正火钢

经受过了正火的钢

正火钢是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却产生。厚16 ～32 mm 的14MnNbq 正火钢对接埋弧焊, 采用H08Mn2E+SJ101q施焊的焊缝经外观检查, 超声波、射线探伤和力学性能试验, 焊接接头力学性能均能满足青藏铁路32 m结合梁的技术要求。

材料介绍

正火钢是指经受过了正火的钢。正火是一种低成本的热处理方案。将亚共析碳钢加热到Ac3以上30～50℃，过共析碳钢加热到Accm以上30～50℃，保温，空气中冷却的方法称为正火。

适用于碳素钢及中、低合金钢，因为高合金钢的奥氏体非常稳定，即使在空气中冷却也会获得马氏体组织。对于低碳钢、低碳低合金钢，细化晶粒，提高硬度（140～190HBS），改善切削加工性能；对于过共析钢，消除二次网状渗碳体，有利于球化退火的进行。

正火钢合金元素含量较高,焊接热影响区的淬硬倾向有所增加。对强度级别及碳当量较低的正火钢,冷裂倾向不大。但随着强度级别及板厚的增加,其淬硬性及冷裂倾向都随之增大,需要采取控制焊接热输入、降低含氢量、预热和及时后热等措施。

正火钢对接焊缝埋弧焊

青藏铁路32 m结合梁设计图之所以提出14MnNbq钢板对接焊缝接头三区AKV≥27 J ( - 50 ℃) 的要求, 主要是由青藏地区特殊的地理环境确定的。为确保国家重点工程的焊接质量, 从母材的性能、焊接材料的选择、焊接工艺评定等方面进行了分析和验证。

母材性能

14MnNbq钢板是武汉钢铁集团和中铁大桥局共同研究开发的新钢种, 它是我国自行研发的桥梁用结构钢, 并在芜湖桥长江大桥上应用。根据《芜湖桥长江大桥钢梁制造技术》, 该钢淬硬倾向较小, 塑韧性高, 但在芜湖桥上钢板埋弧焊对接焊缝的低温冲击试验温度仅是- 40 ℃, 而青藏线32 m结合梁的钢板对接焊缝的低温冲击试验温度则是- 50 ℃。为了保证焊缝接头低温冲击吸收功能够达到设计要求, 首先要从母材力学性能出发, 因钢材经过正火处理后能够提高钢材的韧性, 所以公司向武汉钢铁集团提出要求, 板厚12, 16, 24 mm的3种钢板交货状态一律为正火, 更进一步提高了母材的力学性能, 为提高焊缝接头- 50 ℃时的低温冲击吸收功打好基础。原设计图上要求的14MnNbq钢板力学性能和武钢提供的14MnNbq ( 正火) 钢板的力学性能 ( 以厚24 mm板为例) 。通过比较, 不难看出, 经过正火的母材力学性能比原设计要求均高出了许多, 尤其是- 40 ℃时的冲击吸收功较原设计标准高出近1倍, 这样的结果对提高焊缝的低温冲击吸收功是很有利的, 同时也为钢板对接焊缝的焊接试验打下了良好的基础。

焊材的选择

选择焊丝、焊剂的对与否, 将关系到焊缝可否达到- 50 ℃时的低温冲击吸收功的设计要求, 通过对焊材资的查阅、分析后发现, 采用哈尔滨焊接研究所在进行核电站电容器焊接试验中选用的焊丝H08Mn2E比较理想, 其在国标焊丝H10Mn2的基础上降低了C含量, 因而降低了焊缝的强度, 降低了S, P含量, 并控制了N, O, Al等含量, 以提高焊缝的韧性。焊剂选用烧结焊剂SJ101q较理想, 其在SJ101焊剂的基础上降低了S, P等杂质含量, 并要求其熔敷金属有更高的韧性, 同时限定熔敷金属强度的上限, 以利于保证焊缝金属达到高韧性低强度。焊缝熔敷金属力学性能各项指标与32 m结合梁的设计标准相吻合, 所以选用H08Mn2E+SJ101q组合, 作为青藏铁路32 m结合梁焊接工艺评定的试验焊接用焊材。

工艺评定试验

焊前准备

青藏铁路32 m结合梁的主梁上、下盖板厚度为24 mm, 腹板厚度为16 mm, 共计17孔, 钢板的横向对接量大, 故做这2种板厚的对接焊缝埋弧焊试验很有代表性, 焊接试板要选C,S, P等化学成分偏标准上限且冲击韧性偏标准下限的母材制备, 试板宽度方向垂直于钢板轧制方向, 力学性能试验时,焊缝拉伸和冲击试样均在后焊面制取。点固焊使用焊条J507!4, 16, 24 mm。2种厚度的试板坡口形式, 厚24mm试板组对时在大口侧需预留4 mm的反变形量。

焊接

埋弧焊采用ZXG- 1000R电源( 直流反接) , MZ1- 1000型焊接小车, 焊丝为H08Mn2E, ∅5 mm, 焊剂为SJ101q。16 mm试板焊接时先焊坡口侧, 24 mm试板焊接时先焊小口侧。施焊时要认真执行TB 10212—1998 《铁路钢桥制造规范》中4.7条的标准。24 mm板焊接时, 焊第2道之前应仔细清根, 2种板厚的时效冲击试件试验区域不得调直, 以免影响检测数据, 对接试件的焊接顺序。试板组拼好后24 h内必须焊完, 施焊过程中严格控制道间温度在85～198 ℃, 不断用电子测温笔检测道间温度, 以避免道间温度过高而影响焊接质量和试验数据, 2种板厚的试板焊后放在空气中自然冷却, 不得采用其它方式强制冷却。24 h后进行超声波探伤( 执行GB 11345) , 探伤结果100%合格, 达Ⅰ级, 并在200～300 mm进行了射线探伤( 执行GB 3323) , 焊缝内部质量达到了Ⅱ级。2种试板焊缝的探伤结果均满足了设计图样的技术要求, 然后将试件取样进行力学性能试验,接头各项指标均满足设计要求, 低温冲击值储存较高, 满足了32 m结合梁设计图样对焊缝的技术要求。该评定试验已用于国家重点工程青藏铁路32 m结合梁钢板对接的焊接工艺上, 并已用于青藏铁路32 m结合梁的焊接中。同时该焊接工艺也填补了对于14MnNbq正火钢对接焊缝- 50 ℃时低温冲击吸收功≥27 J的空白。

总结

厚16 ～32 mm 的14MnNbq 正火钢对接埋弧焊, 采用H08Mn2E+SJ101q施焊的焊缝经外观检查, 超声波、射线探伤和力学性能试验, 焊接接头力学性能均能满足青藏铁路32 m结合梁的技术要求。同时该焊接工艺为14MnNbq正火钢在我国高原、寒冷地区的应用进行了初步尝试。

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