1000MW機組U71Mn高碳鋼軌道焊接工藝

薄志軍 呂冰

摘要：1000MW機組主廠房行車軌道采用U71Mn高碳鋼鋼材，U71Mn鋼碳當量高、強度高、韌性差，在焊接過程中極易在熄弧弧坑、熔合線及熱影響區處產生裂紋，且焊接填充量大，容易引起道軌變形超標，另外結構剛性大，焊接殘余應力大，吊車運行過程中的沖擊極易造成焊縫的開裂也是焊接的難點。針對以上焊接問題在華電國際鄒縣發電廠1000MW機組中進行科技創新，制定合理的焊接工藝，使得該鋼種焊接過程中易出現的問題的到成功的解決。

關鍵字：U71Mn鋼 焊接

1、前言：

華電國際鄒縣發電廠1000MW機組主廠房行車軌道接頭設計采用焊接方式，道軌A、B排各11根共22根，鋼材牌號為U71Mn（屬于高碳鋼），共需要焊接連接焊縫20道。U71Mn鋼化學成分及力學性能如下：

化學成分（％） 力學性能

C Mn Si S P δb/MPa

0.65-0.77 1.10-1.50 0.15-0.35 ≤0.035 ≤0.035 ≥900

由于焊接構件為U71Mn，屬于高碳鋼，施焊過程有以下難點：1、鋼材碳當量高（Ceq＝1.05）、強度高、韌性差，極易在熄弧弧坑、熔合線及熱影響區處產生裂紋；2、焊接填充量大，容易引起道軌變形超標；3、結構剛性大，焊接殘余應力大；4、吊車運行過程中的沖擊極易造成焊縫的開裂。

2、焊接施工方案及采取的措施

2.1、焊接材料選擇：

考慮道軌的工作狀況，道軌聯接焊縫工作時主要受壓，對抗拉強度要求不高，加之吊車移動時需保證整個結構的韌性，根據施工經驗，選用E5015(J507)焊條，直徑3.2mm、4.0mm。

2.2、焊接方法及焊接參數

采用手工電弧焊工藝（SMAW）。

規格電流 電壓

Ф3.2100-150A24-27V

Ф4 150-200A24-27V

2.3、組對要求

坡口型式為I 型，間隙12-14mm，坡口間隙底部有一2-4mm低碳鋼板條，低碳鋼板條根據坡口的具體尺寸進行修正，保證根部施焊時焊透。施焊前將坡口及其兩側10-15mm范圍內的油、銹等打磨干凈，直至露出金屬光澤。

2.4、由于道軌焊接施工正值冬季且為野外施工，焊前預熱尤為必要，預熱采用火焰加熱、測溫筆測溫的方式，加熱時割炬噴嘴速度要均勻，嚴禁集中一處加熱，加熱寬度每側不得小于500mm，加熱溫度300℃。

2.5、焊接順序：

先焊接軌底，后焊接軌腰、軌頭，最后修補周圍。

在施焊過程中鋼軌接頭將向下彎曲變形，為此，在焊接前必須將鋼軌端頭墊起一定的高度以保證焊接完畢后，鋼軌能保持平直。如下圖所示：

2.6、焊接過程

施焊軌底的第一層焊縫電流稍大（180－200A），以便將低碳鋼板條焊透和排渣。以后幾層可使用160－180A電流，每焊完一層必須把溶渣清理干凈后方能繼續施焊。軌底焊接結束后將赤銅夾板緊密貼在軌腰兩側，夾板上的槽與鋼軌間隙對正，使用150－170A電流，從軌腰的下部向上施焊。每焊完一根焊條便取下赤銅夾板清除溶渣，赤銅夾板用水冷卻并清除粘著的溶渣后，再重新貼在鋼軌兩側繼續施焊，這樣重復進行到軌腰焊滿為止。焊接過程中，不能在高溫大電流時熄弧，確要熄弧時，提前將電流調小，并在鋼軌的兩側熄弧，以免冷卻速度過快產生裂紋；同時要求確保電力供應持續不間斷，將赤銅托板安裝好后開始焊接軌頭。最后對焊縫周圍未焊飽滿之處進行補焊。焊條的更換速度要快，施焊過程2人輪換進行，電弧始終保持燃燒。清渣后重新焊接前使用測溫筆進行測溫，若溫度高于250℃繼續施焊，否則必須重新進行預熱。焊接腰部直至蓋面前（低于頂部1~6 mm）清渣，蓋面時要根據變形情況可把焊縫加寬最大可達25 mm。焊接過程中不能在高溫大電流時熄弧，確要熄弧時，提前將電流調小，并再鋼軌的兩側熄弧，以免冷卻速度過快產生裂紋；同時要求確保電力供應持續不間斷。施焊過程中要按照由前到后的順序進行，并且保證焊層厚度一致，以防止軌道扭曲變形。如下圖：

2.7、焊接完畢措施

焊接完畢后立即采用火焰加熱，大約加熱10分鐘，加熱范圍40mm，加熱溫度600℃～700℃，焊縫及熱影響區噴燒到呈現紅狀（當火焰離開后紅狀會逐漸消失）時,立即采用保溫巖棉進行保溫，保溫厚度大約60 mm，保溫寬度200mm。保溫過程中，熱處理施工人員必須巡視，保證熱處理過程的效果，緩冷至室溫后，進行焊縫修磨至軌道形狀。

3、無損探傷

熱處理完畢對焊縫全部進行表面著色探傷，探傷試驗焊縫一次性合格，合格率為100％。

4、現場焊接結論

軌道在實際運行中，運行狀況一直較好，高碳鋼U71Mn焊接工藝應用取得了較好的效果。

焊接過程中應注意以下幾點：1、構件組對時，要預先用赤銅墊板和鋼墊板將鋼軌端頭墊起40－60cm，并在焊接前進行焊前預熱；2、焊接過程中要控制好線能量，特別是在熄弧時,控制好冷卻速度不能太快，且連續焊接；3、焊后采用火焰加熱10分鐘、范圍為40cm、600－700攝氏度進行焊后熱處理，焊接時不宜在冬天施工。

參考文獻

[1]崔忠圻等.金屬學與熱處理.機械工業出版社.2000

[2]姚忠凱等.鋼的組織轉變譯文集.機械工業出版社.1980

[3]上海交通大學.碳鋼熱處理.1976

[4]俞德剛，談音煦編著.鋼的組織強度學-組織與強韌性.上海科技出版社.1983

[5]火力發電廠焊接熱處理規程.2004

[6]高層民用建筑鋼結構技術規程

[7]電站鋼結構焊接通用技術條件

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。