深透弧技術(shù)在碳鋼厚板焊接中的應(yīng)用研究

王興陽(yáng)

( 唐山松下產(chǎn)業(yè)機(jī)器有限公司, 河北 唐山 063020)

目前，用戶對(duì)碳鋼厚板焊接的熔深要求越來(lái)越高，重要的鋼結(jié)構(gòu)件要求達(dá)到全熔透的焊接效果，例如橋梁行業(yè)，珠港澳大橋的橋梁焊接就要求全熔透，這樣才能夠保證橋梁具有足夠的強(qiáng)度抵御臺(tái)風(fēng)。而一般的CO2焊很難滿足用戶對(duì)熔深的要求，而埋弧焊對(duì)一些特殊結(jié)構(gòu)件焊接難度較大。為了達(dá)到全熔透的焊接效果，厚板的焊接一般都采用開坡口的方式以保證熔深[1-3]，坡口的形式有K型坡口、X型坡口、V型坡口及U型坡口等。厚板開坡口焊接后往往需要進(jìn)行清根處理，比較常用的清根方法為碳弧氣刨及砂輪打磨的方法，碳弧氣刨工序的施工條件惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大，在大長(zhǎng)厚板的焊接中，工人不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，嚴(yán)重影響焊接效率[4]。同樣，砂輪打磨清根也存在效率低，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題。國(guó)外船級(jí)社對(duì)較厚鋼船板的焊接認(rèn)可試驗(yàn)，一般要求鋼板坡口為 K 型，焊接工藝采用埋弧焊，但是K型坡口的埋弧焊接難度較大，根部清渣難度大，后續(xù)焊接過(guò)程中易產(chǎn)生未熔合及夾渣等焊接缺陷[5]。因此減少焊后清根作業(yè)是用戶亟待解決課題。

為了減少清根工作量或?qū)崿F(xiàn)不清根，準(zhǔn)備采用唐山松下深透弧技術(shù)進(jìn)行碳鋼厚板的焊接實(shí)驗(yàn)，選擇合適的焊接工藝，保證焊縫不清根且能達(dá)到全熔透的焊接效果。深透弧技術(shù)是唐山松下針對(duì)碳鋼厚板而研發(fā)的新型大熔深技術(shù)，焊接電弧穩(wěn)定，熔深一致性效果好。圖1為深透弧和普通氣保焊的熔深對(duì)比。本文利用松下深透弧技術(shù)在碳鋼厚板焊接中的應(yīng)用進(jìn)行工藝研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本次試驗(yàn)采用長(zhǎng)寬均為300 mm×150 mm的Q235碳鋼試板，其板厚分別有6 mm、12 mm、16 mm、24 mm、40 mm，焊絲采用神鋼MG51-T碳鋼φ1.2 mm焊絲，氣體采用82%Ar+18%CO2，氣體流量為20 L/min，焊接電源為松下500GL5搭載深透弧功能的焊機(jī)。本次試驗(yàn)采用手工焊接的方式進(jìn)行兩側(cè)焊接，重點(diǎn)觀察焊后的焊縫根部熔透情況。

本次試驗(yàn)采用3種T型接頭形式，接頭示意圖如圖2所示，其中圖2a為模擬橋梁U型板的焊接接頭，立板傾角為76°，焊接接頭的板厚有兩種，分別為6 mm×6 mm和12 mm×24 mm，其編號(hào)分別為1#和2#，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表1所示。圖2b為模擬厚板不開坡口T型接頭，板厚采用16 mm×16 mm，預(yù)留間隙1 mm，并做了深透弧與普通CO2焊的焊接對(duì)比試驗(yàn)，其編號(hào)分別為3#和4#，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表2所示。圖2c為45°坡口的厚板焊接示意圖，其板厚分別采用24 mm×24 mm和40 mm×40 mm，其編號(hào)分別為5#和6#，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 橋梁U型板焊接工藝參數(shù)

表2 厚板不開坡口T型接頭焊接工藝參數(shù)

表3 厚板開坡口T型接頭焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 橋梁U型板焊接試驗(yàn)結(jié)果

橋梁U型板焊接試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，其中1#和2#為橋梁U型板焊后熔合情況，1#試件只焊接了一側(cè)，以方便測(cè)量單側(cè)的熔深情況，從1#試件可以看出6 mm的立板熔深達(dá)到5.45 mm，超過(guò)了立板厚度的2/3，若兩側(cè)焊接有利于達(dá)到全熔透的焊接效果。從2#試件可以看出，12 mm的立板根部全部熔透，且兩側(cè)焊縫的搭接量超過(guò)2 mm。由此可見(jiàn)，選擇合適的工藝參數(shù)，深透弧對(duì)橋梁U型板的焊接接頭能夠達(dá)到全熔透的焊接需求。

2.2 厚板不開坡口T型接頭焊接試驗(yàn)結(jié)果

厚板不開坡口T型接頭焊接試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從3#試件可以看出，16 mm×16 mm的碳鋼板達(dá)到了全熔透，且焊縫根部有一定的搭接量，焊縫單側(cè)最大熔深超過(guò)了8 mm，且兩側(cè)熔深一致性較好。從4#試件可以看出，相同的焊接規(guī)范下普通的CO2焊并沒(méi)有達(dá)到焊縫根部全熔透的焊接效果，熔深的尺寸也小于深透弧。從試驗(yàn)結(jié)果上看，16 mm以下的碳鋼板，選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に嚨臈l件下，深透弧能夠達(dá)到焊縫根部全熔透的焊接需求，且焊縫根部不需要進(jìn)行清根處理，而且深透弧在厚板焊接的熔深上要大于普通熔化極氣體保護(hù)焊。

2.3 厚板開坡口T型接頭焊接試驗(yàn)結(jié)果

厚板開坡口T型接頭焊接試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中5-1#、5-2#是5#試件焊縫熔合情況。從5-1#可以看出，24 mm碳鋼板的T型接頭單側(cè)焊縫的熔深已經(jīng)達(dá)到焊縫的另一側(cè)，從5-2#可以看出試件根部已經(jīng)全部熔合，沒(méi)有出現(xiàn)焊縫未熔合或熱裂紋等焊接缺陷，而且焊縫根部的兩側(cè)熔深有一定的搭接量，搭接量約3 mm。6-1#、6-2#分別6#焊縫根部打底焊接結(jié)果，從照片中可以看出，40 mm碳鋼板的T型接頭的焊縫根部已經(jīng)全部熔透，且無(wú)裂紋、氣孔、未熔合等缺陷產(chǎn)生，6-3#、6-4#是6#試件進(jìn)行打底、填充和蓋面焊接的照片，從照片中可以看出，40 mm的碳鋼板T型接頭焊縫根部全熔透，且填充和蓋面無(wú)焊接缺陷產(chǎn)生，達(dá)到了焊縫根部打底且不需要清根的焊接工藝要求。

2.4 試驗(yàn)分析

從以上的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，深透弧在焊接碳鋼厚板上有一定的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：(1)在相同的焊接規(guī)范下，深透弧比普通熔化極氣體保護(hù)焊的焊縫熔深更大。(2)深透弧焊接的試件兩側(cè)熔深基本相當(dāng)，且焊縫根部熔深形態(tài)呈指狀熔深，有利于焊縫根部全熔透且無(wú)焊后缺陷產(chǎn)生。(3)深透弧焊接碳鋼厚板能夠減少甚至不需要焊后清根處理，提高生產(chǎn)效率。

圖6為試件3#焊接過(guò)程中的深透弧電流電壓波形，從圖6a中可以看出，整道焊縫在焊接過(guò)程中電流和電壓非常穩(wěn)定，電流的穩(wěn)定保證了焊縫熔深的一致性較好，電壓的穩(wěn)定保證了焊后成形的熔合線整齊性較好，焊縫成形更好。從圖6b中可以看出，電流并非完全恒定輸出，而是疊加一定頻率和幅度的小脈沖尖波，脈沖頻率和峰基值差值可以調(diào)整，疊加小脈沖的目的就是為了壓縮焊接過(guò)程中的電弧，使焊接過(guò)程中焊接熱量更加集中，這就使得在相同焊接規(guī)范下，深透弧比普通熔化極氣體保護(hù)焊的焊縫熔深更大，有利于厚板焊接達(dá)到焊縫根部全熔透的焊接效果，從而減少清根作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在相同焊接工藝下，深透弧技術(shù)比普通熔化極氣體保護(hù)焊的焊縫熔深大。

(2)采用深透弧技術(shù)焊接16 mm以下的碳鋼厚板，在適當(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件下可以減小或不開坡口也能夠達(dá)到T型接頭全熔透的焊接效果。

(3)深透弧技術(shù)焊接24～40 mm的碳鋼試板，采用K型45°坡口，在適當(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件下，能夠達(dá)到全熔透的焊接效果，且焊后不需要清根處理。

(4)深透弧技術(shù)適合厚板碳鋼打底焊，熔深形態(tài)呈指狀熔深，有利于實(shí)現(xiàn)根部全熔透焊接。