江門中微子探測器不銹鋼網(wǎng)殼項(xiàng)目焊接工藝研究

楊弘生

浙江東南網(wǎng)架股份有限公司 浙江杭州 311209

1 序言

江門中微子中心探測器不銹鋼網(wǎng)殼項(xiàng)目為單層不銹鋼球形網(wǎng)殼，內(nèi)徑40.1m，外徑41.1m，項(xiàng)目模型如圖1所示。網(wǎng)殼由兩層H形鋼立柱支撐，立柱分別位于赤道下第2 層和第4 層。H 形鋼截面規(guī)格：200m m×150m m×8m m×8m m至600mm×300mm×30mm×35mm。整個(gè)結(jié)構(gòu)需浸于水中，因此采用奧氏體不銹鋼S30408作為主體結(jié)構(gòu)鋼材。工程構(gòu)件包括焊接H形鋼柱、梁、支撐等，其中大部分鋼柱、環(huán)向和徑向梁為直線形，部分H形鋼構(gòu)件整體或局部呈弧形，支撐柱節(jié)點(diǎn)為弧形。組成H形鋼的2個(gè)T形接頭均為全熔透焊縫，構(gòu)件加勁板、牛腿等接頭也為全熔透焊縫，板厚涉及8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、30mm和35mm等規(guī)格。所有構(gòu)件在加工廠制作、焊接，現(xiàn)場采用環(huán)槽鉚釘連接。

圖1 江門中微子中心探測器模型

建筑鋼結(jié)構(gòu)中不銹鋼主要應(yīng)用于幕墻、屋面、防護(hù)隔離柱及安全欄桿等結(jié)構(gòu)，主體幾乎沒有大量采用熔透焊接形式的不銹鋼結(jié)構(gòu)。雖然壓力容器行業(yè)中也存在奧氏體不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)，但只有對接接頭和角焊縫焊接工藝評定的參考[1]。對工程構(gòu)件中存在的大量T形接頭，為滿足焊縫熔透要求，需選擇合適的焊接方法，確定接頭坡口形式、焊接材料、焊接工藝等方面內(nèi)容，以制定適合本工程接頭特點(diǎn)的焊接工藝，指導(dǎo)焊接生產(chǎn)。

2 焊接方法選擇

2.1 根部熔透焊接方法的選擇

構(gòu)件全熔透T形接頭包括長直T形、短T形、弧形T形等。為保證接頭根部熔透，可通過如下3種方式實(shí)現(xiàn)，但均存在不足或無法滿足要求。

1）方式一：接頭根部不留間隙，先在一側(cè)進(jìn)行打底焊，另一側(cè)清根后再進(jìn)行焊接，以保證接頭根部熔透。但不銹鋼具有較高熱膨脹系數(shù)和較低導(dǎo)熱系數(shù)，采用清根方式不但增加了熱輸入，焊后變形較大，而且會(huì)增加清根及清根后的打磨工作量，效率低。

2）方式二：接頭根部預(yù)留間隙，先在一側(cè)采用手工氬弧焊打底，保證焊縫根部熔透，然后進(jìn)行其余填充、蓋面焊縫的焊接。但工程中最長的H形鋼構(gòu)件長度接近15m，手工氬弧焊打底效率較低，且構(gòu)件焊后會(huì)產(chǎn)生較大收縮和變形，構(gòu)件尺寸無法滿足要求。

3）方式三：接頭根部預(yù)留間隙，背面加裝襯墊板，從單面施焊。但此種方式與方式二不足之處近似，構(gòu)件焊后會(huì)產(chǎn)生較大收縮和變形。

上述3種方式雖均能實(shí)現(xiàn)焊縫根部熔透，但構(gòu)件焊后會(huì)產(chǎn)生較大收縮和變形，尺寸無法保證。因此，需選用新型焊接方法，在焊縫根部不留間隙且不需清根的情況下，從兩側(cè)施焊，實(shí)現(xiàn)焊縫根部的熔透焊接，減少構(gòu)件焊后的收縮和變形。

K-TIG深熔氬弧焊是一種高效的氬弧焊焊接方法，焊接過程中焊接電弧對母材不斷進(jìn)行熔化與深挖，并將熔融金屬排擠到熔池周圍，形成小孔，靠電流形成的電弧力與液體金屬靜壓力、表面張力來保持熔池的動(dòng)態(tài)平衡。焊槍向前移動(dòng)過程中小孔也隨之移動(dòng)，后方的熔融金屬冷卻后形成焊縫[2]。K-TIG深熔氬弧焊是焊接熔融金屬黏度大、低熱傳導(dǎo)鋼材，如不銹鋼、鎳基合金、鈦合金等鋼材理想的焊接方法。

對于長直的H形鋼構(gòu)件T形接頭，采用自動(dòng)K-TIG深熔氬弧焊作為根部熔透的焊接方法，焊接過程無需添加焊接材料，完全靠電弧熱熔化母材形成根部焊縫。焊接設(shè)備為自動(dòng)焊接小車，焊接小車置于H形鋼上翼緣板上，小車配有兩把深熔氬弧焊焊槍，分別位于H形鋼腹板兩側(cè)。前期先在低合金鋼試件上進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)讓焊工熟悉設(shè)備性能，避免因操作不熟練而導(dǎo)致試驗(yàn)不合格。通過試驗(yàn)驗(yàn)證初步擬定的參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對坡口角度、鈍邊大小、焊接電流、電弧電壓及焊接速度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得出較理想的參數(shù)值。再采用不銹鋼板材進(jìn)一步試驗(yàn)，得出優(yōu)化調(diào)整后的最終參數(shù)值。試驗(yàn)打底焊接過程如圖2所示，焊后根部熔透情況如圖3所示。

圖2 K-TIG深熔氬弧焊打底焊過程

圖3 深熔打底焊后根部熔透情況

對于短的或呈弧形等無法采用自動(dòng)K-TIG深熔氬弧焊的焊接接頭，采用K-TIG手工深熔氬弧焊進(jìn)行根部熔透打底焊接。兩人各持一把深熔氬弧焊焊槍位于立板兩側(cè)，進(jìn)行打底施焊，試驗(yàn)打底焊接過程如圖4所示，根部焊縫正反面成形如圖5所示。

圖4 K-TIG手工深熔氬弧焊打底焊過程

圖5 K-TIG手工深熔氬弧焊打底焊縫正反面

2.2 填充、蓋面的焊接方法選擇

1）H形鋼長直焊縫蓋面采用埋弧焊。

2）除H形鋼長直蓋面焊縫外，其余焊縫的焊接采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊。與焊條電弧焊相比，藥芯焊絲可將斷續(xù)生產(chǎn)過程變?yōu)檫B續(xù)，減少接頭數(shù)目，且不存在發(fā)熱和發(fā)紅現(xiàn)象；與實(shí)芯焊絲相比，藥芯焊絲合金成分調(diào)整方便，焊后打磨工作量小。

3 焊接工藝評定試驗(yàn)

3.1 焊接材料的選擇

不同焊接方法對應(yīng)的焊接材料型號(hào)：藥芯焊絲型號(hào)為E308LT1-1（φ1.2mm）；埋弧焊焊劑與焊絲型號(hào)組合為F308L-H00Cr21Ni10（φ3.2mm）。

3.2 焊接工藝評定試驗(yàn)項(xiàng)目

焊接工藝評定試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為A W S D1.6/D1.6M《不銹鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》，根據(jù)接頭形式、焊接方法等將焊接工藝評定試驗(yàn)項(xiàng)目匯總見表1，焊接工藝評定試驗(yàn)各種焊接方法焊接參數(shù)見表2。

表1 焊接工藝評定試驗(yàn)項(xiàng)目匯總

表2 各種焊接方法焊接參數(shù)

3.3 焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果

試件焊接完畢，經(jīng)外觀及超聲波檢測合格后，進(jìn)行試件加工及相關(guān)試驗(yàn)。

1）焊接工藝評定試件（符合取樣條件）的接頭拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 接頭拉伸、彎曲試驗(yàn)結(jié)果匯總

接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值，彎曲試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

2）宏觀斷面酸蝕照片如圖6所示。宏觀酸蝕試件未見裂紋、未熔合、氣孔及夾渣等缺陷。

圖6 宏觀斷面酸蝕照片

4 工程驗(yàn)證

根據(jù)焊接工藝評定試驗(yàn)所確定的焊接工藝，編制焊接工藝規(guī)程，指導(dǎo)構(gòu)件焊接施工，取得了良好的效果，實(shí)體構(gòu)件焊縫超聲波檢測一次合格率達(dá)99.5%以上。

5 結(jié)束語

1）焊接工藝評定試驗(yàn)驗(yàn)證了擬定焊接工藝的合理性，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，為江門中微子中心探測器不銹鋼網(wǎng)殼項(xiàng)目焊接工藝文件編制提供了可靠依據(jù)。

2）采取K-TIG深熔氬弧焊焊接工藝，解決了不銹鋼T形接頭根部熔透問題，大大提高了焊接生產(chǎn)效率，減少了構(gòu)件焊后的收縮和變形，保證了構(gòu)件焊后尺寸。