋼板坡口切割完畢后，對厚鋼板進(jìn)行熱矯正，熱矯正溫度為640℃，保溫 20分鐘后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)熱矯正，矯正完成后自然冷卻；

步驟4，對焊縫坡口進(jìn)行清理和打磨處理，去除切割面的淬硬層，直至露出原始金屬光 澤為止，并磨平鈍邊和凹槽，在焊縫坡口底部墊好墊板；

步驟5，在焊縫兩側(cè)至少75mm區(qū)域內(nèi)放置正面加熱板和反面加熱板進(jìn)行焊接前預(yù)熱；

步驟6，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到150℃以上即可進(jìn)行焊接，焊接前將正面加熱板拆除，焊縫背面 的反面加熱板作為伴隨預(yù)熱；焊接過程中，層間溫度應(yīng)控制在150℃～200℃范圍內(nèi)，焊接環(huán) 境溫度要求達(dá)到0℃以上，焊接環(huán)境風(fēng)速當(dāng)采用CO2氣體保護(hù)焊時(shí)要求不大于2m/s，當(dāng)采用手 工電弧焊時(shí)要求不大于8m/s；

步驟7，焊接完成后，立即重新在焊縫處設(shè)置正面加熱板和反面加熱板，進(jìn)行后熱處 理，后熱溫度應(yīng)控制在250～300℃，后熱時(shí)間2小時(shí)；

步驟8，后熱完成后，在焊縫兩側(cè)各500mm范圍內(nèi)覆蓋保溫被保溫緩冷至環(huán)境溫度。

上述步驟1中，切割前預(yù)熱時(shí)，用測溫儀對預(yù)熱溫度進(jìn)行監(jiān)測，測溫點(diǎn)設(shè)置在焊縫原始 邊緣兩側(cè)各75mm處。

上述步驟2中，焊縫坡口為V形，坡口角度為35°+5°，坡口間隙為8-2 +3mm。

上述步驟3中，在加機(jī)械外力的同時(shí)采用火焰條狀或點(diǎn)狀加熱，使板得到熱矯正。

上述步驟4中，采用刨邊、銑邊或打磨方法對焊縫坡口進(jìn)行清理和加工，打磨厚度不小 于0.5mm。

上述步驟5中，預(yù)熱溫度控制用紅外測溫儀進(jìn)行監(jiān)測；測溫儀垂直于測溫表面，距離不 得大于20cm；預(yù)熱溫度控制時(shí)在條件允許的前提下在焊件反面監(jiān)測，測量點(diǎn)在離電弧經(jīng)過前 的焊接點(diǎn)各方向不小于75mm處。

上述步驟6中，焊接過程中，用測溫儀對焊縫的層間溫度進(jìn)行監(jiān)測，測溫點(diǎn)設(shè)在焊道起 點(diǎn)，距離焊道熄弧端300mm以上。

上述步驟6中，焊接采用多層多道、窄焊道薄焊層的焊接方法，在平、橫、仰焊位禁止 焊槍擺動(dòng)，立焊位CO2焊槍擺幅不大于20mm，手工電弧焊焊槍擺幅不大于3d，d為焊條直徑， 焊槍的傾角的限制為±30°，每道焊縫厚度不大于5mm；層間清除焊渣及飛濺物，同時(shí)對焊 縫進(jìn)行同頻率錘擊。

上述步驟7中，后熱溫度控制用紅外測溫儀進(jìn)行監(jiān)測；使用紅外測溫儀時(shí)，測溫儀需垂 直于測溫表面，距離不得大于20cm，后熱溫度測溫點(diǎn)設(shè)在焊道表面。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)和有益效果：本發(fā)明選擇獨(dú)特的焊接工藝參數(shù)，焊 接最低預(yù)熱溫度選擇為150℃，熱切割最低預(yù)熱溫度選擇為150℃、熱矯正條件為640℃×20 分鐘并空冷，有效消除了Q460E-Z35等同類厚鋼板焊接的應(yīng)力，解決了焊接工件易產(chǎn)生裂 紋、焊縫接頭沖擊韌性下降的技術(shù)難題，有效保證了80～165mm厚的鋼板的焊接質(zhì)量，大幅 提高了焊接工效，其焊接工件的性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)文件和我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，保證了 國家體育場工程的順利實(shí)施，降低了工程施工的工期風(fēng)險(xiǎn)。

本發(fā)明針對Q460E-Z35等同類厚鋼板焊接，從熱切割及熱矯正試驗(yàn)、焊接冷裂紋敏感性 試驗(yàn)和剛性接頭試驗(yàn)三個(gè)方面共進(jìn)行了89組試驗(yàn)。在進(jìn)行熱切割試驗(yàn)時(shí)，采用火焰切割工 藝，共進(jìn)行4組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，板材采用熱切割工藝時(shí)，在切割前需以高于150℃的預(yù) 熱溫度進(jìn)行預(yù)熱，并采用熱切割后刨(銑)邊措施。在進(jìn)行熱矯正試驗(yàn)研究時(shí)，根據(jù)多次試 驗(yàn)的摸索，確定熱矯正條件為：640℃×20分鐘并空冷。在進(jìn)行焊接冷裂紋敏感性試驗(yàn)研究 時(shí)，本發(fā)明從焊接連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖、熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)、坡口焊接裂紋試驗(yàn)和焊接 冷裂紋插銷試驗(yàn)四方面對Q460E-Z35鋼的焊接冷裂紋的敏感性進(jìn)行了研究，共進(jìn)行了71組試 驗(yàn)。根據(jù)焊接熱模擬試驗(yàn)結(jié)果，做出了Q460E-Z35鋼的連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖，冷卻曲線參見 圖9，組織圖參見圖10、性能圖參見圖11。

焊接熱影響區(qū)(HAZ)最高硬度試驗(yàn)方法主要以測定焊接熱影響區(qū)的淬硬傾向來評定鋼 材的冷裂紋敏感性。根據(jù)國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)際焊接的需要，本發(fā)明分別采用了手工電 弧焊和CO2氣體保護(hù)焊兩種焊接方法，共進(jìn)行了21組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)焊接熱輸入 常溫下施焊，靠近熱影響區(qū)及焊接熱影響區(qū)最高硬度均超過規(guī)范上限值(350HV10)；當(dāng)預(yù) 熱溫度高于150℃后施焊熱影響區(qū)及靠近熱影響區(qū)部位的最高硬度下降至350以下，能夠滿 足規(guī)范的有關(guān)要求。

坡口焊接裂紋試驗(yàn)主要是評定焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬產(chǎn)生冷裂紋的傾向性。根據(jù)國家 體育場鋼結(jié)構(gòu)工程實(shí)際焊接的需要，本發(fā)明在試驗(yàn)中分別采用了手工焊條電弧焊和CO2氣體 保護(hù)焊兩種焊接方法，從常溫坡口裂紋試驗(yàn)、不同板厚的坡口焊接裂紋試驗(yàn)和低溫環(huán)境坡口 焊接裂紋試驗(yàn)三方面進(jìn)行研究，共進(jìn)行了11組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該鋼材在所選用的焊材 匹配時(shí)，無論正溫環(huán)境還是負(fù)溫環(huán)境(-16℃)及不同板厚不產(chǎn)生裂紋的最低預(yù)熱溫度均為 150℃，并且必須在厚度方向均衡達(dá)到預(yù)熱溫度。

插銷冷裂紋試驗(yàn)時(shí)根據(jù)工程的實(shí)際需要及國家的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，采用手工電弧焊，共進(jìn) 行了預(yù)熱溫度為150℃、200℃和250℃三組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨預(yù)熱溫度的增加，斷裂 應(yīng)力呈線性增加。預(yù)熱溫度越高，臨界斷裂應(yīng)力愈大。在預(yù)熱150℃以上，國產(chǎn)Q460E-Z35鋼 的斷裂應(yīng)力均大于屈服強(qiáng)度。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，本發(fā)明Q460E-Z35厚板焊接時(shí)應(yīng)以150℃為最低預(yù)熱溫度充分并均衡 預(yù)熱，并選擇抗冷裂性好的焊材進(jìn)行施工。在進(jìn)行剛性接頭試驗(yàn)研究時(shí)，分同種鋼剛性接頭 試驗(yàn)和異種鋼剛性接頭試驗(yàn)兩方面進(jìn)行了研究。同種鋼剛性接頭試驗(yàn)時(shí)，針對 Q460E-Z+Q460E-Z35分手工電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊(含藥芯焊絲和實(shí)芯焊絲)和埋弧自動(dòng)焊 共進(jìn)行了6組試驗(yàn)。異種鋼剛性接頭試驗(yàn)時(shí)，針對Q345GJD+Q460E、Q460E+GS-20Mn5V分手工 電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊(含藥芯焊絲和實(shí)芯焊絲)共進(jìn)行了7組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā) 明得出的焊接工藝，Q460E-Z35厚板同種鋼和異種鋼的剛性接頭的力學(xué)性能可以符合規(guī)范和 設(shè)計(jì)的有關(guān)要求。適用于Q460E-Z35厚板等同類鋼板焊接及熱加工工藝。

(四)附圖說明

圖1是本發(fā)明步驟1的示意圖；

圖2是本發(fā)明步驟2的示意圖；

圖3是本發(fā)明步驟3的示意圖；

圖4是本發(fā)明步驟4的示意圖；

圖5是本發(fā)明步驟5的示意圖；

圖6是本發(fā)明步驟6的示意圖；

圖7是本發(fā)明步驟7的示意圖；

圖8是本發(fā)明步驟8的示意圖。

圖9是Q460E-Z35鋼的連續(xù)冷卻曲線圖。

圖10是Q460E-Z35鋼的連續(xù)組織轉(zhuǎn)變圖。

圖11是Q460E-Z35鋼的連續(xù)性能轉(zhuǎn)變曲線圖。

1-厚鋼板、2-另一厚鋼板、3-切割線、4-焊縫坡口、5-切割機(jī)、6-正面加熱板、 7-反面加熱板、8-墊板、9-保溫被、10-焊料、11-工作臺(tái)、12-加熱線、13-墊塊、 14-機(jī)械外力。

(五)具體實(shí)施方式

實(shí)施例，以Q460E-Z35鋼板焊接為例，這種鋼板熱加工及焊接方法的步驟如下：

步驟1參見圖1，在80～165mm厚鋼板的切割線3兩側(cè)各至少75mm的區(qū)域內(nèi)采用正面加熱板 6和反面加熱板7進(jìn)行切割前預(yù)熱，預(yù)熱溫度要達(dá)到150℃以上；預(yù)熱時(shí)，用測溫儀對預(yù)熱溫 度進(jìn)行監(jiān)測，測溫點(diǎn)設(shè)置在焊縫原始邊緣兩側(cè)各75mm處。

步驟2參見圖2，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到150℃以上時(shí)，采用切割機(jī)5進(jìn)行厚鋼板切割，并用火焰 切割槍在厚鋼板上切出焊縫坡口4；焊縫坡口為斜Y形或V形，坡口角度為35°～40°，坡口 間隙為6～11mm。

步驟3參見圖3，在厚鋼板坡口切割完畢后，對厚鋼板進(jìn)行熱矯正，在厚鋼板底部設(shè)置墊 塊13，在加機(jī)械外力14的同時(shí)采用火焰條狀或點(diǎn)狀加熱，加熱線12如圖所示，熱矯正溫度為 640℃，保溫20分鐘后進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)熱矯正，矯正完成后自然冷卻，使板得到矯正。

步驟4參見圖4，采用刨邊、銑邊或打磨方法對焊縫坡口4進(jìn)行清理和加工，去除切割面 的淬硬層，直至露出原始金屬光澤為止，并磨平鈍邊和凹槽，打磨厚度不小于0.5mm，在焊 縫坡口底部墊好墊板8。

步驟5參見圖5，在焊縫兩側(cè)至少75mm區(qū)域內(nèi)放置正面加熱板6和反面加熱板7進(jìn)行焊接前 預(yù)熱。焊接過程中，用測溫儀對焊縫的層間溫度進(jìn)行監(jiān)測，測溫點(diǎn)設(shè)在焊道起點(diǎn)，距離焊道 熄弧端300mm以上。焊接采用多層多道、窄焊道薄焊層的焊接方法，在平、橫、仰焊位禁止 焊槍擺動(dòng)，立焊位CO2焊槍擺幅不大于20mm，手工電弧焊焊槍擺幅不大于3d，d為焊條直徑， 焊槍的傾角的限制為±30°，每道焊縫厚度不大于5mm；層間清除焊渣及飛濺物，同時(shí)對焊 縫進(jìn)行同頻率錘擊。上述步驟5中，預(yù)熱溫度控制用紅外測溫儀進(jìn)行監(jiān)測；測溫儀垂直于測 溫表面，距離不得大于20cm；預(yù)熱溫度控制時(shí)在條件允許的前提下在焊件反面監(jiān)測，測量點(diǎn) 在離電弧經(jīng)過前的焊接點(diǎn)各方向不小于75mm處。

步驟6參見圖6，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到150℃以上即可進(jìn)行焊接，焊接前將正面加熱板6拆除， 焊縫背面的反面加熱板7作為伴隨預(yù)熱；焊接過程中，層間溫度應(yīng)控制在150℃～200℃范圍 內(nèi)，焊接環(huán)境溫度要求達(dá)到0℃以上，焊接環(huán)境風(fēng)速當(dāng)采用CO2氣體保護(hù)焊時(shí)要求不大于 2m/s，當(dāng)采用手工電弧焊時(shí)要求不大于8m/s。用測溫儀對焊縫的層間溫度進(jìn)行監(jiān)測，測溫點(diǎn) 設(shè)在焊道起點(diǎn)，距離焊道熄弧端300mm以上。焊接采用多層多道、窄焊道薄焊層的焊接方法 ，在平、橫、仰焊位禁止焊槍擺動(dòng)，立焊位焊槍擺幅不大于20mm，每焊層厚度不大于5mm； 層間清除焊渣及飛濺物，同時(shí)對焊縫進(jìn)行同頻率錘擊。

步驟7參見圖7，焊接完成后，立即重新在焊縫處設(shè)置正面加熱板6和反面加熱板7，進(jìn)行 后熱處理，后熱溫度應(yīng)控制在250～300℃，后熱時(shí)間2小時(shí)。后熱溫度控制用紅外測溫儀進(jìn) 行監(jiān)測；使用紅外測溫儀時(shí)，測溫儀需垂直于測溫表面，距離不得大于20cm，后熱溫度測溫 點(diǎn)設(shè)在焊道表面。

步驟8參見圖8，后熱完成后在焊縫兩側(cè)各500mm范圍內(nèi)覆蓋保溫被9，保溫緩冷至環(huán)境溫 度。

技術(shù)參數(shù)：屈服強(qiáng)度≥400MPa；抗拉強(qiáng)度550~720MPa；伸長率δ5≥20％；焊縫-40℃； 沖擊韌性AkV≥34J，熱影響區(qū)-40℃沖擊韌性AkV≥27J；并具有良好的抗層狀撕裂性能，滿足 Z35要求。