陶瓷襯墊藥芯氣體保護焊焊接工藝

袁中龍，劉業(yè)廷，宋光濤，熊慶和，張京華

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在某深水海洋平臺船體建造過程中，船體分段在最后合攏時，存在大量的長直焊縫需要進行對接，該焊縫最大長度達數(shù)十米。保證如此大的結(jié)構(gòu)整體組對間隙達到2～6mm的要求是極為困難的，因此有很長的坡口需要按照項目要求進行堆焊以修正間隙。間隙的修正有單獨的堆焊流程，需要進行報檢與焊接作業(yè)，且對完成堆焊的焊縫需要打磨處理，以便進行外觀檢查、尺寸檢測與磁粉檢測，而復(fù)雜的堆焊工序會導(dǎo)致施工效率降低。

考慮到陶瓷襯墊焊接工藝可以支持大間隙（10m m）坡口的直接焊接，因此如果開發(fā)該工藝，則可以大大簡化流程，提升施工效率。

2 焊接工藝開發(fā)

（1）母材 選用A B S E H36材料，厚度為25mm，該材料以熱機控軋工藝供貨，這也保證了其較低的碳當量（0.33%），且Pcm=0.18%，使得其焊接性優(yōu)良。一般來講，當某材料的碳當量＜0.4%時，就認為其具備優(yōu)良的焊接性[1]。選取的母材化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 母材力學(xué)性能

（2）焊接材料 與母材進行等強韌性的匹配，選取AWS A5.20 E71T-1CJ、φ1.2mm的焊接材料。同時，為了降低焊接接頭的冷裂傾向，要求擴散氫含量＜5mL/100g。試驗用焊接材料化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見表3、表4。

表3 試驗用焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

表4 試驗用焊接材料力學(xué)性能

（3）陶瓷襯墊 陶瓷襯墊使用象山天興焊接襯墊有限公司生產(chǎn)的JN系列焊接襯墊，其耐火度＞1300℃，吸潮率≤0.35%。

（4）焊接試件 根據(jù)施工現(xiàn)場的坡口形式及焊接位置，選取2G位置進行焊接，具體的坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口形式

（5）焊接參數(shù)控制 鑒于母材優(yōu)異的焊接性，以及母材厚度僅為25m m，具有較低的接頭拘束度，因此設(shè)定其預(yù)熱溫度為25℃。為了保證焊接接頭的低溫（－40℃）沖擊性能，需控制最大層間溫度為250℃。另外，考慮到藥芯焊絲本身的熱輸入限制、低溫沖擊性能要求以及橫焊位置的特點，控制其最大熱輸入為1.3kJ/mm。對于陶瓷襯墊藥芯氣體保護焊工藝，在其打底焊道焊縫正面易產(chǎn)生焊接裂紋，且當焊接電流增大時，出現(xiàn)裂紋的概率增大。這是由于隨著電流的增大，電弧對母材及襯墊的熱作用增加，在熔池中引入了更多的氧化物，降低了焊縫的純凈度，同時由于熱輸入的增大及陶瓷襯墊的保溫作用，延長了低熔點共晶的存在時間，增大了裂紋傾向。因此，需要適當降低焊接電流，控制打底焊的焊接電流不超過200A[2，3]。具體的焊接參數(shù)見表5。

表5 陶瓷襯墊藥芯焊絲氣體保護焊焊接參數(shù)

（6）其他注意事項

1）單面坡口焊接時需要使用單面扁平襯墊，襯墊安裝在坡口背面且要保證襯墊凹槽中心線與坡口中心線對齊。貼襯墊前要清理鋼板表面的灰塵等異物，以保證襯墊膠帶能夠貼緊坡口兩側(cè)。雙面坡口時要選用圓柱形襯墊，安裝在坡口根部并貼緊。為了保證焊接質(zhì)量，實際施工時無論單面坡口還是雙面坡口，都需要對陶瓷襯墊側(cè)進行碳弧氣刨清根，清根深度至少達到3mm，且需要打磨至金屬光澤，以徹底去除滲碳層。

2）打底層焊接時，坡口兩側(cè)要保證徹底熔透。必要時需要進行擺動，并在兩側(cè)略做停頓，以保證根部焊縫背面成形[4]。

3）完成打底焊道后再連續(xù)焊接4道，或焊接厚度達到母材厚度的1/3，保證焊縫有足夠的強度后，才可以中斷焊接。

4）施工時對于較長的焊縫必須采用分段焊接，根部焊接時一定要注意焊接電流不可過大，否則容易導(dǎo)致根部裂紋。

3 結(jié)果分析與討論

（1）無損檢測 整個焊接試件按照AWS D1.1/D1.1M：2015《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》及項目規(guī)格書要求進行無損檢測。外觀檢測、磁粉檢測、超聲波檢測結(jié)果均滿足要求。

（2）理化性能 理化試驗主要進行了橫向減截面拉伸試驗、側(cè)向彎曲試驗、低溫夏比沖擊試驗、宏觀金相和硬度試驗。試驗按照ASTM A370—2010《鋼制品機械性能測試方法和定義》要求進行。理化性能試驗結(jié)果見表6。接頭宏觀形貌如圖2所示。

圖2 接頭宏觀形貌

（3）結(jié)果分析 由表6可知，焊接接頭的橫向減截面拉伸試驗結(jié)果滿足不小于母材抗拉強度規(guī)定值下限（490MPa）的要求，側(cè)彎試驗無缺陷，各個位置的低溫沖擊吸收能量均遠超過34J的標準要求，接頭宏觀形貌無缺陷，維氏硬度值低于要求的325HV10。試驗結(jié)果表明，焊接接頭的強度、塑性、韌性均表現(xiàn)優(yōu)異，滿足項目的要求。由于采用較小的熱輸入，以及最大層間溫度的限制，熱影響區(qū)得到下貝氏體，其整體表現(xiàn)出良好的韌性。這是由于熱輸入較小時，易獲得溫度較低的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。而伴隨轉(zhuǎn)變溫度的降低，轉(zhuǎn)變驅(qū)動力增加，增大了貝氏體、鐵素體中碳過飽和度。此時的碳元素尚可在鐵素體中進行短程擴散，從而在鐵素體基體上析出下貝氏體。與硬而脆的上貝氏體不同，由于下貝氏體所需的轉(zhuǎn)變溫度較低，使得碳擴散較為困難，因此碳化物彌散度高，強化作用大，表現(xiàn)出較好的沖擊性能。另外，由于熱影響區(qū)與焊縫距離不同的位置經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，從而導(dǎo)致其組織不均勻，因此表現(xiàn)為性能的不均勻性。距焊縫距離越大，受焊接的熱影響越小，其組織結(jié)構(gòu)也越均勻，沖擊性能趨于穩(wěn)定，且越來越接近于母材的沖擊值水平。由于鋼材的低碳當量以及合適的焊接參數(shù)，因此其整個焊接接頭的硬度值水平適中（190～252HV10）。硬度結(jié)果表明，并未檢測到明顯的高硬度區(qū)，間接說明在該焊接參數(shù)下，整個焊接接頭中并未產(chǎn)生馬氏體或上貝氏體等硬脆相。

表6 試件力學(xué)性能試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過開發(fā)陶瓷襯墊藥芯氣體保護焊工藝，免去了大間隙情況下大量的堆焊作業(yè)，提升了施工效率。通過將最大層間溫度限制在250℃，控制最大熱輸入為1.3kJ/mm，并限制打底焊時的焊接電流不超過200A，嚴格控制陶瓷襯墊的安裝，保證了焊接工藝的成功開發(fā)。陶瓷襯墊藥芯氣體保護焊工藝評定試驗結(jié)果表明，該工藝的各項指標均滿足項目要求，焊接接頭具備優(yōu)良的性能。