大管徑厚鋼板鋼管樁的埋弧焊工藝探索

饒慶

（中交三航局廈門分公司　福建　廈門　361006）

大管徑厚鋼板鋼管樁的埋弧焊工藝探索

饒慶

（中交三航局廈門分公司福建廈門361006）

本公司于2014年中標了福建莆田平海灣50MW海上風電工程。本文主要針對風電基礎鋼管樁的埋弧自動焊的工藝進行分析研究，總結了制作此類鋼管樁的埋弧自動焊工藝試驗過程，摸索了一套成功的埋弧自動焊工藝，為今后埋弧自動焊在大管徑厚鋼板鋼管樁中的應用積累成功經驗。

鋼管樁；埋弧自動焊；焊接工藝

1　工程概況

福建莆田平海灣50MW海上風電樁基采用直徑φ1900mm，鋼板厚度為28～30mm鋼管樁，鋼材型號為Q345C，最大長度65m，最大重量95t。此次鋼管樁主要特點是管徑大、鋼板厚，整樁長度較長且重量大。制定一套焊接質量可靠而且效率高的焊接工藝是本次制樁工程的重點。

2　焊接質量要求

本工程鋼管樁主要焊縫為縱焊縫和環焊縫兩種，設計要求焊縫等級為二級。鋼管樁焊接母材為Q345C，鋼材的主要化學成分見表1，主要力學性能指標見表2。根據焊接材料匹配的原則，焊接接頭的力學性能必須不低于標準值，焊縫的化學成分也應符合母材要求。

表1　鋼材的主要化學成分（單位：%）

表2　鋼材的力學性能

3　焊接工藝

通過鋼管樁的基本結構及制作工藝流程可以看出對鋼管樁的焊接工藝的確定主要是對縱焊縫、環焊縫兩種焊接工藝的確定。

3.1焊接方法

為了保證焊接的質量以及提高焊接效率，采用埋弧自動焊是比較理想的方法，因為埋弧焊有以下特點：

（1）生產效率高，埋弧焊熱效率高，熔深大，單絲埋弧焊不開坡口最大熔深可達20mm。

（2）焊接質量好，因為有熔渣的保護，熔化金屬不與空氣接觸，減少了焊縫中氣孔、裂紋的可能性。對焊工操作技術要求不高，焊接工藝參數通過自動調節保持穩定。焊縫成型好，力學性能好，焊縫質量高。

（3）勞動條件好，埋弧焊弧光不外露，沒有弧光輻射，自動焊的方法減輕了手工操作強度。

在本工程中主要采用CO2氣保焊打底結合埋弧自動焊的工藝。環焊縫可以采用將埋弧焊機的小車臂加長的方法實行內外雙面埋弧焊，所以可采用與縱焊縫同樣的焊接工藝。

3.2焊接材料

根據焊接材料的匹配原則，結合母材為Q345C的鋼材的力學性能和化學成份的特點，埋弧焊選用牌號為H10Mn2、直徑φ4mm的焊絲，焊劑選用SJ101燒結焊劑。CO2氣保焊焊絲選用牌號YL.ER50-6、直徑φ1.2mm的實芯焊絲。焊材的主要性能見表3。

表3　焊材的主要化學成分（單位：%）

表4　焊材的力學性能

3.3坡口型式選擇

根據焊接手冊，30mm厚鋼板對接埋弧焊坡口型式一般采用Y型坡口，坡口角度40～80°，鈍邊2～10mm，間隙0～5mm，結合以往的施工經驗選用如表5三種尺寸的坡口進行工藝評定試驗。

表5　接頭坡口型式

3.4焊接參數

（1）埋弧焊接前先用CO2氣保焊于管內側進行封底焊接，焊角高度6～8mm，焊接參數如下：電流：180～220A，電壓：25～28V，焊速：180～200mm。

（2）埋弧焊需分多層進行焊接，本工程鋼管樁的外側需一道埋弧焊蓋面，內側需焊2～3道埋弧焊。試驗中將三種坡口型式的試件分別從外側和內側進行焊接試驗。焊接參數見表6。

表6　焊接參數

3.5試驗結果對比分析

根據焊接順序的不同，將每種試件制作了兩組，按表6中的焊接參數分別進行了焊接試驗，在焊接過程中以及焊后超聲波探傷后得出以下結果，見表7。

表7　試驗結果對比

3.6從以上六組試驗分析得出

（1）封底焊接完成以后，先從外側焊接，鈍邊留的小（如2～ 5mm）時容易產生燒穿現象，鈍邊留的大（如8～10mm）時，容易產生未融合的現象。主要原因是第一道埋弧焊一般不宜用較大的電流電壓，形成的焊縫熔深較難控制到剛剛好的深度，所以不采用從外側先焊的方法。

（2）從內側先焊時，試件1的主要問題是脫渣困難。主要原因是坡口角度太小，開口面不夠寬，埋弧焊熔渣全部擠在較窄的開口面處，與坡口兩邊形成很大的咬合力，這樣清渣時費時費力，而且不容易清理干凈，留下來的殘渣給下一道焊縫留下夾渣的缺陷，所以不采用。

（3）從內側先焊時，試件2能滿足要求，可以選擇在此基礎上進行改進。

（4）從內側先焊時，試件3也能滿足要求，但是由于坡口角度較大，為了填滿坡口，需要多增加至少一道的焊縫，比較費時費力，從經濟的角度考慮不是很合適。

3.7工藝確定

根據以上試驗結果分析，確定選用試件2的埋弧焊工藝為基礎進行改進，最終確定的焊接工藝如下，主要焊接順序及過程見圖1，主要焊接參數見表6。

圖1　埋弧焊順序及焊縫成型

4　埋弧焊主要缺陷及防止

埋弧焊焊縫主要缺陷有裂紋、氣孔、夾渣、未融透、咬邊、焊瘤、燒穿以及余高過高、不足、過窄、成型不良等，其中未熔透、咬邊、焊瘤、燒穿、余高超差、成型不良這些缺陷主要與焊接工藝參數或焊劑的散布情況有關，這些只要按上面選定的焊接工藝參數就可以避免出現這類缺陷。下面主要結合本工程的特點對裂紋、氣孔、夾渣等缺陷進行分析及防止：

4.1裂紋

焊縫裂紋通常有結晶裂紋和氫致裂紋兩種。結晶裂紋產生的原因主要與焊縫中的S、P、C、Mn等元素有關，所以選用合適的焊絲焊劑是有效防止結晶裂紋的方法，本文中選用的H10Mn2焊絲和SJ101焊劑的化學成份符合要求。氫致裂紋產生的主要原因是焊接接頭含氫量、接頭顯微組織、接頭拘束情況等因素相互作用的結果，本工程中所采用的Q345C低合金鋼容易產生此類裂紋，所以焊接時注意焊道處不能有水、油污等雜物，必要時采用預熱、后熱等方法都可消除氫致裂紋。

4.2氣孔

埋弧焊中產生氣孔的原因主要有焊劑受潮有雜物、焊接時焊劑未覆蓋焊縫、電弧磁偏吹、焊道不干凈等。所以充分烘干焊劑，清除其中雜物，清潔焊道，讓焊劑充分覆蓋焊道是防止氣孔的有效方法，另外為了減少磁偏吹的影響，可以盡量采用交流電源。

4.3夾渣

夾渣主要產生在第二道埋弧焊時，跟第一道埋弧焊脫渣有關，所以選取脫渣性好的焊劑以及選擇較好的坡口型式是防止夾渣的主要手段。

5　實施效果

通過對焊縫的檢查，焊縫外觀平滑，成型美觀，尺寸符合技術要求；焊接完成24h后進行焊縫內部超聲波探傷檢查，內部質量達到二級以上。焊接接頭的屈服強度、抗拉強度、伸長率等力學性能指標均達到設計要求。

這次試驗的埋弧焊工藝解決了以往埋弧焊中需要的電弧氣刨清根、清渣困難、焊接層數較多等問題，提高了焊接生產效率。

6　結語

福建莆田平海灣50MW海上風電樁基總共78根，重量6000t，通過采用此套埋弧焊工藝，不僅在短短的兩個月時間完成了工程任務，而且焊接質量得到很好的保證，很少出現返修的情況，實踐證明該工藝成熟可靠，有力的保證了工程的順利完成。這些為我們今后焊接此類厚鋼板的鋼管樁提供了寶貴經驗。

TG445

A

1673-0038（2015）25-0200-02

2015-6-6