海工裝備焊接橫向裂紋產生機理及防控技術.pdf

1、大厚板高強鋼結構在海洋工程裝備、跨海大橋、艦船、海上風力發(fā)電場等海洋重型裝備中廣泛應用。厚板高強鋼易產生冷裂紋,尤其延遲性的焊接橫向裂紋,其潛伏期長,裂紋微小,不易檢測,其危害性極大。課題針對英國風力發(fā)電管樁、韓國8000噸浮吊臂架和美國新海灣大橋鋼箱梁出現(xiàn)的焊接橫向裂紋產生原因進行研究,已達到控制焊接橫向裂紋的產生,來指導海洋重型裝備厚板高強鋼的焊接生產,防止焊接橫向裂紋的發(fā)生。
　　 首先,對風力發(fā)電管樁的焊接及返修焊進行了

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

3、設計了一種兩端拘束的厚板S355鋼多道焊橫向裂紋的預制方法。裂紋試驗結果表明,該方法可行,在不預熱和焊劑不烘干條件下,預制出類似現(xiàn)場的焊接橫向裂紋,該裂紋為內部裂紋,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力的剪切作用力下,沿剪切面(斜45°)擴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、預熱溫度、層間溫度、焊劑烘干溫度和錘擊等對焊接橫向裂紋的影響機

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

5、等對補焊各個焊接裂紋產生原因進行了闡述。
　　 其次,在對焊接和補焊橫向裂紋的影響因素和產生原因研究基礎之上,對韓國8000噸浮吊臂架橫向裂紋進行研究,建立了厚板Q690鋼的U型坡口多層多道焊橫向裂紋試驗。研究了不同預熱溫度、層間溫度、不同的焊接方法(SMAW、SAW、FCAW)和不同熱輸入等參數(shù)對焊接橫向裂紋的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)Q690高強鋼冷裂傾向高,產生的橫向裂紋出現(xiàn)在表面,裂紋延遲性較小,裂紋面與焊接方向垂直。適當?shù)念A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,過低更易產生焊接橫向裂紋。
　　 針對美國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,研究了焊接方法、預熱溫度、層間溫度和熱輸入對T型接頭焊接橫向裂紋的影響規(guī)律。結果表明,在不

7、預熱和低的層間的溫度下,極易產生橫向裂紋,尤其層間溫度影響最為突出,按照AWS標準,中厚板焊接可不預熱,但由于焊縫長,十字接頭散熱快,多層多道焊,易存在由于層間溫度不夠導致的焊接橫向裂紋。
　　 最后,對焊接和返修焊的橫向裂紋的防治措施進行研究,通過嚴格控制熱輸入、焊材保管、預熱、層間溫度及后熱等措施,可較好的控制焊接橫向裂紋。對于十字接頭長焊縫應適當提高預熱溫度,從而提高層間溫度;對于結構總拼裝焊時,尤其長焊縫,必須嚴格的保持