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G20Mn5铸钢焊接用焊条探讨与应用

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]

    摘 要：本文介绍40.5m×43.2m索桁架结构，其中无缝钢管下端索夹具及上端球形支座为德标G20Mn5铸钢，与Q345B无缝钢管焊接连接。对锦泰JM-56焊丝和大西洋CHE-507焊条，通过进行焊接工艺评定试验进行焊接方案对比，最终确定使用CHE507焊条。
    关键词:铸钢 焊条 焊接

    一、焊接工程概况
    中国石油大厦工程主中庭40.5m*43.2m桁架为索桁架结构，屋面为箱型框架，下半部为球面不锈钢索，钢索与屋面通过不等长的无缝钢管连接。
    由于不锈钢拉索将交织成网状球面形状，钢索于各连接点所成角度均不相同，而上部与箱型屋盖采用球型接头和碗状扣盖，构件造型复杂，因此采用铸造形式进行构件加工。无缝钢管下端索夹具及上端球形支座为德标G20Mn5铸钢，无缝钢管材质为Q345B。无缝钢管与铸钢夹具及支座以焊接形式联接，见图1、图2。


    二、材料性能
    1.G20Mn5铸钢
    本次使用的铸钢件为德国DIN EN 10293（Steel castings for general engineering uses 10293 2005《一般工程用途钢铸件10293-2005》）标准中的G20Mn5铸钢，交货状态为调质态QT（即淬火+回火）,含碳量0.17～0.23%，添加有少量Ni成分。化学成分见下表

    2.Q345B无缝钢管
    无缝钢管材质为国产Q345B。其理化性能见下表。

    通过对两种材质材料性能比较，可知两者在化学成分及力学性能上有些差别，且二者在交货状态上有较大差异。Q345B没有Ni成分，冲击韧性较低。由于G20Mn5在铸造过程中不可避免会产生缩孔缩松以及成分偏析、晶粒粗大等缺陷，一定程度的影响到其焊接性能。后期经过正火、淬火和回火的调质处理，焊接性得到改善，但由于G20Mn5铸钢中含有Ni成分，成分偏析导致的局部Ni含量过高也会增加焊接热裂纹发生的倾向。
    三、焊材的选择
    根据工件的体积壁厚、适用的焊接方法和材质，试用两组焊接材料和工艺，经试验比对后，取效果好的一组焊材和工艺用于实际施工。
    1.大西洋CHE507焊条
    第一组选用常用易购的大西洋CHE507焊条手工焊条。CHE507焊条为低氢钠型直流焊条，用于压力容器、承压管道强度型低合金钢及强度型低合金钢与耐热型、低温型低合金钢之间的焊接，适用本工程结构。焊丝理化性能见下表。

    2.锦泰JM-56实芯焊丝
    第二组选用JM56实芯焊丝（二氧化碳保护焊）。此型号焊丝在钢结构安装焊接施工中应用广泛，焊接工艺成熟。其理化性能见下表。

    对两种型号焊材的参数比较可知，JM-56实心焊丝的熔敷金属因为较低的含碳量，应拥有更佳的韧性，实例值冲击韧性优于CHE507焊条，但强度偏高，而CHE507在强度上更接近于G20Mn5铸钢和Q345B。
    四、焊接工艺评定试验
    1.焊接工艺及参数
    焊接参数见下表

    焊接时，根据铸钢的焊接性能，提高其预热温度至200～250℃（见图3），并对其进行焊后250℃两小时的后热处理，后热完成做保温缓冷，以利于其消氢。焊接用焊条经烘干箱中350℃烘烤2小时后用保温桶储存，随时取用，以降低焊缝中的氢含量（见图4）。焊接见图5、图6

    2.焊接工艺评定结果
    焊接工艺评定试验显示，CHE507焊条手工电弧焊一组试件拉伸试验合格，冲击功试验：热影响区Akv≥17J，焊缝中心Akv≥85J（试件截面尺寸5mm×10mm），合格；
    二氧化碳气体保护焊一组试件拉伸试验合格，冲击功试验：热影响区Akv≥16J，焊缝中心Akv≥54J（试件截面尺寸5mm×10mm）,不合格。
    根据焊接工艺评定结果，并且考虑碱性焊条熔渣脱硫、脱磷能力强，抗热裂及冷裂性能好的优点更适用于焊镍铸钢的焊接，最后决定使用CHE507焊条手工电弧焊。
    五、现场焊接结果
    现场焊接完成后经自检和第三方超声波探伤，一次合格率96%，复检合格率100%，没有发生焊接裂纹。焊缝外观成型平整美观，无明显咬边，无需打磨即可直接进行氟碳喷涂作业。见图7、图8。

    结论
    G20Mn5铸钢作为一种较少应用的焊接结构材料，我们通过深入查找其相关技术资料，以理论为指导，结合对比试验的实践方法，验证了CHE507手工焊条适用于G20Mn5铸钢的焊接，且提供了一套可参考的工艺参数和方法。恰当的预、后热处理是此型材料焊接的关键。
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