埋弧焊40mm厚板焊接工艺探究

埋弧焊40mm厚板焊接工艺探究

杨光

山海关船舶重工有限责任公司    06620

摘要 ：   探索40mm板厚埋弧自动焊的焊接。

通过长期的实际生产经验结合焊接理论分析证明，焊接接头优良的质量，不仅取决于焊接工艺，而且要制定一整套各工艺参数的优化设计来保证，任何一个环节都不可忽视。全面提升焊接技术、实际焊接操作水平，掌握关键技术和质量控制能力，实现厚板埋弧焊的高效、优质焊接，为埋弧自动焊焊接中厚板开辟新途径。

关键词： 厚板   电流密度   熔深系数    优化设计 

1、埋弧焊的工作原理

        图1  埋弧焊机工作原理图

埋弧焊的电弧是被埋在颗粒状焊剂层下燃烧的，焊丝末端和焊件之间在电场作用下产生电弧，电弧的热量不仅使熔化了的焊丝和焊件金属构成了熔池，同时也使焊丝末端周围的焊剂熔化，形成熔渣，部分熔渣分解形成一个气体空穴，笼罩在电弧周围。气体空穴又被一层熔渣所包围，已熔化的焊丝和被焊金属的液态金属形成的熔池得到了良好的熔渣保护，不与空气接触。同时焊剂和液态金属发生冶金反应。随着电弧的移动，熔池在熔渣保护下缓慢冷却形成焊缝。

在埋弧焊中颗粒状的焊剂对电弧和焊接区起保护和合金化作用，而焊丝则用作填充金属。

                                   图2弧压反馈式电路图

电路的作用是当焊丝反抽起弧结束转入到送丝焊接时，由继电器k4切换送丝电机方向，晶体管V1 、V2的作用是将Uba信号放大,驱动k4动作。在起弧开始阶段，比较电路UR＞UfcUba为“+”，V1 导通、V2截止，k4处于释放状态，k4常闭触头接通送丝电机电枢回路，送丝电机转向为抽丝状态。随着电弧电压的建立，Uf升高并逐渐抵消Ug,, Uba亦随之减小为零，这时V1因无基极电流而截止，V2导通，k4吸合。电机的主电路由k4常闭触点转为常开触点接通，电机电枢电压方向转变，转向随之转变，使焊丝转入向下送丝状态。正常焊接时Uf＞Ur, Uba为负，k4维持在吸合状态。[1]

2.1、 现状技术分析：

目前的埋弧焊焊接，厚度＞15mm的板材，便采用开坡口焊接，即通过开坡口才能焊透，保证焊接质量。随着厚度的增加，坡口形状及角度均发生变化，但钝边厚度（4-6mm）却相似。对于厚度为40mm以上板的焊接，焊接层数多，焊材填充量大，焊接变形大，焊接效率低。能否改变其现状，分析如下：

2.1.1  焊缝金属的含碳量

埋弧焊的成型系数规定是熔宽与熔深之比要大于1.3倍（即K＞1.3），这就决定了焊缝的形状宽而浅，为使埋弧焊的焊接熔深和焊道坡口角度吻合，钝边厚度便限制在4-6mm。这样做有利于避免焊缝在冷却、结晶过程中，焊缝中心因最后冷却形成粗晶区域，粗晶强度较差，在焊缝收缩应力的作用下，形成应力裂纹。再者，亦可避免因焊缝金属的含碳量大于0.14%，母材杂质大于0.04%时所形成的焊缝中心热裂纹。无论是应力裂纹还是热裂纹主要根源在于焊缝金属的含碳量，它由几部分构成，一是母材的含碳量，二是焊材的含碳量，三是熔合比。对于船板来讲含碳都会小于0.21-0.23%，埋弧焊焊材的碳含量会在0.05%左右，而焊缝金属的碳含量取决与熔合比，假如熔合比为50%（由于坡口形式不同，坡口角度不同，熔合比不同，但都会小于50%）这样，焊缝金属的含碳量都会小于0.14%，热裂纹基本否定，加上船板的杂质含量都会小于0.035%，同时焊材中又加入综合杂质作用的元素，使杂质的影响进一步减弱，这样，即使形成深而窄（梨形）的焊缝所导致的焊缝中心裂纹倾向极小，突破焊缝规定的成型系数，亦可避免焊缝横截面形成窄而深的形状导致焊缝中心热裂

2.1.2  焊接熔深

依照埋弧焊的成型系数，通用焊丝直径4-4.8mm，电流的上限800A左右，焊接电流大，电弧电压较高，弧长加大。有些类型的焊机存在一元化设计，既增加电流的同时，电压也按一定幅度增加。焊接电流直接影响熔深，电弧电压决定熔宽，在输出功率一定的前提下，用于焊接熔深的能量下降，熔深系数减小，用于焊缝熔宽的能量增加，焊缝的横截面宽而浅，这样使焊机的能量，消耗在不需要的地方。改变焊机的输出状态，让焊接熔深加大的同时，焊缝熔宽略有增加，即熔宽增长率小于熔深增长率。

2.1.3  电弧刚度

焊丝伸出长度较大时，焊丝的电阻率一定，伸出部分的焊丝产生大量的电阻热，使焊丝熔化后向熔池过渡的液态体积加大，电弧刚度下降，焊接熔深必然下降。调整焊丝伸出长度小于正常值，以提高电弧刚度加大熔深。

2.1.4  焊接速度

焊接速度慢影响熔深。焊接速度决定焊缝的横截面形状，在其他参数不变的情况下，当焊接速度适当时，电弧的热量传导所形成的熔池横截面符合原焊缝成型系数。随着距弧根尺寸加长，电弧热量逐渐减弱，焊缝的横截面为上宽下窄。当焊接速度较快时，电弧的热量来不及充分传给焊缝底部。若焊接速度过慢，电弧热量充分传给焊缝下部，使焊缝横截面上、下宽近似于相同，而造成热量上的浪费，（焊缝在焊透的前提下，焊缝宽愈小愈好）。电弧热量上的浪费就意味着熔深下降。调整焊接速度，使浪费的电弧热量全部用于所焊接焊缝的熔透深度上。

2.2  解决方案：

2.2.1  被焊金属  

船用钢板（E36、E32、D36、D32、A36、A32、A、B、D、E）

35mm＜焊接厚度≤45mm

焊丝H10Mn2 C:  0.085  Mn: 1.64  Si: 0.025  P: 0.017   S: 0.020   Cu: 0.19Ni: 0.01    Cr: 0.026屈服强度（≥400N/mm2）  抗拉强度（490-660N/mm2）   伸长率（≥22%）  冲击功（-20℃ ≥34J）   

焊丝直径  Φ3.2

焊剂SJ101    屈服强度（≥400N/mm2）  抗拉强度（480-650N/mm2）           伸长率（≥22%）   冲击功（-40℃ ≥27J）   

2.2.2  坡口型式：双Y型  间隙 0-1mm   钝边厚度20mm 坡口角度65-70°（图）：

图3.坡口型式图

2.2.3  焊接工艺参数  

2.2.3.1  焊丝直径

常规埋弧焊（板厚＞15mm）都是开坡口焊接，钝边尺寸小（留根厚度小），焊透时所涉及到的熔深小，所需要的填充金属较多，故都采用较大直径焊丝（Φ≥4.0），以提高金属填充量和焊接速度。原常规的焊接工艺，无需考虑不同直径焊丝的熔深系数，更谈不上利用其不同焊丝直径的熔深系数。对于不同的板厚焊接，采用不同的焊接电流，对应有不同的焊丝直径。

见表1。

不同焊丝直径对应有不同的焊缝熔深（减小焊丝直径，焊接电流的密度增大，电弧变窄，熔深增加），见图2：

Φ4.8mm             Φ4.0mm       Φ3.2mm

大                                       小

                    焊丝直径

图4 熔池与熔深

从图2看出，直径Φ=3.2mm焊丝，焊接时熔池体积小，易形成熔透深度较大的焊缝。对于双Y型坡口大钝边厚度焊接，则要求熔深大，焊透，填充金属少，减少焊材消耗。本工艺方案改变原有焊丝直径所对应的焊接电流，突破Φ=3.2直径焊丝所使用的最大电流值，使其电流值增至700A以上，充分利用Φ=3.2直径焊丝的熔深特点，焊接时，既增加了熔透深度，又减少了焊丝消耗。

2.2.3.2焊接电流

在焊丝直径不变的前提下，焊接电流增加，熔深增加，即H=KI，（H是熔深、I是电流、K是熔深系数，通常为1-1.1）[2]常规的埋弧焊，每增加100A电流，其熔深增加约1mm，（当电流增加到一定数值，随着焊接电流增加而熔深下降）。本工艺方案是通过增加焊接电流密度来实现焊接的（原Φ=3.2，最大焊接电流500A时,电流密度63A/mm2,改变为Φ=3.2，最大焊接电流700A,电流密度87A/mm2）。电流密度的增加，电弧刚度（挺直度）增加，焊接熔深加大。突破原熔深系数的范围，实现K＞1.7，使得焊道单面焊接的熔深＞11 mm。原埋弧焊焊接时，由于焊机容量的限制，最大焊接电流值是一定的，所用焊丝直径较大时电流密度受到限制，电弧刚度较小，熔深较浅。大钝边厚度焊接就受到限制。

2.2.3.3  电弧电压

在其他焊接参数不变的情况下，电弧电压值影响着焊缝宽度及熔透深度，电压低，熔宽较小，则熔深略有增加。反之亦然。常规的埋弧焊，焊接电流与电弧电压要符合此关系公式即U=0.02I+22，即按焊接电流值选择合适的电弧电压值，按此焊接电流与电弧电压的配比关系形成的焊缝熔深较小，焊缝却较宽，但符合埋弧焊焊接标准。这种配比关系使焊接熔透深度受到限制（焊机输出功率是一定的，电弧电压高，焊接电流值必下降，熔深亦下降）。本工艺方案突破了焊接电流与电弧电压的关系式，即U=0.02I+18。焊接电流与电弧电压值的参数重新组合后，使得焊缝的熔透深度增加，熔宽略有下降，其焊缝的横截面形状与常规横截面形状有所改变。即焊缝的成形系数，熔宽与熔深的比例，原成型系数1.3，现成型系数＜1.7。

2.2.3.4  焊丝伸出长度

原埋弧焊焊丝伸出长度为10倍的焊丝直径，甚至更长。由于焊丝伸出长度较长，埋弧焊焊接时焊缝熔宽较大，熔深较浅，无法焊透钝边较厚的钢板。本工艺方案通过改变原有焊丝伸出长度，使其为20-25mm，既能够完全实现“埋弧”，保护好焊接熔池金属不受外界侵害，保证焊接质量，又使导电嘴不接触焊接熔池金属及焊后形成的保护作用的渣壳，即：不影响焊接的正常进行。最主要的是减小了电弧的覆盖面积，从而减小了焊缝的宽度。减小焊丝伸出长度“短弧焊”，焊接电弧热能量更集中，增加了焊缝的熔透深度。

2.2.3.5   焊接速度

在其他焊接参数不变的情况下，焊接速度过慢，余高较高，熔深相应减小。焊缝横截面的两侧呈近直线状（见图3）

                  焊接速度过慢             焊接速度正常

图5  焊接速度与熔池关系

对于厚板的埋弧焊焊接，焊接电弧热量存在着较多的横向扩散，电弧热量消耗较多，作用于焊接深度的电弧热量相应减少，使焊接实际熔透深度降低，焊接速度选择在适当的量值上，尽量使焊接电弧热量全部用于熔化焊丝和增加熔深上，使焊缝横截面成理想形状。

2.2.3.6焊剂堆积高度及焊丝倾斜角度

焊剂堆积高度对焊道的熔透深度也有一定影响，焊剂堆积高度能改变焊道的成形系数。焊剂堆积高度太薄，电弧不能完全埋入焊剂中，电弧燃烧不稳定且出现闪光，热量不集中，降低焊缝熔透深度。 因此焊剂层的厚度应加以控制，使电弧不闪光，同时又能使气体从焊丝周围均匀逸出。根据40mm板厚焊接选用的焊丝直径和所使用的焊接电流，焊剂层的堆散高度应在30mm-35mm的范围内。

40mm板厚埋弧焊焊接，焊丝倾斜角度很重要，增加焊丝前倾斜角度（3°—6°），电弧大部分热量集中焊接熔池，倾斜的电弧吹力能把熔池中的液态金属向后推移，使电弧能进一步潜入基本金属，焊接熔透深度增大，而焊缝熔宽减小，焊缝余高随之略有增大。选择正确的焊丝前倾斜角度，可适当降低焊接电流，减少焊接热输入，最大限度控制焊接变形。

2.2.3.7   埋弧焊焊接参数优化：

焊接电源极性、焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊丝伸出长度、焊接速度等焊接参数进行优化，即：直流电源（反接法）

焊丝直径：Ф3.2mm；    焊接电流：730-750A；   电弧电压：32-34V；

焊接速度：25-27cm/min    焊丝伸出长度：20-25mm；

焊剂堆积高度：30mm-35mm; 前倾角度：3°—5°等。   

在此范围内实现最优组合，可焊接钢板坡口钝边厚度达20mm ， 焊缝外观成型符合要求、焊缝内部又无缺陷的优质焊道。

2.2.4焊接过程为双道双面焊（先焊1,2,翻身后焊3,4）  

                                 图6  双道双面焊焊接工艺

2.3本工艺方案优点 ：

2.3.1减小了焊丝直径，坡口钝边厚度增大，焊缝的横截面积降至尽量小，焊材消耗降至最低，实现40mm板厚埋弧焊双道双面焊接完成。

2.3.2减少了40mm板厚埋弧焊焊接变形及调整焊后变形的各种消耗，减小了不必要的被焊金属力学性能下降的机率。

2.3.3焊接效率大大提高。

2.4  实施方案

2.4.1 被焊金属材质：  

AH36  屈服强度（≥355N/mm2）  抗拉强度（490-620N/mm2）伸长率（≥21%）  冲击功（0℃ ≥34J）  试板尺寸1000mm×500mm×2块     厚度40mm    

2.4.2焊材材质：

焊丝： H10Mn2(配合使用SJ101)   C: 0.085  Mn:1.64  Si:0.025  P:0.017  S:0.020 Cu:0.19 Ni:0.01 Cr:0.026屈服强度（≥400N/mm2）  抗拉强度（490-660N/mm2）伸长率（≥22%）   冲击功（-20℃ ≥34J）   

    焊剂： SJ101（配合使用H10Mn2）屈服强度（≥400N/mm2）  抗拉强度（480-650N/mm2）伸长率（≥22%）   冲击功（-40℃ ≥27J）   

2.4.3工艺参数：  

即：直流电源（反接法）

焊丝直径：Ф3.2mm；    焊接电流：730-750A；   电弧电压：32-34V；

焊接速度：25-27cm/min    焊丝伸出长度：20-25mm；

焊剂堆积高度：30mm-35mm; 前倾角度：3°—5°等。   

2.4.4焊道外观检验：焊缝宽度（＜30mm）、余高（1-2mm）等符合要求（图片）

2.4.5焊道无损检验：（超声探伤UT）合格（造船Ⅰ级标准）（附UT报告）

2.4.6宏观检验 ：符合要求（图片）。

图7 40mm板厚焊缝成形宽度＜30mm 图8   焊后宏观检验

图9 超声波检测报告

参考文献：

【1】侯志敏，焊接技术与设备，西安交通大学出版社。2011

【2】史耀武，焊接技术手册，化学工业出版社.2009

【3】中国机械工程学会焊接学会，焊接手册，机械工业出版社.2008

【4】邓红军，金属熔焊原理，机械工业出版社.2011

【5】英若采，熔焊原理及金属材料焊接，机械工业出版社.2005

作者简介：杨光（1973-），男，河北省秦皇岛市人，高级工程师，制造部主要从事钢结构的建造。

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