一种Q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊的终端裂纹预防工艺的制作方法

本发明涉及高强度钢厚板焊接工艺，具体涉及一种q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊的终端裂纹预防工艺。

背景技术：

随着桥梁、隧道等建筑的技术指标、寿命要求的提高，其承力的钢筋混凝土结构已经逐渐被高强度结构钢的设计结构所替代，设计采用的钢材也在朝着高强度大厚度方向发展。q420是一种屈服强度级别大于等于420mpa的低合金高强度结构钢，已经被应用于桥梁建筑的钢箱梁结构、桁架结构，隧道建筑的钢壳结构等。

焊剂铜衬垫法埋弧焊，简称fcb埋弧焊，为单面焊双面成形埋弧焊技术，焊接过程采用双丝或三丝进行焊接，钢板坡口背面设置铜衬垫和背面焊剂，能够对背面焊缝强制成形并且保护焊缝背面，钢板坡口表面铺撒表面焊剂，保护焊接电弧和表面焊缝。该焊接工艺具有较高的焊接热输入和焊接速度，通常配置于平面分段流水线的拼板工位，可提高拼板焊接效率。

然而，fcb埋弧焊为大热输入的焊接技术，焊接至终端时，钢板终端发生回转变形而张开，将刚刚凝固的还处在脆弱状态的焊缝金属拉裂，形成终端裂纹。目前解决方案通常采用终端阶梯式拘束焊缝法对终端进行强制约束，避免焊接过程中终端发生变形，虽然可以避免终端裂纹，但是拘束焊缝位置通常无法焊透，焊后需要对终端背面进行修补，增加焊接工作量。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊的终端裂纹预防工艺，能够有效预防终端焊接裂纹问题，减少焊后焊缝终端裂纹返修工作量。

本发明的技术方案是这样实现的：一种q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊的终端裂纹预防工艺，包括以下步骤：

步骤1，钢板的焊接处加工y型焊接坡口，其中钢板厚度不同，y型焊接坡口的相应参数不同，具体为

厚度10mm≤t＜17mm的钢板，开口角度为57°-63°，钝边为2-4mm，根部间隙0-1mm；

厚度17mm≤t＜23mm的钢板，开口角度为47°-53°、钝边为2-4mm，根部间隙0-1mm；

厚度23mm≤t＜31mm的钢板，开口角度为42°-48°，钝边为4-6mm，根部间隙0-1mm；

厚度31mm≤t≤40mm的钢板，开口角度为42°-48°，钝边为5-7mm，根部间隙0-1mm；

加工好y型焊接坡口后，对y型焊接坡口面及y型焊接坡口周围20mm范围内的氧化层及杂质进行清理；

步骤2，对钢板的待焊坡口进行装配，然后通过半自动式co2气体保护焊方式在y型焊接坡口的正面实施定位焊接，其中定位焊缝的厚度为4-5mm；

步骤3，制备引弧板和熄弧板，并通过气刨方式分别在引弧板、熄弧板的宽度中心线上沿着其长度方向从中心向一侧边缘刨出一条长150-200mm的气刨槽；其中，引弧板、熄弧板与焊接板材的材质、厚度、坡口尺寸、钝边及根部间隙相同；

步骤4，将引弧板、熄弧板的气刨槽对中钢板的y型焊接坡口进行装配，确保引、熄弧板与钢板平齐后，再采用半自动式co2气体保护焊将引弧板、熄弧板安装在焊接坡口两端；

步骤5，采用半自动式co2气体保护焊方式对y型焊接坡口始端200-250mm、y型焊接坡口终端450-500mm实施打底焊接，其中打底焊道厚度控制在4-5mm；

步骤6，采用直径规格为4.8mm且牌号为神钢us-36ls的药芯焊丝作为第一电极焊丝、直径规格为4.8mm且牌号为神钢us-36t的药芯焊丝作为第二电极焊丝、直径规格为6.4mm且牌号为神钢us-36t的药芯焊丝作为第三电极焊丝，搭配牌号为神钢pf-i55e的表面焊剂、牌号为神钢pf-i50r的背面焊剂实施fcb埋弧焊接；

步骤7，对终端梯形区域进行加热，确保焊接机头焊接该区域前该区域的温度达到600-650℃，然后对终端梯形区域进行焊接；

步骤8，焊接结束待焊缝冷却后，切除焊缝两端引弧板、熄弧板。

采用火焰切割或等离子切割方式切除焊缝两端引熄弧板。

进一步的，步骤2、步骤4及步骤5中，进行焊接时，所采用的药芯焊丝满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求。

进一步的，步骤2、步骤4及步骤5中，进行焊接时，所采用的药芯焊丝为天泰twe-81k2药芯焊丝。

进一步的，步骤8中，采用火焰切割或等离子切割方式进行切除。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过严格控制焊接坡口参数，严格进行钢板装配和清理，并且采用合适的焊接材料进行焊接，焊接至终端前对终端进行加热，从而增加了焊缝金属抗裂性能，同时减少终端发生回转变形，可有效预防终端裂纹的产生。

本发明能够降低q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊焊接过程终端裂纹的产生率，同时能够确保钢板终端位置能够焊透，同时减少终端焊接裂纹、未焊透缺陷的返修量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为q420高强度钢的焊接坡口结构示意图；

图2为q420高强度钢焊接前的装配图；

图3为q420高强度钢的焊前加热区域结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了一种q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊的终端裂纹预防工艺，主要应用于厚度10mm≤t＜17mm的q420高强度钢，包括以下步骤：

步骤1，在钢板的焊接处加工y型焊接坡口，具体参见如图1，其中y型焊接坡口的开口角度为57°-63°，钝边为2-4mm，根部间隙0-1mm；加工好y型焊接坡口后，对y型焊接坡口面及y型焊接坡口周围20mm范围内的氧化层及杂质进行清理；

本发明中，坡口参数的设定主要关系到焊接热输入、焊缝成形效果。根据本实施例中的板厚正确匹配坡口参数，间接控制了焊接热输入和焊缝成形效果。

终端裂纹为焊接热裂纹，焊接热输入过大，焊接热裂纹敏感性越大，但是焊接热输入也不是越小越好，因为过小的焊接热输入容易形成未焊透和未熔合的焊接缺陷。因此，本发明中根据板厚合理设计坡口参数，能够间接控制焊接热输入，起到一定的裂纹预防作用。

由于薄板焊接热输入较小，角度大、钝边小的坡口能够更好地确保其背面成形。随着板厚的增加，焊接热输入也随之增加，为了避免烧穿，同时防止焊接热输入过大而增大焊接热裂纹敏感性，可适当减小焊接坡口角度，增加坡口钝边尺寸。因此，薄板采用大角度、小钝边的坡口设计，厚板采用小角度、大钝边的坡口设计。

步骤2，如图2所示，对钢板的待焊坡口进行装配，然后通过半自动式co2气体保护焊方式在y型焊接坡口的正面实施定位焊接，其中定位焊缝的厚度为4-5mm；

其中，在进行定位焊缝的焊接时，所采用的药芯焊丝满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求，以提高定位焊缝的抗裂性。

具体的，步骤2中，所采用的焊丝为天泰twe-81k2的药芯焊丝。当然，本发明所采用的焊接材料并不限于天泰twe-81k2的药芯焊丝，可根据需求具体选择，只要满足焊接材料满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求即可。

本实施例中，若定位焊厚度过小，会降低定位焊缝的拘束作用，而该焊接工艺焊接热输入较大，焊接过程焊接位置的定位焊缝熔化时，若其前方定位焊缝提供不了足够的拘束作用就会开裂导致钢板变形，变形累积至终端后，不利于终端裂纹的控制。而若定位焊厚度过大，一方面削弱电弧熔透能力，导致定位焊位置背面焊道过窄，甚至出现未焊透缺陷，影响背面成形，另一方面影响焊接机头前导轮的正常运行，影响焊接稳定性。

步骤3，制备引弧板和熄弧板，并通过气刨方式分别在引弧板、熄弧板的宽度中心线上沿着其长度方向从中心向一侧边缘刨出一条长150-200mm的气刨槽；其中，引弧板、熄弧板与焊接板材的材质、厚度、坡口尺寸、钝边及根部间隙相同；

本发明实施方式中，在引熄弧板上开气刨槽，使待焊钢板焊接坡口与引熄弧板气刨槽在深度上能够平缓过渡，避免焊接电弧从引弧板至坡口始端、坡口终端至熄弧板的过程中电弧发生突变，影响焊接稳定性。

其中，焊接板材的长、宽、厚分别为15000mm、3500mm、14mm，引弧板、熄弧板的长可为300mm，宽为250mm，并且引弧板、熄弧板也均为q420高强度钢厚板，其厚度、坡口尺寸均与本发明实施方式中的焊接板材相同，能够有效保证正式焊缝焊接过程的稳定性，避免在正式焊缝始端和终端形成焊接缺陷。

步骤4，如图2所示，将引弧板、熄弧板的气刨槽对中钢板的y型焊接坡口进行装配，确保引、熄弧板与钢板平齐后，再采用半自动式co2气体保护焊将引弧板、熄弧板安装在焊接坡口两端；

其中，步骤3中，所采用的药芯焊丝同样需要满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求，以提高定位焊缝的抗裂性。具体的，本步骤中，所采用的焊丝为天泰twe-81k2的药芯焊丝。同样的，本发明所采用的焊接材料并不限于天泰twe-81k2的药芯焊丝，可根据需求具体选择，只要满足焊接材料满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求即可。

步骤5，采用半自动式co2气体保护焊方式对y型焊接坡口始端200-250mm、y型焊接坡口终端450-500mm实施打底焊接，其中打底焊道厚度控制在4-5mm；

本实施例中，打底焊缝的作用于类似于定位焊缝，但是其要求更严格，要求其具有更大的拘束作用，因为在焊接过程中钢板终端发生回转变形的趋势最大，其次是钢板始端。但是由于焊缝高度过大会影响电弧熔透能力和机头导轮的正常运行，所以只能在增加焊缝的长度来提高其拘束作用，将钢板始端和终端的定位焊缝改变为打底焊缝，而且钢板终端的打底焊缝比钢板始端的要求更长。

其中，步骤5中，所采用的药芯焊丝满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求，以提高定位焊缝的抗裂性。具体的，步骤4中，所采用的焊丝为天泰twe-81k2的药芯焊丝。同样的，本步骤所采用的焊接材料并不限于天泰twe-81k2的药芯焊丝，可根据需求具体选择，只要满足焊接材料满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求即可。

步骤6，采用直径规格为4.8mm且牌号为神钢us-36ls的药芯焊丝作为第一电极焊丝、直径规格为4.8mm且牌号为神钢us-36t的药芯焊丝作为第二电极焊丝、直径规格为6.4mm且牌号为神钢us-36t的药芯焊丝作为第三电极焊丝，搭配牌号为神钢pf-i55e的表面焊剂、牌号为神钢pf-i50r的背面焊剂实施fcb埋弧焊接；

本实施例中，采用牌号为神钢us-36ls、us-36t、us-36t的焊丝，匹配表面焊剂pf-i55e、背面焊剂pf-i50r，使焊缝熔敷金属具有低的碳含量，同时具有较高的mn、mo等合金元素含量，能够确保焊缝金属的高温塑性，使焊缝金属具有更好的抵抗热裂纹的能力。

步骤7，如图3所示，采用火炬对终端梯形区域进行加热，确保焊接机头焊接该区域前该区域的温度达到600-650℃，然后对终端梯形区域进行焊接；

其中，在正式焊缝焊接至终端之前，对终端梯形区域进行加热，加热至600-650℃，能够有效缓和钢板终端内部应力造成的回转变形，避免焊接接头焊接至钢板终端时发生大的回转变形而形成焊接裂纹。

当然，钢板终端加热过程需要掌控好加热时间，确保焊接机头焊接至加热位置之前，终端区域的加热工作能够按要求完成，确保焊接机头能够按照预定条件完成钢板终端焊接。

步骤8，焊接结束待焊缝冷却后，切除焊缝两端引弧板、熄弧板。

具体的，采用火焰切割或等离子切割方式切除焊缝两端引引弧板、熄弧板。

实施例2

本实施例公开了一种q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊的终端裂纹预防工艺，主要应用于厚度17mm≤t＜23mm的q420高强度钢，具体包括以下步骤：

步骤1，步骤1，在钢板的焊接处加工y型焊接坡口，具体参见如图1，其中y型焊接坡口的开口角度为47°-53°，钝边为2-4mm，根部间隙0-1mm；加工好y型焊接坡口后，对y型焊接坡口面及y型焊接坡口周围20mm范围内的氧化层及杂质进行清理；

步骤2～步骤8与实施例1的相同，这里就不再赘述。

其中，开口角度、钝边尺寸的设计思路与q420高强度钢厚度的联系，具体参见实施例1中的说明，这里不再赘述。

实施例3

本实施例公开了一种q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊的终端裂纹预防工艺，主要应用于厚度23mm≤t＜31mm的q420高强度钢，具体包括以下步骤：

步骤1，步骤1，在钢板的焊接处加工y型焊接坡口，具体参见如图1，其中y型焊接坡口的开口角度为42°-48°，钝边为4-6mm，根部间隙0-1mm；加工好y型焊接坡口后，对y型焊接坡口面及y型焊接坡口周围20mm范围内的氧化层及杂质进行清理；

步骤2～步骤8与实施例1的相同，这里就不再赘述。

其中，开口角度、钝边尺寸的设计思路与q420高强度钢厚度的联系，具体参见实施例1中的说明，这里不再赘述。

实施例4

本实施例公开了一种q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊的终端裂纹预防工艺，主要应用于厚度31mm≤t≤40mm的q420高强度钢，具体包括以下步骤：

步骤1，步骤1，在钢板的焊接处加工y型焊接坡口，具体参见如图1，其中y型焊接坡口的开口角度为47°-53°，钝边为5-7mm，根部间隙0-1mm；加工好y型焊接坡口后，对y型焊接坡口面及y型焊接坡口周围20mm范围内的氧化层及杂质进行清理；

步骤2～步骤8与实施例1的相同，这里就不再赘述。

其中，开口角度、钝边尺寸设计思路与q420高强度钢厚度的联系，具体参见实施例1中的说明，这里不再赘述。

综上所述，本发明根据不同厚度的q420高强度钢，严格控制焊接坡口参数，并严格进行钢板装配和清理，并且采用合适的焊接材料进行焊接，焊接至终端前对终端进行加热，从而增加了焊缝金属抗裂性能，同时减少终端发生回转变形，可有效降低终端裂纹的产生。

本发明能够降低q420高强度钢焊剂铜衬垫法埋弧焊焊接过程终端裂纹的产生率，同时能够确保终端位置能够焊透，减少终端焊接裂纹、未焊透缺陷的返修量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。