厚板單面埋弧焊組合坡口焊接試驗(yàn)及應(yīng)用

■ 劉鄭培，賴衛(wèi)國(guó)，馬金軍，李豹

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1. 概述

在船舶制造行業(yè)中平直厚板對(duì)接焊接時(shí)主要采用FCB（焊劑銅襯墊埋弧自動(dòng)單面焊）或雙面埋弧焊，但是以上兩種焊接方法在超大型船舶平直厚板的對(duì)接焊時(shí)有一定的局限性。其中，國(guó)內(nèi)部分船廠因?yàn)樵O(shè)備原因FCB只能焊接36mm厚度以下的鋼板，焊接超過(guò)36mm厚度的鋼板時(shí)容易出現(xiàn)未熔透、背面成形不均等質(zhì)量缺陷。雙面埋弧焊雖然可焊接鋼板厚度范圍較廣，但在厚板焊接方面存在不足，如需要對(duì)板件時(shí)翻身作業(yè)，嚴(yán)重依賴翻身起重設(shè)備；厚板焊接時(shí)，焊接的層數(shù)較多，不但焊接效率低還容易出現(xiàn)焊接變形、夾渣等質(zhì)量缺陷。

因此本文對(duì)厚板在FCB焊接的基礎(chǔ)上對(duì)坡口進(jìn)行改進(jìn)，提出采用組合焊接方法來(lái)提高背面成形質(zhì)量及彌補(bǔ)雙面拼板的不足。

圖1 改進(jìn)前坡口

圖2 改進(jìn)后的坡口

表1 板厚及坡口尺寸

2. 初步分析

（1）坡口改進(jìn) 以39mm板為例，原有坡口如圖1所示，如果采用原有一次焊接正反面成形的方法，則可能存在背面未焊透或者正面未焊滿的缺陷。但如果按照?qǐng)D1坡口采用多道焊，即采用FCB先進(jìn)行焊接，未填滿的部分采用埋弧焊方法進(jìn)行蓋面，則可能會(huì)因?yàn)槠驴谳^小，深寬比較大，產(chǎn)生“梨形”裂紋。因此為了減小深寬比，將圖1中坡口切割成圖2中的底部坡口及表面坡口，底部坡口角度不變，表面坡口選擇80°、100°、120°、150°進(jìn)行試驗(yàn)，坡口及其他裝配條件如表1所示，焊接仍然采用FCB打底焊接、埋弧焊填充蓋面的方式。

試驗(yàn)結(jié)果表明，表面坡口為80°和100°UT探傷存在缺陷，120°及150°探傷合格，考慮表面坡口越大、填充蓋面焊接量越大，對(duì)比后選擇表面坡口為120°的方案。

（2）蓋面焊接方法 蓋面方法一般采用埋弧焊進(jìn)行，為了減少層道數(shù)，則采用雙絲埋弧焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單絲埋弧焊進(jìn)行焊接。FCB打底焊接后，中心最后凝固也是兩側(cè)柱狀晶最后結(jié)合的位置，因此重新對(duì)局部焊縫中心進(jìn)行重熔。填充焊接時(shí)，先對(duì)準(zhǔn)第一道FCB焊的中心進(jìn)行焊接，利用雙絲埋弧焊的大熔深形成新的結(jié)晶方向，減少焊縫中心出現(xiàn)缺陷的概率，如圖3所示。

3. 工藝評(píng)定試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)材料 本試驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)某鋼鐵廠生產(chǎn)的DH36鋼，厚度為39mm，TMCP交貨狀態(tài)，碳當(dāng)量0.35%；FCB焊接材料采用新日鐵公司生產(chǎn)的焊絲（Y-DL）及焊劑（表面焊劑：NSH-50M，背面焊劑：NSH-1RM），雙絲埋弧焊焊材采用現(xiàn)代公司生產(chǎn)的焊絲（H-14）及焊劑（S-707T）。

（2）試驗(yàn)參數(shù) FCB焊接采用三絲埋弧焊，第1、2、3根絲分別表示前絲、中絲及后絲；雙絲埋弧焊第1及第2根絲分別表示前絲及后絲，焊接參數(shù)如表2所示，焊道布置如圖4所示。FCB焊接熱輸入量為212kJ/cm，與常規(guī)39mm板厚一次焊接成形的熱輸入量260～270kJ/cm相比有所下降。

圖3 雙絲埋弧焊填充第一道焊縫焊絲位置

表2 焊接參數(shù)

（3）試驗(yàn)結(jié)果 試驗(yàn)后按照《CCS材料與焊接規(guī)范》對(duì)接頭進(jìn)行橫向拉伸、側(cè)向彎曲、沖擊韌性試驗(yàn)及宏觀金相試驗(yàn)。2個(gè)橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果分別為524MPa和534MPa；4個(gè)側(cè)向彎曲試驗(yàn)無(wú)任何開(kāi)裂；焊縫中心沖擊試驗(yàn)的位置按照?qǐng)D5所示進(jìn)行，從表面往根部分別代表雙絲埋弧焊、FCB焊縫表面、FCB焊縫根部的沖擊，相應(yīng)熔合線及熱影響區(qū)的沖擊分別按規(guī)范要求位置進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。按照規(guī)范要求，沖擊平均值不低于34J，本次試驗(yàn)所有位置的沖擊值都大于此要求。宏觀金相圖未見(jiàn)任何肉眼可見(jiàn)的缺陷（見(jiàn)圖6）。

圖4 焊道布置

圖5 沖擊位置

表3 焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌性

圖6 宏觀金相

4. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)以上分析及工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，工藝方案能夠滿足接頭性能，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用的板厚及材質(zhì)與試驗(yàn)相同。FCB打底焊接完成后的正面如圖7所示，厚度約為35mm；背面成形均勻滿足質(zhì)量要求，如圖8所示。再采用雙絲埋弧焊進(jìn)行填充蓋面，整體焊縫均勻美觀。探傷檢查在焊接48h后進(jìn)行，先后采用超聲波和磁粉進(jìn)行焊縫內(nèi)在、表面及近表面質(zhì)量檢查，均未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

圖7 FCB焊接后正面

圖8 FCB焊接后背面

5. 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)在基于我公司現(xiàn)有焊接設(shè)備不做改變的條件下，提高了FCB在厚板的應(yīng)用范圍及利用率，并將厚板對(duì)接焊的熱輸入量限制在一定范圍以內(nèi)，從而降低了對(duì)于設(shè)備、材料的選擇要求，接頭力學(xué)性能也能達(dá)到要求，為厚板的單面埋弧焊提供了一個(gè)有效的解決方案。