埋弧焊高效焊接新工藝的探究與實踐

高蘭云，陳浩，李忠明，江宗昆，高蘭政

1.中國船舶重工集團柴油機有限公司 山東青島 266520

2.中車青島四方股份有限公司總裝分廠 山東青島 266520

1 序言

在船用低速柴油機焊接過程中，中厚板焊接常采用開45°坡口，利用CO2氣體保護(hù)焊或埋弧焊焊接，不足之處是在焊接過程中使用的焊絲、氣體、焊劑比較多，導(dǎo)致焊接成本高，并且焊接效率較低，變形也比較大，使后續(xù)組焊尺寸不好控制。之前的研究中，6～9mm中厚板可采用二氧化碳?xì)獗：笇崿F(xiàn)無坡口、無間隙的全熔透焊接[1]，如果采用埋弧焊設(shè)備焊接的電流、電壓更大，理論上也可以實現(xiàn)30mm以內(nèi)厚板不開坡口、小間隙、全熔透的高效焊接，此工藝的研究對提高船用柴油機焊接生產(chǎn)效率至關(guān)重要。

研究雙面單道全熔透高效焊接技術(shù)，可大幅提高焊接質(zhì)量和焊接效率，將此種技術(shù)在船用柴油機焊接中進(jìn)行推廣應(yīng)用，可解決中厚板焊接生產(chǎn)效率低、因焊工操作水平影響而導(dǎo)致質(zhì)量穩(wěn)定性差的問題，同時避免了厚板焊接變形及殘余應(yīng)力對后續(xù)工序的影響，在提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率的同時，也降低了綜合生產(chǎn)成本，減少了焊接產(chǎn)生的煙塵、弧光、噪聲及熱輻射等污染，使工人的身心健康得到了保障。

2 焊接試驗

通過對埋弧焊高效焊接新工藝的探究，實現(xiàn)了中厚板零件焊前不開坡口、雙面單道窄間隙埋弧焊，同時采用現(xiàn)有的埋弧焊設(shè)備即可完成整條焊縫的高效焊接。

（1）試驗準(zhǔn)備 進(jìn)行不開坡口、雙面單道窄間隙埋弧焊高效焊接工藝試驗，需準(zhǔn)備伊薩埋弧焊設(shè)備一套、焊劑烘干機、AWS A5.17 EM12Kφ4.0 m m焊絲一盤、焊劑一袋。準(zhǔn)備尺寸為200mm×300mm×20mm的Q235B級船板試板若干，尺寸為200mm×1000mm×20mm試板8塊，引弧板、引出板若干。焊前對母材進(jìn)行打磨除銹。

Q235B級船板化學(xué)成分見表1，焊絲與焊劑的化學(xué)成分見表2、表3 。

伊薩埋弧焊設(shè)備主要由焊接電源、送絲機構(gòu)、焊槍和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

表1 Q235B級船板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 焊劑的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 伊薩埋弧焊機

（2）試驗過程 在保證焊接電流、電弧電壓、焊接速度相同的情況下，首先調(diào)整裝配間隙，觀察其對焊接熔深的影響。通過試驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，在焊絲直徑為4mm且焊接電流、電弧電壓、焊接速度固定時，隨著組裝間隙的增大，焊接熔深也逐漸增大（見表4），但在組裝間隙超過6mm時，焊接存在較大的質(zhì)量缺陷，因此（4±1）mm是最優(yōu)組裝間隙。

表4 組裝間隙試驗焊接參數(shù)

當(dāng)組裝間隙確定后，焊接電流的大小成為影響熔深及焊縫成形的主要因素。在保證電弧電壓、焊接速度、裝配間隙相同的情況下，調(diào)整焊接電流的大小來觀察其對焊縫的影響。具體參數(shù)為電弧電壓34V，焊接速度38cm/min，組裝間隙3～4mm，焊接電流分別選擇了650A、720A、800A、850A、900A。

通過試驗結(jié)果對比，當(dāng)焊接電流＜740A時，焊接電弧的穿透能力較強，用于增加熔深的熱量大于用于增加熔寬的熱量，隨著焊接電流的增加，熔深的增加量較熔寬的增加量更為明顯；當(dāng)焊接電流＞740A時，由于受焊接電流密度的限制，埋弧焊電弧的穿透能力達(dá)到最大值，焊接電流的增加并不能增大熔深，而是將增加的熱量用于增大熔寬，故表現(xiàn)為隨著焊接電流的增加，其熔深幾乎沒有變化，而熔寬在不斷地增加（見圖2）。由此可見，埋弧焊的焊接電流并非越大越好，當(dāng)電流達(dá)到一定程度時，焊縫的熔深達(dá)到最大值，超過該值后，焊接電流的增加并不能增大熔深，只會增加熔寬。

圖2 焊接電流對焊縫斷面形狀的影響

通過正式雙面單道窄間隙埋弧焊試驗分析，得出20mm厚板雙面單道全熔透高效焊接技術(shù)的最優(yōu)焊接參數(shù)，見表5。20mm厚試板焊接效果如圖3所示。

表5 雙面單道窄間隙埋弧焊最優(yōu)焊接參數(shù)

圖3 20mm厚試板焊接效果

（3）焊接工藝分析 在窄間隙埋弧焊過程中，焊接熱輸入、組裝間隙是焊縫成形的主要影響因素，我們主要研究焊接電流、電弧電壓、焊接速度及組裝間隙4個要素，在焊接設(shè)備相同的情況下，采取控制變量的方法，逐一對焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配。通過科學(xué)合理的焊接試驗，取得20mm厚B級船板在不開坡口的情況下，采用雙面單道全熔透高效焊接技術(shù)實現(xiàn)焊縫全熔透焊接。

3 試驗結(jié)果及分析

（1）力學(xué)性能試驗結(jié)果 經(jīng)CCS、DNV-GL、WinGD等船級社和專利方現(xiàn)場見證，在武船實驗室進(jìn)行正式的焊接工藝評定，其力學(xué)性能試驗結(jié)果見表6～表8。

表6～表8的試驗結(jié)果成功取得了CCS和DNV-GL兩大船級社以及WinGD和MAN兩大專利方的權(quán)威認(rèn)證，并在生產(chǎn)中開始了全面推廣應(yīng)用。

表6 焊縫彎曲試驗結(jié)果

表7 焊縫拉伸試驗結(jié)果

（2）焊后質(zhì)量檢測 根據(jù)圖樣要求，如果沒有特殊說明，板對接焊均視為C級焊縫。對C級焊縫的要求是：焊接完成后不準(zhǔn)出現(xiàn)夾渣、氣孔、裂紋及未熔合現(xiàn)象，焊縫表面沒有飛濺，焊縫余高不大于3mm。余高過大會引起焊縫橫向不連續(xù)，在焊腳處引起應(yīng)力集中等現(xiàn)象。埋弧焊焊縫寬度要求為（18±2）mm。焊縫內(nèi)部質(zhì)量要求為需通過公司超聲波檢測，不允許有任何焊接缺陷。焊縫內(nèi)部和外觀質(zhì)量同樣重要，焊縫表面必須平整光滑、成形美觀，符合技術(shù)要求。在力學(xué)性能檢驗中沒有出現(xiàn)未熔透、焊縫裂紋等焊接內(nèi)部缺陷，表面成形美觀，無咬邊等表面缺陷，同樣符合公司W(wǎng)PS要求標(biāo)準(zhǔn)，最終試驗結(jié)果完全符合圖樣要求。

表8 焊縫沖擊試驗結(jié)果

4 在生產(chǎn)中的應(yīng)用

中國船舶重工集團柴油機有限公司的部分產(chǎn)品已使用上述新型高效埋弧焊焊接工藝進(jìn)行焊接（見圖4、圖5）。以6S60ME-C8.2為例，計算機架兩側(cè)板拼焊成本見表9。由表9可知，焊接19mm鋼板可節(jié)約制造成本約53.7 元/m。

圖4 30mm以內(nèi)鋼板不開坡口拼焊

圖5 二沖程船用柴油機的機座單片焊接

表9 機架兩側(cè)板拼焊成本

5 結(jié)束語

1）通過埋弧焊焊接中厚板不開坡口與常規(guī)開坡口焊接的工藝比較，經(jīng)試驗驗證，目前已成功實現(xiàn)30mm以內(nèi)鋼板的不開坡口雙面單道全熔透高效焊接，并在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。

2）中厚板埋弧焊不開坡口焊接不僅節(jié)省坡口加工工序，而且可以減少焊接材料及工時50%以上。同時減少應(yīng)力，有效地控制了變形，極大地提高了焊接質(zhì)量。研究中厚板不開坡口埋弧焊高效焊接新工藝，為提高焊接質(zhì)量和焊接效率、推廣此種技術(shù)在中厚板領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。