一種厚壁直縫鋼管的雙絲交流埋弧焊接工藝

田玉吉， 程尚華

（1. 青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司， 山東 青島266111；2. 山東蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司， 山東 煙臺265607）

0 前 言

埋弧焊工藝由于熔深大、 生產(chǎn)率高、 機(jī)械化程度高， 適用于中厚板結(jié)構(gòu)的長焊縫焊接，在造船、 壓力容器、 橋梁、 鐵路車輛、 工程機(jī)械、 管道、 核電站結(jié)構(gòu)、 海洋結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用， 是當(dāng)今焊接生產(chǎn)中使用最普遍的熔焊方法之一[1-2]。 在焊接厚板時(shí)， 通常使用多絲串列埋弧焊， 當(dāng)發(fā)現(xiàn)電弧因受磁偏吹影響導(dǎo)致穩(wěn)定性下降時(shí)， 一方面可以適當(dāng)調(diào)整焊接電流的大小， 隨著電流逐漸增大， 電弧所受到的力也逐漸變大， 甚至影響焊接穩(wěn)定性， 可以說電流是影響焊接穩(wěn)定的主要因素[3]； 另一方面，可通過接地極選擇和電源的斯科特接法消除磁偏吹對電弧的影響。 目前實(shí)際生產(chǎn)線采用雙電源雙絲交直流埋弧焊， 利用前導(dǎo)的直流電弧獲得較大的熔深， 而后導(dǎo)的交流電弧作用在前絲所形成的金屬熔池上， 以便減小與前絲電弧間的相互影響與磁偏吹， 同時(shí)改善焊縫的外形和表面光潔度[4-7]。 同時(shí)， 當(dāng)前導(dǎo)電極為交流時(shí)，由于其熱效率相對小， 焊接工藝參數(shù)相對增大， 使得熔池溫度更高， 熱循環(huán)過程相對較慢， 冶金反應(yīng)更為充分， 更有利于焊縫中微量元素的擴(kuò)散， 提高焊縫性能， 防止焊縫出現(xiàn)氣孔和熱裂紋[8]。 鑒于此， 本研究針對厚壁直縫鋼管， 采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊FCAW-GS 橫焊打底、 雙絲交流埋弧焊接系統(tǒng)平焊填充的組合方式進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用HY E36-Z35 鋼板， 板厚32 mm，主要的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1 和表2。 根據(jù)焊接材料等強(qiáng)匹配原則， 為保證焊接接頭與母材具有同等的抗拉強(qiáng)度和抗淬硬脆化， 選用京群氣體保護(hù)藥芯焊絲GFL-71Ni （Φ1.2 mm / AWS 5.20/E71T-1J） 和 林 肯 埋 弧 焊 絲L-S3 （8500 焊 劑）（Φ4.0 mm/AWS 5.17/F7A8-EH12K H8）， 以滿足強(qiáng)度、 塑性、 韌性等技術(shù)要求， 焊材的化學(xué)成分見表3， 力學(xué)性能見表4。 焊接設(shè)備采用雙電源LINCOLN AC-1200， 采用AR862A 型紅外測溫槍監(jiān)測預(yù)熱及層間溫度， 采用KYORITSU 型萬用表測定焊接電流及電壓。

表1 試板的主要化學(xué)成分

表2 試板的主要力學(xué)性能

表3 焊材的主要化學(xué)成分

表4 焊材的主要力學(xué)性能

2 工藝試驗(yàn)的實(shí)施

2.1 焊接工藝試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用X 形坡口組對形式， 坡口角度60°， 組對焊縫間隙1～3 mm， 鈍邊尺寸1～2 mm，試板尺寸為32 mm×200 mm×1 000 mm。 分別采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊FCAW-GS 進(jìn)行橫焊焊道1和焊道2 的打底及埋弧焊平焊焊縫填充， 藥芯氣體保護(hù)焊電源極性為直流反接， 采用CO2（25%） +Ar （75%） 混合氣體保護(hù)。 埋弧焊電源極性為雙絲雙弧交流， 焊劑采用林肯8500 焊劑，前絲與后絲間距為20～25 mm， 后絲與前絲的交角為10°～15°， 焊絲干伸長為25～30 mm。

焊接前對焊縫坡口區(qū)域打磨清理， 除去坡口表面及附近的鐵銹、 油脂等影響焊縫性能的雜質(zhì)， 打磨范圍為距離焊縫坡口邊緣20～30 mm 區(qū)域， 直至打磨光亮為止， 然后采用丙酮或酒精進(jìn)行擦洗。 為降低鋼材的淬硬程度， 延緩或改善焊縫的冷卻速度， 以利于氫的溢出和應(yīng)力條件的改善， 降低接頭的延遲裂紋傾向， 選取預(yù)熱溫度≥85 ℃， 控制層間溫度≤200 ℃。FCAW-GS 橫焊焊道1 和焊道2 打底焊接完成后， 需對FCAW-GS 橫焊打底進(jìn)行清根處理，再進(jìn)行焊縫坡口另一面的焊接， 焊接順序如圖1所示， 焊接結(jié)束后緩冷至室溫， 焊接工藝參數(shù)見表5。

圖1 焊接道次示意圖

表5 焊接工藝參數(shù)

焊接完成24 h 后， 對焊接試板外觀進(jìn)行檢驗(yàn)， 無咬邊、 焊瘤、 余高過高及表面裂紋等缺陷； 無損探傷 （MT、 UT、 RT） 檢驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 根據(jù)AWS D1.1[9]及美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370[10]， 切取試樣對焊縫進(jìn)行宏觀金相分析和常規(guī)拉伸、 彎曲、 維氏硬度、 -40 ℃低溫夏比V 形沖擊試驗(yàn) （試樣10 mm×10 mm×55 mm） 等力學(xué)性能測試。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

焊縫接頭宏觀形貌如圖2 所示， 從圖2 可以看出， 填充金屬與母材熔合良好， 宏觀斷面未發(fā)現(xiàn)未熔合及裂紋等焊接缺陷。 拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示， 試樣抗拉強(qiáng)度為525 MPa。 彎曲試驗(yàn)后， 所有側(cè)彎試樣表面光滑無開裂現(xiàn)象發(fā)生。對焊縫接頭在-40 ℃的10 個(gè)不同位置各取3 個(gè)試樣進(jìn)行夏比V 形沖擊試驗(yàn)， 沖擊功平均值見表6， 從表6 可知， 平均沖擊功均遠(yuǎn)大于34 J（-40 ℃）， 表明焊接接頭低溫韌性良好， 但相比焊縫的其他區(qū)域而言， 焊縫中心是韌性相對薄弱區(qū)。 分別對焊縫、 母材及熱影響區(qū)所屬的10 個(gè)區(qū)域進(jìn)行維氏硬度測試， 各區(qū)域測取3 個(gè)硬度值， 其平均值見表7， 從表7 可知， 焊接接頭中的焊縫金屬、 熱影響區(qū)、 母材的硬度檢測值均小于350HV10， 滿足AWS D1.1 焊接規(guī)范的要求。

圖2 焊縫接頭宏觀形貌

表6 夏比V 形沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表7 焊接接頭硬度檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

（1） 采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（FCAW-GS）橫焊打底與雙電源雙絲交流埋弧焊 （SAW） 焊接系統(tǒng)平焊填充組合的方式進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)， 焊接過程中雙絲交流電弧穩(wěn)定， 得到了成型良好且力學(xué)性能優(yōu)異的焊接接頭。

（2） 焊縫接頭宏觀形貌和力學(xué)性能測試表明， 焊縫接頭滿足AWS D1.1 焊接規(guī)范的要求。

（3） 該工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于厚壁直縫鋼管的焊接， 長期的焊接生產(chǎn)實(shí)踐表明， 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。