基于T形焊接接頭的埋弧焊橫焊工藝開(kāi)發(fā)

孔慶勇

摘? 要：針對(duì)橫焊位置，無(wú)間隙組對(duì)，全焊透T形接頭，開(kāi)發(fā)了埋弧焊（SAW）橫焊工藝。埋弧焊橫焊焊接嚴(yán)格控制坡口形式以及焊縫每層每道的焊槍角度，使焊縫背面無(wú)需進(jìn)行清根就能夠達(dá)到全焊透合格的焊縫。埋弧焊橫焊工藝代替了焊條電弧焊（SMAW），減少了背面碳弧氣刨清根和清根后打磨工序，不僅提升了焊接效率，而且使焊件變形得到控制，保證了焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：T形接頭? 全焊透? 埋弧焊? 橫焊? 焊接變形

中圖分類號(hào)：TG457.11 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）01（a）-0051-04

Abstract： A submerged arc welding （SAW） process was developed for full penetration T-joint with transverse welding position and no-gap fitting-up. The groove type and the torch angle for each layer of the weld are strictly controlled in the process; A qualified full penetration weld seam can be achieved without back gouging. The Submerged arc welding （SAW） technology developed can be applied to replaces typical shielded metal arc welding （SMAW）， and the carbon arc air back gouging and grinding process are reduced accordingly， leading to improved welding efficiency and ensured welding quality with welding deformation under control.

Key Words： T-joint; Full penetration; Submerged Arc Welding; Transverse Welding; Welding Deformation

公司某產(chǎn)品其中的一個(gè)大型組件為T(mén)形接頭，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組裝順序關(guān)系，翼板與腹板的焊接位于橫焊位置，組對(duì)不留間隙，要求全焊透，并且要求嚴(yán)格控制變形，控制收縮余量。其中翼板40mm，腹板25mm，材質(zhì)為Q345B，焊腳高要求不低于13mm（如圖1所示接頭形式）。

1? 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)過(guò)程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了3種方案，并進(jìn)行模擬試板焊接進(jìn)行比較，最終開(kāi)發(fā)出合適的埋弧焊橫焊工藝。

方案一：T形接頭設(shè)計(jì)為K形對(duì)稱坡口，采用SMAW不清根焊接。

焊后切取試樣宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)中間3～5mm未焊透，存在夾渣（見(jiàn)圖2）。

方案二：T形接頭設(shè)計(jì)為K形不對(duì)稱坡口，采用SMAW背面清根焊接。

由于無(wú)間隙組對(duì)，打底層熔深淺，并且?jiàn)A渣嚴(yán)重，為了能焊透，在單面打底焊后，背面進(jìn)行碳弧氣刨清根。清根時(shí)發(fā)現(xiàn)必須氣刨得非常深才能徹底清除缺陷，由圖3、圖4中可看出，腹板母材也被刨削掉一部分，刨槽深而寬，并且砂輪打磨困難，后續(xù)焊縫填充金屬增加，焊后焊縫收縮引起的變形增大。

方案二中，盡管采取了多層多道和分段焊接的措施控制焊接變形，但是為了達(dá)到焊透，必須增大焊接坡口或者深清根，伴隨焊縫填充金屬的增加，焊縫收縮引起角變形越大。

方案三：開(kāi)發(fā)T形接頭埋弧焊橫焊工藝。

埋弧焊是以焊絲與焊件之間形成的電弧作為熱源，以覆蓋在電弧周?chē)念w粒狀焊劑及熔渣作為保護(hù)介質(zhì)，而實(shí)現(xiàn)的一種焊接方法。埋弧焊焊劑及熔化后形成的熔渣，起著隔絕空氣，使焊縫金屬免受大氣污染的作用，同時(shí)也具有改善焊縫性能的作用。埋弧焊熔池不可見(jiàn)，加之一般只適合平焊位置焊接，使其應(yīng)用范圍受到了限制。所以T形接頭埋弧焊橫焊工藝必須解決熔渣的橫向排出，以及熔化金屬和焊劑側(cè)向流淌的難題。對(duì)此我們對(duì)普通的埋弧焊機(jī)導(dǎo)電桿進(jìn)行改進(jìn)，見(jiàn)圖5的彎曲成C型。導(dǎo)電桿改進(jìn)后焊絲能橫向內(nèi)伸入坡口，用較小的焊接電流、電弧電壓和高的焊接速度，獲得在橫向上的焊縫成型，其焊接原理同普通埋弧焊相同。

試驗(yàn)選用大西洋焊材焊絲CHW-S3（Φ3.2），焊劑CHF101（F5A2-H10Mn2）（10～60目），坡口鈍邊要求在（2±1）mm。接頭細(xì)節(jié)和焊接順序見(jiàn)圖6。

打底層采用改進(jìn)的C型導(dǎo)電桿，嚴(yán)格控制焊槍角度，焊槍角度與翼板夾角一般在25°～30°左右;焊絲伸出長(zhǎng)度為25～30mm;蓋面層采用原裝直型導(dǎo)電桿，焊槍角度與翼板一般在60°～70°左右（見(jiàn)圖7、圖8）。另外，采用后退焊法（左向焊法），即焊槍指向已完成的焊縫一側(cè)，焊槍角度與焊縫夾角成60°左右，類似拖著焊絲走。背面無(wú)需碳弧氣刨清根，只用砂輪機(jī)輕輕打磨清理部分滲透過(guò)去的焊渣。焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

焊后對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，焊縫成型美觀，邊緣勻直，寬窄差小于3mm。按GB/T 11345-2013進(jìn)行超聲波檢測(cè)合格（GB/T 29712-2013-2級(jí)）;對(duì)焊縫表面按JB/T 6061-2007磁粉檢測(cè)（GB/T 50661-2011-Ⅱ級(jí)），未見(jiàn)記錄性缺陷顯示;按GB/T 226-2015進(jìn)行宏觀金相10%硝酸酒精溶液（10%Nital）檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)有肉眼明顯可見(jiàn)的焊接缺陷，評(píng)定合格（見(jiàn)圖9）;按GB/T 2654-2008進(jìn)行焊接接頭硬度試驗(yàn)，符合GB 50661-2011中Ⅱ類鋼材焊縫及母材熱影響區(qū)維氏硬度不超過(guò)HV350，試驗(yàn)位置見(jiàn)圖10所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

在方案三埋弧焊橫焊試驗(yàn)中采用雙面對(duì)稱坡口，在得到完整、無(wú)超標(biāo)缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口，減小焊縫截面積。由于結(jié)構(gòu)限制，對(duì)口無(wú)間隙，坡口角度偏小，此T形接頭埋弧焊橫焊是否能達(dá)到不清根全焊透焊接，對(duì)于坡口形式、焊槍（焊絲）的夾角、焊接參數(shù)，以及電弧的指向或?qū)χ锌刂埔蠓浅?yán)格。如果參數(shù)設(shè)置不正確，容易造成焊穿或者未焊透、夾渣、咬邊等缺陷。焊接線能量過(guò)小，鈍邊過(guò)厚，焊縫熔深不夠，未將母材焊透;焊接線能量過(guò)大，鈍邊過(guò)小，則容易焊穿;焊槍角度偏離也會(huì)造成未焊透，或者焊渣無(wú)法完全橫向排出而造成夾渣。另外，焊腳高蓋面層的層道布置與焊槍角度則會(huì)影響焊縫外觀的成型，圖11為焊槍角度不正確造成的焊縫外觀成型不良。

2? 方案對(duì)比

3種方案對(duì)比情況見(jiàn)表3。

焊接生產(chǎn)效率，從某種角度上講，主要是由單位時(shí)間內(nèi)填充金屬的熔化量-熔敷速度來(lái)衡量的。方案三T形接頭埋弧焊橫焊工藝的生產(chǎn)效率最高，僅為SMAW清根焊的1/3。提高熔敷速度意味著熱輸入的增加，將致使焊接變形增大。盡管SAW熱輸入大，通常為SMAW熱輸入的1.5～2倍，但是T形接頭埋弧焊橫焊工藝減少了采用碳弧氣刨清根工藝帶來(lái)的大坡口和高熔敷量、變形不受控等一系列不必要的工作量和隱患。在保證了焊接質(zhì)量，得到合格的焊縫外，提升了效率，變形在可接受范圍。

3? 缺陷防止

T形接頭埋弧焊橫焊工藝能得到合格的焊縫，除了對(duì)坡口，對(duì)焊槍角度，對(duì)變形控制的嚴(yán)格要求外，還要防止其他因素造成缺陷的出現(xiàn)。

產(chǎn)生焊縫缺陷主要有兩類：一是受操作者操作因素產(chǎn)生的缺陷，主要有夾渣、未焊透、焊穿、咬邊及溢滿等;二是受冶金因素影響產(chǎn)生的缺陷，主要有氣孔、裂紋等。為此，我們要根據(jù)缺陷產(chǎn)生的原因來(lái)分析并對(duì)其加以控制。

（1）夾渣主要是坡口焊渣清理不干凈，或電弧過(guò)長(zhǎng)、焊接角度不對(duì)、焊層過(guò)厚、焊接線能量小、焊速快等，導(dǎo)致熔池中熔化的雜質(zhì)未浮出而熔池凝固造成。

（2）未焊透是每層焊縫熔化區(qū)彼此未相接以及參數(shù)不合理，主要原因是焊接電流過(guò)小，焊速太高，或電弧電壓偏高，以及焊絲位置不對(duì)造成的，因此焊接時(shí)一定要執(zhí)行焊接工藝規(guī)范，并在焊接過(guò)程中予以適當(dāng)調(diào)整。

（3）氣孔主要是坡口有潮氣、鐵銹、油、漆等污物，另外，焊劑不干燥或焊劑覆蓋不夠也易產(chǎn)生氣孔。為此，焊前一定要將坡口及熱影響區(qū)的污物徹底清除干凈，對(duì)于使用的焊劑必須經(jīng)過(guò)烘干處理，焊接時(shí)隨時(shí)調(diào)整焊劑覆蓋量，以確保焊接質(zhì)量。

4? 變形控制

焊接變形的矯正費(fèi)時(shí)費(fèi)工，甚至造成產(chǎn)品報(bào)廢。因此，在結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接前就需要考慮變形的控制。焊接變形控制主要目的是保證構(gòu)件或結(jié)構(gòu)要求的尺寸。對(duì)于T形長(zhǎng)焊件，本身剛性較大，如板厚較大，截面本身的慣性矩較大，容易發(fā)生扭曲和中間起拱橋變形。此時(shí)主要靠提高板材平整度和構(gòu)件組裝精度，使坡口角度和間隙準(zhǔn)確，電弧的指向或?qū)χ袦?zhǔn)確，以使焊縫角變形和翼板及腹板縱向變形值與構(gòu)件長(zhǎng)度方向一致。另外，焊接內(nèi)應(yīng)力由局部加熱循環(huán)而引起，焊縫在施焊后，由于冷卻引起了收縮應(yīng)力，施焊的焊腳尺寸愈大，則收縮應(yīng)力愈大。為此，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，不應(yīng)過(guò)分加大焊腳尺寸，要轉(zhuǎn)變焊縫越大越安全的觀念。

必要時(shí)，采用卡具夾具、支撐固定法增加剛性強(qiáng)制限制變形。但與此同時(shí)實(shí)際上也增大了焊后的殘余應(yīng)力和焊接裂紋傾向，而減小焊接殘余應(yīng)力的控制措施則與之相反需要降低焊件剛度，創(chuàng)造自由收縮的條件。因此，需要衡量的是增加剛度限制變形，還是降低焊件剛度減小焊接殘余應(yīng)力，或者相應(yīng)采取一些消除焊接殘余應(yīng)力的措施。比如采取合理的工藝措施、裝焊順序、熱量平衡等方法來(lái)降低或平衡焊接變形，或者進(jìn)行錘擊法消應(yīng)力，振動(dòng)時(shí)效法消應(yīng)力，或者焊后消應(yīng)力熱處理等措施。

5? 結(jié)語(yǔ)

T形接頭埋弧焊橫焊工藝采用對(duì)稱坡口形式，無(wú)需背面清根，控制焊縫每層每道的焊槍角度，選擇合理的焊接參數(shù)，可以有效解決產(chǎn)品要求的組對(duì)無(wú)間隙，焊接位于橫焊位置，要求全焊透的問(wèn)題。既保證了焊接質(zhì)量，得到合格的焊縫，又提升了焊接效率，變形在可接受范圍。

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