薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝研究

曹小兵

(中鋁萬成山東建設(shè)有限公司，山東 淄博255065)

0 前言

埋弧焊作為當(dāng)今焊接生產(chǎn)中最普遍使用的焊接方法之一，由于其具有機械化程度高、生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于壓力容器制造行業(yè)中［1］。

中鋁萬成山東建設(shè)有限公司近期承接了批量壓力容器制造和非標(biāo)槽罐設(shè)備的制作，大部分是板厚8 mm以下、直徑2 m 以下的薄板容器槽罐制作，此批設(shè)備量大，工期要求緊，制作工期長，勞動強度大，所需焊工人員數(shù)量多，若完全采用焊條電弧焊明顯無法滿足要求。

大批量、小直徑的薄板容器槽罐制作，一般采用常規(guī)的焊接方法和工藝，先用焊條電弧焊打底焊接，再用埋弧焊焊接，焊后背部碳弧氣刨清根打磨，再用埋弧焊或焊條電弧焊焊接。通過多次試焊發(fā)現(xiàn)，薄板埋弧焊時易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，特別是封頭與筒節(jié)連接的環(huán)焊縫氣孔明顯超標(biāo)，造成焊縫返修，而且無法實現(xiàn)單面焊雙面成形，需要人工碳弧氣刨清根勞動強度大、焊接效率低，無法滿足工期要求。

文中主要對薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝與普通埋弧焊未加陶瓷襯墊的工藝進行對比研究，并對宏觀形貌、力學(xué)性能等進行測試分析。通過試驗驗證，薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝的焊接質(zhì)量滿足質(zhì)量規(guī)范和生產(chǎn)需要，同時也為其在薄板、狹小空間、密閉容器槽罐廣泛應(yīng)用提供技術(shù)性參考價值。

1 焊接缺陷質(zhì)量通病及產(chǎn)生原因分析

1.1 工藝參數(shù)

薄板焊接時，采用較低的焊接熱輸入、較小的焊接電流和較快的焊接速度，易造成輸入到單位長度焊縫上的熱輸入量減小，熔池停留時間縮短，熔池中的氣體、夾渣不容易逸出，從而形成氣孔、夾渣。適當(dāng)加大焊接電流，減小焊接速度，容易造成焊縫咬邊、焊穿等焊接缺陷，焊縫焊寬增加、余高增加導(dǎo)致尺寸超標(biāo)，氣孔無法徹底消除。

通過分析，單純改變工藝參數(shù)，無法解決薄板埋弧焊焊縫缺陷問題。

1.2 坡口形式

薄板采用Ⅰ形坡口，不利于氣體、夾渣逸出，而且容易造成焊縫余高超標(biāo)。采用V 形或Y 形帶鈍邊坡口形式，通過多次試焊，氣孔無法徹底消除，氣孔仍然超標(biāo)。

通過試焊分析，單純改變坡口形式，無法解決薄板埋弧焊焊縫缺陷問題。

1.3 焊前清理

焊前焊縫坡口及兩側(cè)的油污、銹蝕、氧化皮、水汽等清理方法常規(guī)采用常規(guī)磨光機打磨，清除不徹底。而焊前采用火焰預(yù)熱烘烤方法，通過試焊發(fā)現(xiàn)，對消除氣孔有一定效果，但仍有部分焊縫氣孔超標(biāo)。

1.4 焊接方法

采用鎢極氬弧焊進行打底層焊接，采用焊條電弧焊進行填充層、蓋面層焊接，這樣每道焊縫需要焊3層，效率低，制作工期長，無法滿足工期要求。而深熔焊是一種新型的焊接方法工藝，是鎢極氬弧焊的深入擴展應(yīng)用，可以實現(xiàn)單面焊雙面成形，質(zhì)量優(yōu)良，但是此工藝需要特種電焊機，需要較大的投入。

通過以上分析，埋弧焊是比較經(jīng)濟實用的方法，但是需要進行工藝改進。

2 試驗材料與方案

2.1 試驗材料與設(shè)備

試驗?zāi)覆牟捎冒搴? mm 的Q345R 低合金容器鋼，定位焊選用φ3.2 mm E5015 焊條，焊接材料選用φ3.2 mm H10Mn2 焊絲、HJ431 焊劑，具體化學(xué)成分見表1。焊接設(shè)備選用MZ-1000 型普通埋弧焊機，使用普通A2 型陶瓷襯墊，襯墊內(nèi)槽寬8 mm，整體寬度27 mm，長度600 mm，因而此工藝都是選用普通材料與設(shè)備，無其它特殊要求，非常經(jīng)濟。

表1 母材和焊接材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.2 試驗方案

采取兩種方案進行試驗對比，分別制作兩種類型的焊接工藝評定試板，方案一是薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝，方案二采取未加陶瓷襯墊普通埋弧焊工藝。兩種方案選用的母材、焊接材料、工藝參數(shù)、操作手法均一致，通過試驗對比，從而取得優(yōu)化合格的工藝方案。具體的工藝參數(shù)見表2。

2.2.1 薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝

為了保證薄板焊縫質(zhì)量，考慮到焊接防護、焊工操作方便等因素，此次薄板采用Y 形坡口形式。對接焊接接頭坡口形式、組對間隙、錯邊量等坡口相關(guān)參數(shù)要求見表3。焊接坡口表面應(yīng)平整，無裂紋、分層、夾雜物等缺陷。

焊前清理，將焊接接頭坡口及焊縫兩側(cè)20 ～30 mm 范圍內(nèi)正、反兩面的銹蝕、油污、氧化皮清除干凈，露出金屬光澤，防止產(chǎn)生氣孔。

定位焊采用焊條電弧焊，盡量在坡口內(nèi)點固，定位焊縫距離正式焊縫端部約30 mm，定位焊縫長度50 ～100 mm、間距400 ～600 mm，定位焊縫不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

考慮到陶瓷襯墊適應(yīng)性強，使用方便，能夠有效防止在大電流焊接時的薄板焊穿缺陷，并能保證焊縫成形美觀。將陶瓷襯墊貼在筒節(jié)內(nèi)部，陶瓷襯墊貼合前，應(yīng)將焊件貼合處打磨清理干凈，陶瓷襯墊和筒節(jié)內(nèi)表面應(yīng)貼合嚴(yán)密，從而保證焊縫背面成形質(zhì)量，背面余高控制在1.5 mm 以內(nèi)。圖1 為薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊示意圖。圖2 為陶瓷襯墊貼合情況。施焊中采用的工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

表3 對接焊接接頭坡口相關(guān)參數(shù)要求

圖1 薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊示意圖

圖2 陶瓷襯墊貼合情況

2.2.2 操作要點及注意事項

施焊時，焊絲相對焊件位置在筒體最高點向后8 ～10 mm 最為合適。此時，隨著筒體在滾輪架滾動到最高點，熔化金屬已基本完成凝固過程，從而不會出現(xiàn)熔化金屬流淌，確保了焊縫成形良好。施焊操作過程，如圖3 所示。

薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝，應(yīng)嚴(yán)格遵守埋弧焊焊接作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程，穿戴好個人防護用品，包括工作服、防護口罩、絕緣鞋、電焊手套、噪聲防護用品等;進入密閉容器內(nèi)粘貼襯墊，遵守受限空間危險作業(yè)規(guī)定要求，并使用安全電壓燈具。

圖3 施焊操作

薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝，無弧光輻射環(huán)境污染，省去大量狹窄空間的手工焊、碳弧氣刨清根及內(nèi)部焊縫的打磨，可以大大減少有限作業(yè)空間內(nèi)的人員作業(yè)時間，極大地改善了焊工的工作環(huán)境條件，避免了使用污染耗材碳棒，減少了環(huán)境的污染，保障了焊工的人身安全。由于襯墊覆蓋吸熱壓敏鋁箔膠帶在焊接時受熱會產(chǎn)生煙霧，焊接時應(yīng)使用焊接煙塵凈化器或其它環(huán)保設(shè)備。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 宏觀形貌

圖4 為兩種工藝方案下的焊縫宏觀形貌。圖4a ～4b 為帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝下焊接的焊縫形貌，焊接時電弧穩(wěn)定，單面焊雙面成形。圖4c ～4d 為未帶陶瓷襯墊埋弧焊的焊縫形貌，有明顯的表面氣孔。通過對比可以看出，填加陶瓷襯墊后的焊縫質(zhì)量得到明顯改善。薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝下的焊縫正、背面成形飽滿、整齊、美觀，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定優(yōu)良，表面無氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷，且焊縫與母材圓滑過渡。

圖4 兩種試驗方案下的焊縫成形情況

3.2 射線檢測結(jié)果

通過焊縫射線無損檢測，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。根據(jù)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》評定Ⅰ級，判斷質(zhì)量合格。圖5 為焊縫的射線無損檢測底片。

3.3 力學(xué)性能

選用板厚6 mm 的Q345R 低合金容器鋼，采用薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝力學(xué)性能試驗。根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》標(biāo)準(zhǔn)制作拉伸試件和彎曲試件，具體的試驗結(jié)果見表4 ～5。拉伸試樣的抗拉強度分別為592 MPa，583 MPa，均在GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)值510 ～640 MPa范圍內(nèi)，斷裂于母材區(qū)，如圖6所示，說明焊接接頭抗拉強度符合要求。彎曲試驗結(jié)果合格，彎曲面均完好無裂紋缺陷，說明焊縫正面、背面熔合良好，如圖7 所示。

圖5 焊縫射線無損檢測底片

表4 拉伸試驗結(jié)果

表5 彎曲試驗結(jié)果

圖6 拉伸試樣

圖7 彎曲試樣

4 應(yīng)用情況

采用薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝在75 臺設(shè)備制作近2 000 m 焊縫的焊接實踐中，焊縫質(zhì)量合格率100%，射線探傷率合格率99.5%，未出現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷，所有產(chǎn)品均一次驗收合格。

通過以上試驗及實例證明，陶瓷襯墊在薄板埋弧焊中的應(yīng)用效果良好，同時也證明了薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝適用于薄板、狹小空間、密閉容器槽罐的焊接，并且具有節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量優(yōu)良、提高工效、降低成本等優(yōu)點。

5 結(jié)論

(1)薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝，焊接時電弧穩(wěn)定，單面焊雙面成形，焊縫成形飽滿、整齊、美觀，焊縫表面無氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷，且焊縫與母材圓滑過渡。

(2)采用薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝，焊縫經(jīng)射線無損檢測，內(nèi)部無氣孔、裂紋、未熔合、夾渣等缺陷，力學(xué)性能試驗合格。

(3)薄板帶陶瓷襯墊埋弧焊工藝適用于薄板、狹小空間、密閉容器槽罐的焊接，并且具有節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量優(yōu)良、提高焊接效率、降低成本等優(yōu)點。