70mm厚板高效焊接工藝及接頭性能研究

屠濤雄，李華，趙永狀

武漢天高熔接股份有限公司 湖北武漢 430056

1 序言

近年來(lái)，在造船、建筑、橋梁、石油化工及海洋平臺(tái)等領(lǐng)域，隨著焊接結(jié)構(gòu)的大型化和大跨度化，焊接效率決定了總制造成本，因此在中厚板焊接方面氣電立焊、埋弧焊、電渣焊等大熱輸入焊接方法已相繼得到了廣泛應(yīng)用[1]。對(duì)于厚板焊接一直是困擾制造廠家的難題，如焊接周期長(zhǎng)、焊接道層多、需要反復(fù)翻轉(zhuǎn)等問(wèn)題，本文介紹了多絲排列加合金粉填充的焊接工藝，采用大熱輸入焊接，在提高焊接效率的同時(shí)，保證了焊接接頭的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了70mm板厚的高效焊接。

2 焊接工藝

圖1 焊接坡口形式

70mm厚板高效焊接工藝是針對(duì)厚板平對(duì)接焊開(kāi)發(fā)的一種高效、深熔的多絲埋弧焊工藝，該工藝采用X形坡口（見(jiàn)圖1），中間留根，同時(shí)在坡口內(nèi)填充一定量合金粉，采用3根φ5.0mm焊絲同時(shí)進(jìn)行焊接，以達(dá)到70mm以內(nèi)板厚雙面單道一次焊接成形。前絲L直流，焊槍后傾15°；中絲T1交流；后絲T2交流，焊槍前傾5°。三絲焊槍排布如圖2所示。

3 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

圖2 三絲焊槍排布

本研究選用母材尺寸為800mm×200mm×70mm的Q370qD鋼板，引弧板尺寸為100mm×100mm，引出板尺寸為200mm×100mm，埋弧焊絲為特制焊材，φ5.0mm、3根，焊劑為特制埋弧焊劑，焊劑顆粒度為10～60目（0.25～2.00mm），合金粉為調(diào)制合金粉，顆粒度為8 0～1 6 0目（0.096～0.18mm）。焊前對(duì)母材Q370qD鋼板進(jìn)行去污處理。鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1，焊接材料化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表2、表3。焊機(jī)型號(hào)為林肯DC1500+AC1200+AC1200埋弧焊機(jī)。

焊接試板裝配時(shí)要求：坡口角度為（45±2）°；鈍邊尺寸為（10±1.5）mm；間隙0～1mm。引弧板需使用碳弧氣刨刨開(kāi)長(zhǎng)度50～100mm、與坡口同深度的過(guò)渡槽，引弧板長(zhǎng)度應(yīng)≥200mm；收弧板需使用與坡口同角度鋼板拼接，收弧板長(zhǎng)度應(yīng)≥200mm。焊接時(shí)鋼板兩面所選焊接參數(shù)一致，見(jiàn)表4。焊后所得焊縫外觀如圖3所示。

圖3 70mm厚板焊縫外觀

4 焊接工藝特點(diǎn)

1）本工藝采用三絲大熱輸入焊接，焊劑中含有大量合金粉，以增加熔池熔覆量。同時(shí)，在坡口內(nèi)填充合金粉，進(jìn)一步增加焊接熔覆量，實(shí)現(xiàn)單面一道成形；熔池狀態(tài)為雙熔池，前絲、中絲為一熔池，保證局部熔深和熔池填充，后絲為一熔池，保證蓋面和表面成形。

2）本焊接工藝采用雙面單道焊接，單面一次成形，焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力多為橫向收縮應(yīng)力，垂直應(yīng)力小，角變形小。而傳統(tǒng)多層多道焊接工藝，由于每一層道的累加，產(chǎn)生的焊接內(nèi)應(yīng)力大，因此大多時(shí)候制造廠家采用不斷翻面焊接，來(lái)平衡焊接產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。但往往翻面后第一道焊縫處理不當(dāng)，還會(huì)出現(xiàn)焊接應(yīng)力裂紋，因?yàn)槎鄬雍笗r(shí)每層焊縫少而薄，所以焊縫被拉裂的概率高。而一次成形焊接熔池的焊縫多且厚，焊接內(nèi)應(yīng)力小，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的概率就?。ㄒ?jiàn)圖4）。

3）無(wú)需反復(fù)翻轉(zhuǎn)焊接，減少焊接工作量。

表1 鋼板化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2 埋弧焊絲化學(xué)成分及力學(xué)性能

表3 埋弧焊劑與合金粉的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 70mm厚鋼板焊接參數(shù)

圖4 焊接內(nèi)應(yīng)力分布

5 焊接材料特點(diǎn)

1）焊劑為中堿合金型焊劑，根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)焊劑堿度BIIW=1.5，焊劑主要熔渣為MgO+SiO2+TiO+CaF2體系，能滿足大熱輸入條件下良好的焊接工藝性能。

2）焊劑中合金比例接近40%，合金成分主要為Mn、Si、Ti、Fe。因?yàn)楹附訜彷斎胼^大，所以熔池合金會(huì)有一定燒損，通過(guò)焊劑中的Mn、Si過(guò)渡，保證焊縫的合金成分，使焊接接頭擁有一定的強(qiáng)度與韌性。Ti-B系細(xì)化鐵素體組織晶粒是十分明顯的，通過(guò)焊劑過(guò)渡Ti與B的共同作用，細(xì)化熔池組織晶粒。Fe主要是過(guò)渡到熔池中，增加焊接熔敷量[2]。

3）合金粉主要成分為Fe，在焊接過(guò)程中能明顯提高焊接熔敷量，合金粉中的Mn、Ti系列合金能起到細(xì)化組織晶粒作用。合金粉的吸收熱量及熔池勻化對(duì)減小熱輸入、稀釋電流密度有促進(jìn)作用。

6 焊接接頭性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

（1）焊縫化學(xué)成分 焊縫化學(xué)成分檢測(cè)使用德國(guó)布魯克X射線熒光光譜儀進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 焊縫化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）焊縫金屬拉伸性能 焊縫金屬拉伸性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，焊縫金屬抗拉強(qiáng)度滿足要求，且具有良好塑性，伸長(zhǎng)率滿足要求。

表6 焊縫金屬拉伸性能

（3）焊接接頭力學(xué)性能 焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 2651—2008 《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》以及GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，接頭強(qiáng)度滿足要求，彎曲測(cè)試未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，滿足要求。

表7 焊接接頭力學(xué)性能

（4）接頭沖擊性能 焊接接頭沖擊性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 2650—2008 《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》（見(jiàn)圖5），試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

圖5 沖擊試樣取樣

表8 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，焊縫中心區(qū)域及熔合線+3mm區(qū)域沖擊性能較為穩(wěn)定，熔合線+1mm區(qū)域有明顯波動(dòng)，但滿足要求。主要因?yàn)槿酆暇€+1mm區(qū)域?yàn)榇志^(qū)，尤其在大熱輸入焊接條件下，粗晶區(qū)組織晶粒明顯增大，所以造成低溫沖擊性能不穩(wěn)定。

（5）焊接接頭宏觀金相 宏觀金相如圖6所示。

（6）接頭硬度 接頭硬度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》（見(jiàn)圖7），檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表9。

根據(jù)表9數(shù)據(jù)可以得出，焊縫區(qū)域硬度最大，母材硬度最小。主要是因?yàn)楹缚p金屬?gòu)?qiáng)度高于母材，所以硬度值最高；而熔合線附近組織為粗晶區(qū)，因此強(qiáng)度會(huì)略高于母材。

圖6 宏觀金相

圖7 硬度打點(diǎn)位置

表9 焊接接頭不同區(qū)域硬度值 （HV10)

（7）焊接接頭微觀金相 通過(guò)沖擊試驗(yàn)得知，板厚中心（兩熔池交匯處）性能較差，因此對(duì)此區(qū)域進(jìn)行微觀金相觀察，如圖8所示。

圖8 焊接接頭微觀組織

由圖8可知：焊縫中心區(qū)域在微合金化及細(xì)微氧化物夾雜作用下，組織較為穩(wěn)定，主要以細(xì)微針狀鐵素體為主，因此性能較為穩(wěn)定；熔合線區(qū)域（主要是粗晶區(qū)）在大熱輸入條件下，晶粒明顯粗大，因此導(dǎo)致性能有所下降；熱影響區(qū)組織略微粗大，但是仍存在大面積針狀鐵素體，因此性能較為穩(wěn)定。

（8）小結(jié) ①通過(guò)對(duì)焊接接頭各項(xiàng)性能指標(biāo)檢驗(yàn)得出：根據(jù)GB/T 714—2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》、Q/CR 9211-2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，焊接接頭力學(xué)性能可以滿足Q370qD鋼材性能標(biāo)準(zhǔn)。②通過(guò)對(duì)焊接接頭沖擊性能試驗(yàn)可以得出：焊縫區(qū)域整體低溫沖擊性能相對(duì)穩(wěn)定，在熔合線+1mm位置沖擊性能相對(duì)有所下降。通過(guò)觀察焊接接頭微觀組織可以看出，鋼板在大熱輸入焊接條件下，熔合線附近粗晶區(qū)組織晶粒相對(duì)粗大，導(dǎo)致低溫沖擊性能降低，但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

1）70mm厚鋼板通過(guò)采用三絲焊接加入合金粉方式，可以實(shí)現(xiàn)雙面單道焊一次成形，并達(dá)到熔透要求。

2）厚板采用雙面單道焊接，焊接角變形小，焊接裂紋敏感度低，無(wú)需反復(fù)多次翻面焊接，焊接效率得到提升。

3）在大熱輸入條件下，焊接接頭滿足鋼板性能要求，但是熱影響區(qū)組織晶粒相對(duì)粗大，建議使用適應(yīng)大熱輸入焊接的鋼板進(jìn)行焊接。