海工船舶厚板Y型坡口不清根高效焊接新技術(shù)

盛 凱， 劉長虹， 郭云飛， 包 孔， 李 政

(1.上海振華重工集團股份有限公司, 上海 200125； 2.上海交通大學(xué), 上海 200125；3.上海海工裝備高效智能焊接技術(shù)研究中心, 上海 200125)

海工船舶厚板Y型坡口不清根高效焊接新技術(shù)

盛 凱1， 劉長虹2， 郭云飛3， 包 孔3， 李 政1

(1.上海振華重工集團股份有限公司, 上海 200125； 2.上海交通大學(xué), 上海 200125；3.上海海工裝備高效智能焊接技術(shù)研究中心, 上海 200125)

針對傳統(tǒng)的厚板V型坡口清根焊接技術(shù)，本文提出了Y型坡口不清根高效焊接新技術(shù)。通過對焊接接頭的宏觀金相分析得出了Y型坡口焊接可采用的最大鈍邊尺寸以及所適用的焊接規(guī)范，并將此技術(shù)應(yīng)用于海工船舶厚板對接拼焊中，相對傳統(tǒng)的V型坡口焊接技術(shù)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保價值。

厚板 不清根焊接Y型坡口

1 前言

厚板對接拼焊是海工船舶制造的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的厚板焊接方法一般采用開V型(或X型)坡口，正面焊接、背面碳刨清根的工藝進行焊接[1]，其生產(chǎn)效率低下，耗能高，環(huán)境污染嚴重，而且焊縫金屬填充量大，焊接成本高，因此急需發(fā)展高效的厚板不清根焊接新方法。

上海振華重工集團股份有限公司的張華軍[2]等人通過研究傳統(tǒng)埋弧不清根焊接產(chǎn)生缺陷的原因，提出了新型的I型坡口焊接方法，即通過GMAW打底后再進行正面和背面的埋弧焊接。但是當板厚尺寸進一步增大，單純通過提高埋弧焊電流已不能實現(xiàn)正反面焊縫金屬之間的良好熔合。因此，亟待發(fā)展適用于更大板厚的不清根焊接技術(shù)。

為此，本文提出了厚板Y型坡口不清根焊接技術(shù)，并通過試驗確定了Y型坡口焊接可采用的最大鈍邊尺寸及焊接參數(shù)。

2 試驗規(guī)劃和過程

2.1 厚板Y型坡口焊接方法簡介

厚板Y型坡口不清根焊接首先采用實心焊絲氣體保護焊打底，然后正面第二道焊縫采用小電流埋弧焊接，正面焊接完成后翻身，背面不碳刨清根，直接采用大電流埋弧焊接。焊接流程如圖1所示。

圖1 Y型坡口焊接流程圖

2.2 焊接設(shè)備和材料

焊接設(shè)備如圖2所示，其中氣體保護焊采用某廠生產(chǎn)的型號為YD-500CL的晶閘管控制MAG焊機，埋弧焊采用某廠生產(chǎn)的型號為ZD5-1250B的晶閘管控制直流弧焊機。

圖2 焊接設(shè)備圖

試板規(guī)格為20 mm×200 mm×1 000 mm，材質(zhì)為A709-50-2，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。根據(jù)等強匹配的原則[3]，GMAW選用牌號為ER50-6、直徑為Ф1.2 mm的實心焊絲，SAW選用牌號為EH14、直徑為Ф4.0 mm的實心焊絲，SAW焊劑牌號為CHF101。

表1 A709-50-2化學(xué)成分 單位：(%)

表2 A709-50-2力學(xué)性能

2.3 試驗方案與實施

為了實現(xiàn)背面不碳刨清根，Y型坡口焊接正面第1道(GMAW)和第2道焊縫(SAW)需采用較小的焊接規(guī)范，以免焊穿打底焊道，破壞了焊接接頭背面的坡口形狀。

參照I型坡口不清根焊接參數(shù)[2,4]，Y型坡口焊接正面第1道焊縫采用200 A小電流進行實心焊絲氣保焊打底，正面第2道焊縫采用500 A小電流埋弧焊。

由于Y型坡口的鈍邊尺寸較大，為了保證正面和背面焊縫金屬在根部熔合良好，背面需要采用較大的SAW電流值。綜合考慮埋弧焊機的載荷范圍以及熱輸入對焊接接頭沖擊韌性的影響，背面SAW電流值確定為750 A。

具體的試驗方案和焊接參數(shù)如表3和表4所示，試板裝配如圖3所示。其中T是板厚，f是鈍邊尺寸，R是根部間隙，a是坡口角度。表3中“試板編號Y6J1”表示Y型坡口的鈍邊尺寸f為6 mm，根部間隙R為1 mm。

表3 Y型坡口焊接試驗組數(shù)

表4 焊接參數(shù)表

圖3 試板裝配圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 焊縫厚度

為了確定Y型坡口正面焊道的焊接規(guī)范，對正面前兩道焊縫金屬的厚度進行了分析。GMAW(正1)焊厚和GMAW(正1)+SAW(正2)焊厚示意圖如圖4所示。

圖4 GMAW(正1) 焊厚T1和GMAW(正1)+SAW(正2)焊厚T2示意圖

如圖5中所示，GMAW(正1)焊縫金屬厚度T1約為6 mm。GMAW(正1)+SAW(正2)的焊縫金屬厚度T2約為10 mm。

圖5 焊縫厚度

根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊春利教授主編的《電弧焊基礎(chǔ)》[5]中第七章公式(7.5)可知：

其中：P為熔深；K為焊劑確定的系數(shù)，通常取0.04；I為電流；U為電弧電壓；v為焊接速度。

根據(jù)公式(1)可知，當電流值I為645 A時，熔深P=6 mm；當電流值I為945 A時，熔深P=10 mm。

由以上分析可知：

(1) 由于GMAW打底焊縫厚度約為6 mm，根據(jù)埋弧焊參數(shù)與熔深的關(guān)系，正面第2道焊縫(SAW)采用500 A的電流值不會將打底GMAW焊道焊穿。

(2) 由于前兩道焊縫金屬厚度為10 mm，正面第3～n道焊縫(SAW)采用550 A～650 A的常規(guī)SAW電流值進行焊接，不會導(dǎo)致正面埋弧焊焊穿。

3.2 焊縫熔深

為了研究焊縫金屬根部熔合效果，對不同鈍邊尺寸下Y型坡口焊縫熔深進行了分析，正面熔深和背面熔深示意圖如圖6所示。

圖6 正面熔深H1及背面熔深H2示意圖

如圖7所示，當鈍邊尺寸為6 mm和8 mm時，背面熔深(H2)明顯大于鈍邊尺寸，兩面熔深之和(H1+H2)遠遠大于板厚20 mm；當鈍邊尺寸為10 mm時，背面熔深與鈍邊尺寸相當，兩面熔深之和處于20 mm臨界。

圖7 焊縫熔深

焊縫金屬宏觀金相如圖8所示，當鈍邊尺寸為6 mm和8 mm時，正面焊縫金屬和背面焊縫金屬在根部熔合良好。當鈍邊尺寸為10 mm時，正面焊縫金屬與背面焊縫金屬熔合不良。

圖8 不同鈍邊尺寸下焊縫金屬宏觀金相

通過對焊縫金屬熔深和宏觀金相的分析可知：

(1) 當鈍邊尺寸為6 mm和8 mm時，背面750 A電流能夠?qū)⑩g邊熔透，并且焊縫金屬在根部熔合良好；

(2) 當鈍邊尺寸為10 mm時，背面750 A電流不能夠?qū)⑩g邊熔透，焊縫金屬根部熔合不良。

綜合上述對試驗結(jié)果的分析可知，Y型坡口焊接可采用的最大鈍邊尺寸為8 mm，其所對應(yīng)的焊接參數(shù)如表4所示。

4 經(jīng)濟效益分析

與傳統(tǒng)的V型坡口清根焊接相比，厚板Y型坡口不清根焊接由于鈍邊尺寸較大，焊縫金屬填充量明顯減少，如圖9所示。

圖9 焊縫金屬填充量

為了簡化焊接計算，忽略背面埋弧焊和碳刨清根的影響，如圖9(a)所示Y型坡口焊縫金屬填充量：

如圖9(b)所示V型坡口焊縫金屬填充量為

由式(2)和式(3)可知Y型坡口與V型坡口相比焊縫金屬填充量減少：

焊縫金屬填充量減少百分比為

式中：T代表板厚；a代表坡口角度；f代表鈍邊尺寸。

當根部間隙R=0 mm時，公式(5)可簡化為

Y型坡口可采用的最大鈍邊尺寸f=8 mm，以港口機械常用的20 mm和26 mm鋼板為例，代入式(6)中可求得焊縫金屬填充量減少百分比分別為64%和52%。

由此可知，與V型坡口焊接對比，Y型坡口焊接明顯減少了焊縫金屬填充量，有效提高了生產(chǎn)效率，降低了材料和人工成本。此外，由于Y型坡口焊接新技術(shù)不需要碳刨清根，減少了材料浪費和對環(huán)境污染，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)保價值。

5 結(jié)論

(1) 本文提出了應(yīng)用于海工船舶拼板的厚板Y型坡口不清根高效焊接新技術(shù)。通過對焊接接頭的宏觀金相分析得出，Y型坡口焊接可采用的最大鈍邊尺寸為8 mm，正面第一道焊縫采用200 A小電流實心焊絲氣保焊打底，正面第二道焊縫采用500 A小電流埋弧焊接，正面其他焊道采用550 A～650 A常規(guī)埋弧焊電流焊接，正面焊接完成后翻身，背面不需要碳刨清根，直接采用750 A大電流埋弧焊接。

(2) 與傳統(tǒng)V型坡口焊接技術(shù)相比，Y型坡口不清根高效焊接技術(shù)有效節(jié)約了焊接材料，提高了生產(chǎn)效率，經(jīng)濟效益顯著。以厚度為26 mm的鋼板為例，與V型坡口焊接相比，Y型坡口焊接焊縫金屬填充量減少50%以上。

(3)Y型坡口焊接不需要碳刨清根，減少了材料浪費和環(huán)境污染，降低了工人的勞動強度，具有良好的環(huán)保價值和社會效益。

[1] 張永達，孫成文，于小虎等. 船舶高效焊接工藝及存在的問題[J]. 造船技術(shù)，2009,10:32-35.

[2] 黃紅雨，杜渝，張華軍等. 港口機械箱梁I型坡口大間隙不清根焊接新技術(shù)[J]. 起重運輸機械，2013,5:70-72.

[3] 美國焊接協(xié)會AWS D1結(jié)構(gòu)焊接委員會. 美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

[4] 杜渝，包孔，吳世品等. 工程船舶拼板I型坡口焊接缺陷產(chǎn)生原因探究[J]. 造船技術(shù)，2013,4:43-45.

[5] 楊春利，林三寶. 電弧焊基礎(chǔ)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

Thick Plate Y-groove High Efficient New Welding Technology without Back Gouging used in Marine Vessels

SHENG Kai1, LIU Chang-hong2, GUO Yun-fei3, BAO Kong3, LI Zhen1

(1.Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co.,Ltd., Shanghai 200125， China;2.Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200125， China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Marine Equipment Intelligent Welding, Shanghai 200125 ， China)

For the traditional V-groove plate gouging welding technology, this paper presents a Y-groove high efficient welding technology without back gouging. Through macro metallographic analysis of welded joints, the biggest blunt edge size and the applicable norms of Y groove welding are obtained. And the technology used in marine vessels butt welding of thick plate, compared to traditional V-groove welding technology, results in significant economic and environmental value.

Thick plate Welding without back gouging Y-groove

盛 凱(1986-)，男，助理工程師。

U671

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