专利名称：：输电铁塔用新型q460钢的焊接工艺方法
技术领域：
：本发明涉及一种钢的焊接工艺方法，特别是涉及一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，属于钢铁材料焊接
技术领域：
。二
背景技术：
：目前，我国输电铁塔塔材主要以Q235和Q345热轧等边角钢为主，国外一些发达国家已将高强钢成功应用于输电铁塔，我国高强钢的应用情况明显落后于国外。在日本，早在上世纪90年代建设的1000KV级输电线路中，就采用了钢管S55高强钢(屈服强度415MPa)，目前铁塔用高拉力型钢的屈服强度达到520MPa，焊接结构钢的屈服强度达到460MPa。《美国输电铁塔设计导则》中的钢材强度已达686MPa。在欧洲，GR65(屈服强度450MPa)等级钢材已被大量使用。我国高强钢的应用起步较晚，特别是对高强钢的焊接性尚缺乏系统和深入的研究。新型Q460钢自从在奥运"鸟巢"工程中首次使用后，其在输电铁塔中的焊接应用也仅限于讨论阶段，还没有在国内输电铁塔中使用，如平洛(平顶山-洛南)线工程，尽管率先采用"Q460高强钢"铁塔，但全部构件的连接为螺栓连接，没有焊接连接。国家电网公司于2007年启动了新型Q460高强钢的试点应用工作，联合一些钢厂开展铁塔用Q460高强钢型材的研制。因为在特高压输电铁塔制造技术中，使用Q460高强钢不仅可增加铁塔的负载能力，而且可有效减轻塔材重量812%，节省整体造价5%8%。我国首条采用"Q460高强钢"铁塔的500千伏输电线路，是由华中电网公司建设的500千伏平洛(平顶山_洛南)线工程，和传统的Q345钢铁塔相比，平均每基塔重减轻9.5%。因此，对输电铁塔用新型Q460高强钢焊接性能展开深入研究，确定其不同焊接方法下的焊接性能和焊接工艺要点，解决焊接生产中的关键技术问题，可保证Q460高强钢在特高压输电设备中的成功应用，以进一步提高我国输电领域的科技水平，这对于加快我国特高压电网的建设具有重要现实意义。三
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，解决焊接生产中的关键技术问题，保证Q460高强钢在特高压输电设备中的成功应用，以进一步提高我国输电领域的科技水平。本发明为解决技术问题所采取的技术方案是—种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，包括常规的焊接方法，其具体工艺参数如下①、焊接材料选用J607焊条来进行电弧焊或JM-60实心焊丝来进行C02气体保护焊，焊接过程中保持低氢条件，焊条使用前严格烘干；②、根据板厚选择合适的坡口形式，对坡口区域进行打磨和清理，去除油污、铁锈、氧化皮及其它杂物；③、室内施工时，焊接前不预热；在野外施工或环境温度低于ot:的情况下，预热到50°CIO(TC;、焊接过程中控制热输入范围，板厚小于等于20mm时，热输入控制在12kJ/cm21kJ/cm;板厚超过20mm的，热输入控制15kJ/cm45kJ/cm;⑤、采用多层多道焊接工艺，道间温度不超过150°C;⑥、取消消除应力处理和焊后热处理。当焊接工艺选择焊条电弧焊时，具体工艺参数如下①、板厚16.544mm，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边02mm，间隙23mm24V，焊接速度100②、焊接焊条直径小3.2mm和小4.Omm;120A，焊接电压2020KJ/cm;当直径小4.0mm时，焊接电流140③、具体焊接工艺参数当直径小3.2mm时，焊接电流100160mm/min，线能量1830KJ/cm;，钝边3mm，间隙3mm;170A，焊接电压2026V，焊接速度100150mm/min，线能量20、层间温度150200°C;⑤、预热温度1(TC以上不预热；⑥、消除应力热处理取消处理。当焊接工艺选择C02气体保护焊时，具体工艺参数如下①、板厚16.544mm，采用单面V型坡口，坡口角度为6(T②、焊接材料JM-60实芯焊丝，直径(M.2mm;③、具体焊接工艺参数根部焊接电流90IIOA，焊接电压1922V，焊接速度95140mm/min;±真充焊接电流100200A，焊接电压1922V，焊接速度98180mm/min;盖面焊接电流焊接电流150200A，焊接电压1922V，焊接速度152180mm/min;、线能量1824KJ/cm，层间温度150200°C;⑤、预热温度1(TC以上不预热；⑥、消除应力热处理取消处理。焊接工艺选择C02气体保护焊时，如C02气体含有水分过多，应进行干燥处理。与本发明输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法相关的研究报告如下本发明以国产新型Q460钢为研究对象，通过试验研究和理论分析，掌握其焊接性的一般规律，包括冷裂纹敏感性、过热区脆化问题、焊接材料的选择和消除应力处理利弊等。在此基础上，得出本发明新型Q460钢的焊接工艺方法，用以指导输电铁塔用Q460钢结构的焊接施工。1.试验研究和理论分析的主要内容有1)冷裂纹敏感性研究用插销试验方法对Q460钢冷裂纹敏感性进行定量，确定合理的预热温度。研究焊条电弧焊(SMAW)和C02气体保护焊两种方法对冷裂纹倾向的影响。2)Q460钢热影响区脆化倾向研究用热模拟方法研究Q460钢粗晶区的脆化倾向，分析脆化原因，确定最佳焊接热输入范围。3)Q460钢焊接材料的选择及焊缝金属组织性能研究优选Q460钢焊接材料(焊条和焊丝)，研究现有国产焊材能否满足Q460钢焊接的要求。4)消除应力热处理(SR)对焊接接头组织性能的影响研究消除应力热处理对Q460钢热影响区和焊缝组织性能的影响，探讨取消现焊后热处理的利弊。对热影响区的影响主要研究SR对粗晶区组织性能的影响，粗晶区是否存在SR脆化现象，如果发生脆化，分析产生脆化的原因。SR处理对焊缝组织性能的影响，判断是否存在强度降低的现象。5)Q460钢焊接工艺设计与焊接工艺评定根据1)4)的研究结果，优化设计本发明Q460钢的焊接工艺，进行焊接工艺评定，提出Q460钢焊接工艺要点。确定不同焊接方法下的焊接与加热参数，并编制相应的焊接培训工艺卡和培训方案。2.试验用Q460钢本试验用Q460钢板来自武汉钢铁股份有限公司，厚度为22mm，技术条件为WJS(ZB)43-2006:Q460-XRB;炉号为C733843。试验用钢的化学成分见表1。表l试验用钢的化学成分(质量分数，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>从表l的化学成分可以看出，本试验用Q460钢中含碳量降低，未添加贵重金属Nb，只添加少量的Ti、V，应属于新型Q460钢。此外从S、P含量来看，属于E级钢。试验用钢的力学性能见表2表2Q460钢的力学性能<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>3.新型Q460钢焊接性研究结论3.1冷裂纹敏感性通过插销试验方法对Q460钢冷裂纹敏感性进行定量，确定合理的预热温度。研究焊条电弧焊(SMAW)和C02气体保护焊两种方法对冷裂纹倾向的影响。冷裂纹试验结果表明，新型Q460钢具有良好的抗冷裂纹性能。只要严格控制焊接材料的扩散氢含量，是可以不预热焊接的。冷裂纹试验结果是在室温和实验室条件下得到的，当在野外施工、环境温度很低(低于0°C)，且拘束度很大时，建议预热到50IO(TC焊接。与传统Q460钢相比，新型Q460钢的强化不是依靠增加合金元素和热处理来强化，主要是通过控轧工艺实现细晶强化，使钢中碳和其它合金元素含量得以降低，从而明显降低了热影响区的硬度，粗晶区的硬度明显小于350HV。这是新型Q460钢冷裂纹敏感性较传统Q460钢明显改善的主要原因。对于新型Q460钢，两种常用的焊接方法——焊条电弧焊(SMAW)和0)2气保焊对其冷裂纹的影响很小。没有象传统低合金高强钢那样，出现C02气保焊的冷裂纹倾向比SMAW大的现象。3.2Q460钢热影响区脆化倾向在热模拟机上模拟粗晶区的组织，测试粗晶区的常温和低温冲击韧性，分析t8/5对粗晶区韧性的影响，分析脆化原因，从而确定最佳焊接热输入范围。t8/5表示的是在焊接过程中焊缝温度从80(TC降到50(TC时所用的时间。试验结果表明当18/5在10s30s范围内时，新型Q460钢的粗晶区组织为板条马氏体+贝氏体，硬度不高，且常温和低温(-3(TC)冲击韧性良好，热影响区没有象一般正火钢那样出现过热脆化现象。根据微观分析结果，新型Q460钢对过热脆化不敏感，可以解释为1)原始奥氏体晶粒长大不显著。从微观分析结果来看，母材中没有完全溶解的沉淀相起到一定阻止晶粒长大的作用；2)形成较多的低碳板条马氏体，本身具有很高的韧性，含有一定量的贝氏体，板条马氏体+贝氏体混合组织可以进一步增大裂纹扩展的阻力。从显微结构随18/5变化来判断，当t8/5超过30s后，CGAHZ可能出现上贝氏体+M-A组元的脆性组织，且晶粒粗化将比较明显，其韧性将明显降低。为了避免热影响区的淬硬与过热脆化，t8/5的合理范围为10s30s。根据热循环计算公式得到焊接新型Q460钢的最佳热输入范围为厚板15kJ/cm45kJ/cm;薄板12.4kJ/cm21kJ/cm。3.3Q460钢焊接材料的选择及焊缝金属组织性能研究按照低合金结构钢的表示方法，Q460钢的屈服强度为460MPa。根据焊缝与母材等强度匹配的原则，Q460钢焊材的屈服强度也应在460MPa以上。结构钢焊材牌号中标识的是熔敷金属的抗拉强度，而不是其屈服强度，为此，我们选择了抗拉强度为60kg/cm2的J607焊条和JM-60实心焊丝作为Q460钢的焊接材料，它们熔敷金属的屈服强度保证值在490MPa以上，可以满足Q460焊接结构的强度要求。用这两种材料焊接了试样，进行了焊缝的成分、组织及性能的测试分析。结果表明1)从强度等级来判断，可以采用J607焊条和JM-60实心焊丝来焊接高强度的Q460钢。它们焊缝金属组织均为贝氏体+少量铁素体。2)用J607焊条和JM-60实心焊丝所得到焊缝韧性差异不大，焊缝金属都具有良好的室温和低温冲击韧性，它们在-3(TC时韧性的平均值在100J左右。3)采取多层多道焊、薄焊道方法可以增加焊缝中细晶区的比例，进一步提高焊缝的韧性。3.4消除应力热处理(SR)对焊接接头组织性能的影响消除应力处理(600°CXlh)可以降低热影响区的硬度，提高CGHAZ的低温韧性，不会出现SR处理脆化现象。消除应力处理对焊缝硬度与韧性的影响都很小，不会显著降低焊缝的强度。总的来看，消除应力处理不会对接头性能产生不利影响。热影响区和焊缝在焊态下的组织和性能均比较理想，仅从组织和性能的角度考虑，新型Q460钢焊接时完全可以取消消除应力处理。3.5Q460钢焊接工艺设计3.5.1根据上面焊接性研究结果，制定了本发明新型Q460钢的焊接工艺1)焊接材料选用J607焊条和JM-60实心焊丝。焊接过程中保持低氢条件，焊条使用前按要求严格烘干。C02气体保护焊时，如C02气体含有水分过多，应进行干燥处理。2)根据板厚选择合适的坡口形式。对坡口区域进行打磨和清理，去除油污、铁锈、氧化皮及其它杂物。3)在一般情况下，可以不预热焊接。在野外施工和环境温度很低(低于0°C)情况下，建议预热到50°CIO(TC。4)焊接过程中应控制热输入，板厚小于20mm时，热输入控制在12kJ/cm21kJ/cm，板厚超过20mm的，上限可适当放宽。5)多层多道焊，道间温度不超过150°C。如道间温度超过200°C，热输入上限应适当减小。6)对于残余应力不严重的焊接结构，可以取消焊后热处理。需要指出的是，目前TMCP工艺主要应用于板材的生产，应用于角钢等型材还比较困难，因此输电铁塔中的角钢件只能采用传统的Q460钢。前文分析表明，传统Q460钢焊接性比新型Q460钢差，鉴于国内对传统Q460钢焊接性的研究很不全面，建议今后进一步开展传统Q460钢焊接性研究，为输电铁塔用Q460钢的焊接提供更全面的指导。3.5.2焊接工艺评定根据以上研究结果及对新型Q4601的焊接工艺要求，完成以下焊接工艺评定1)板材对接SMAW(焊条电弧焊)评定用Q460板厚为22mm(可覆盖板厚16.5_44mm的焊接)，采用单面V型坡口，坡口角度为60。，钝边0-2mm，间隙2-3mm;焊接材料大西洋焊条CHE607，直径小3.2mm和小4.Omm。焊接工艺参数直径小3.2mm时，焊接电流100-120A，焊接电压20-24V，焊接速度100-160mm/min，线能量18-20KJ/cm，直径小4.0mm时，焊接电流140-170A，焊接电压20-26V，焊接速度100-150mm/min，线能量20-30KJ/cm。层间温度150-200°C。预热温度1(TC以上不预热。消除应力热处理(SR):取消处理。评定结果符合新型Q460钢力学性能要求。2)板材对接GMAW(C02气体保护焊评定用Q460板厚为22mm(可覆盖板厚16.5_44mm的焊接)，采用单面V型坡口，坡口角度为60。，钝边3mm，间隙3mm;焊接材料金泰公司生产的实芯焊丝JM-60，直径小1.2mm。焊接工艺参数根部焊接电流90-110A，焊接电压19-22V，焊接速度95_140mm/min;填充焊接电流100-200A，焊接电压19-22V，焊接速度98-180mm/min;盖面焊接电流焊接电流150-200A，焊接电压19-22V，焊接速度152-180mm/min。线能量18-24KJ/cm，层间温度150-200°C。预热温度1(TC以上不预热。消除应力热处理(SR):取消处理。评定结果符合新型Q460钢力学性能要求。四图1为化学腐蚀后显示的热影响区；图2为缺口位置；图3为焊条电弧焊接头热影响区低温冲击试样；图4为C02气保焊接头热影响区低温冲击试样。五具体实施例方式实施例一本发明Q460钢对接接头热影响区冲击韧性检测报告委托单位河南第一火电建设公司检测类型送样检测检测内容室温和-30°C的冲击韧性检测数量24个(焊条电弧焊接头12个，C02气保焊接头12个)检测依据GB/T2650《焊接接头冲击试验方法》、DL/T868-2004《焊接工艺评定规程》检测设备JB-30D冲击试验机检测日期2008年11月10日检测环境温度2rC湿度50%检测结论两种接头热影响区在室温和_301:的冲击韧性均超过147J，消除应力处理对热影响区韧性没有明显影响。下面为具体的对接接头热影响区冲击韧性检测报告A、试样制备从接头取样，加工成10mmX10mmX80mm的试样，通过化学腐蚀显示出接头的热影响区，如图l所示。然后按图2取样，加工成标准的冲击试样。缺口形式为V形，缺口轴线垂直于焊缝表面，且与熔合线交叉。B、试验结果对于焊条电弧焊接头，热影响区在室温和-3(TC下的冲击韧性试验结果分别列于表3和表4中。表3电弧焊接头热影响区室温冲击韧性试验结果<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表4电弧焊接头热影响区低温冲击韧性试验结果(-30°C)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>对于(A气保焊接头，热影响区在室温和-3(TC下的冲击韧性试验结果分别列于表5和表6中。表5(A气保焊接头热影响区室温冲击韧性试验结果<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表6C02气保焊接头热影响区在室温冲击韧性试验结果(-30°C)<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>低温冲击试样照片见图3和图4。权利要求一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，包括常规的焊接方法，其具体工艺参数如下①、焊接材料选用J607焊条来进行电弧焊或JM-60实心焊丝来进行CO2气体保护焊，焊接过程中保持低氢条件，焊条使用前严格烘干；②、根据板厚选择合适的坡口形式，对坡口区域进行打磨和清理，去除油污、铁锈、氧化皮及其它杂物；③、室内施工时，焊接前不预热；在野外施工或环境温度低于0℃的情况下，预热到50℃～100℃；④、焊接过程中控制热输入范围，板厚小于等于20mm时，热输入控制在12kJ/cm～21kJ/cm；板厚超过20mm的，热输入控制15kJ/cm～45kJ/cm；⑤、采用多层多道焊接工艺，道间温度不超过150℃；⑥、取消消除应力处理和焊后热处理。2.根据权利要求1所述的输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，其特征在于焊接工艺选择焊条电弧焊时，具体工艺参数如下①、板厚16.544mm，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边02mm，间隙23mm5②、焊接焊条直径小3.2mm和小4.Omm;③、具体焊接工艺参数当直径小3.2mm时，焊接电流100120A，焊接电压2024V，焊接速度100160mm/min，线能量1820KJ/cm;当直径小4.Omm时，焊接电流140170A，焊接电压2026V，焊接速度100150mm/min，线能量2030KJ/cm;、层间温度150200°C;⑤、预热温度1(TC以上不预热；⑥、消除应力热处理取消处理。3.根据权利要求1所述的输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，其特征在于焊接工艺选择C02气体保护焊时，具体工艺参数如下①、板厚16.544mm，采用单面V型坡口，坡口角度为60°，钝边3mm，间隙3mm;②、焊接材料JM-60实芯焊丝，直径小1.2mm;③、具体焊接工艺参数根部焊接电流90IIOA，焊接电压1922V，焊接速度95140mm/min;±真充焊接电流100200A，焊接电压1922V，焊接速度98180mm/min;盖面焊接电流焊接电流150200A，焊接电压1922V，焊接速度152180mm/min;、线能量1824KJ/cm，层间温度150200°C;⑤、预热温度1(TC以上不预热；⑥、消除应力热处理取消处理。4.根据权利要求3所述的输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，其特征在于焊接工艺选择C02气体保护焊时，如C02气体含有水分过多，应进行干燥处理。全文摘要本发明公开了一种输电铁塔用新型Q460钢的焊接工艺方法，其具体工艺参数如下①焊接选用J607焊条或JM-60实心焊丝；②根据板厚选择合适的坡口形式；③室内施工时，焊接前不预热；在野外施工或环境温度低于0℃的情况下，预热到50℃～100℃；④焊接过程中控制热输入范围，板厚小于等于20mm时，热输入控制在12kJ/cm～21kJ/cm；板厚超过20mm的，热输入控制15kJ/cm～45kJ/cm；⑤采用多层多道焊接工艺，道间温度不超过150℃；⑥取消消除应力处理和焊后热处理。本发明Q460钢的焊接工艺方法，可保证Q460高强钢在特高压输电设备中的成功应用，提高了我国输电领域的科技水平，对于加快我国特高压电网的建设具有重要现实意义。文档编号B23K9/235GK101700600SQ200910172638公开日2010年5月5日申请日期2009年11月19日优先权日2009年11月19日发明者乔学建,于满红,何占利,周志强,夏跃广,孙建华,孙松涛,常建伟,张新伟,李中六,熊建坤,王学,邱明林,郑凯,郭美华,金新宇,陈东旭,黄关政,黄杰申请人:河南第一火电建设公司