雙絲埋弧焊焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

楊秀芝，余圣甫，姚潤鋼，霍光瑞，周 強

(1.黃石理工學(xué)院 機電學(xué)院，湖北 黃石 435003；2.華中科技大學(xué) 材料學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.洛陽船舶材料研究所 725所，河南 洛陽 471039)

雙絲埋弧焊焊接工藝參數(shù)對焊縫成形的影響

楊秀芝1，余圣甫2，姚潤鋼3，霍光瑞3，周 強2

(1.黃石理工學(xué)院 機電學(xué)院，湖北 黃石 435003；2.華中科技大學(xué) 材料學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.洛陽船舶材料研究所 725所，河南 洛陽 471039)

為了研究雙絲埋弧焊這種高效焊接工藝對低合金高強鋼焊接成形質(zhì)量的影響，進行了雙絲埋弧焊對接試驗。試驗結(jié)果表明，電流、電壓一定時，改變雙絲排列方式從雙絲串列、并列到錯開方式，從接頭成形和力學(xué)性能分析來看，只有雙絲串列的雙絲埋弧焊工藝適合低合金高強鋼的對接焊接；為確保接頭成形質(zhì)量，雙絲間距、焊接速度以及焊接電流、電壓應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。采用大的焊接速度應(yīng)選用較小的雙絲間距，在中等焊接速度下，雙絲間距應(yīng)控制在20～100mm，同時焊接速度應(yīng)控制在60～100cm/min。該研究結(jié)果對多絲焊工藝的研究和其他合金鋼種的焊接有一定的參考價值。

雙絲埋弧焊；雙絲間距；雙絲排列方式；焊縫成形質(zhì)量

0 前言

低合金鋼具有優(yōu)良的低溫韌性和焊接性，廣泛地應(yīng)用于船舶、橋梁、管道等的重要結(jié)構(gòu)部位，使相關(guān)行業(yè)在提高設(shè)備性能、減輕設(shè)備質(zhì)量、節(jié)能降耗等方面取得了較大進步[1]。隨之而來，大厚鋼板的高效焊接問題也逐漸引起焊接界的關(guān)注，我國焊接生產(chǎn)效率低下，大大制約了船舶建造速度、質(zhì)量與生產(chǎn)成本，迫切需要發(fā)展船體結(jié)構(gòu)用高強鋼的高效焊接技術(shù)。與此同時，以雙絲、三絲為代表的多絲埋弧高效焊接技術(shù)在民用造船中逐漸嶄露頭角，而雙絲埋弧焊工藝是多絲埋弧焊接技術(shù)的一種重要方式，以其高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)的特點得到廣泛應(yīng)用，它是民用船應(yīng)用最廣泛的多絲埋弧焊工藝[2－3]，但它在大型工業(yè)和商業(yè)用艦船中的應(yīng)用還受到限制。雙絲焊是大熱輸入焊接方法，大熱輸入量下焊接HAZ的冶金韌化的研究有一定的報道[4]。多(雙)絲埋弧焊工藝的可變參數(shù)較多，如雙絲焊接電流、雙絲焊接電壓、焊接速度、雙絲排列方式、雙絲間距和雙絲傾斜角度等[5]。通過參考民船建造過程中雙絲埋弧焊工藝的實際應(yīng)用，開展了對船舶結(jié)構(gòu)材料10Ni3CrMoV鋼雙絲埋弧焊工藝的研究，詳細研究了在一定雙絲焊接電流和雙絲焊接電壓范圍內(nèi)，雙絲排列方式、雙絲間距和焊接速度等參數(shù)對焊縫成形、接頭截面形貌等的影響，并通過力學(xué)性能測定，確定了適合該鋼種對接焊接的雙絲排列方式、焊接速度和雙絲間距。

1 實驗材料和焊接方案

試驗?zāi)覆臑?6 mm厚的10Ni3CrMoV低合金調(diào)質(zhì)高強鋼板，鋼板的相變點 AC1＝725℃，AC3＝805℃，其化學(xué)成分見表1。試驗設(shè)備為AUTODSADW型Miller雙絲埋弧焊機，包含有兩臺焊接電源，焊接時前、后絲的電源極性組合為DCRP＋AC。雙絲排列方式為串列時，間距可調(diào)范圍為15～110 mm；并列時間距可調(diào)范圍最小為10 mm；雙絲錯開一定角度時可調(diào)節(jié)的范圍較大。雙絲串、并列位置示意如圖1所示。按雙絲排列方式不同分兩種情況考察10Ni3CrMoV鋼的雙絲埋弧焊工藝，在借鑒雙絲埋弧焊應(yīng)用的基礎(chǔ)上分兩種情況：一是雙絲串列排列時，在開V型坡口的試板上進行平板對接(見圖2)；二是雙絲并列和錯開一定角度，在平板上進行堆焊。

表1 批號17026，厚16mm的10Ni3CrMoV鋼化學(xué)成分 %

圖1 雙絲埋弧焊雙絲串、并位置示意

2 雙絲串列排列平板對焊試驗方案

雙絲埋弧焊平板對接坡口和裝配如圖2所示。雙絲串列對焊試驗中用焊接材料為10Ni3CrMoV鋼配套埋弧焊焊絲WS960和焊劑WF804。前、后焊絲規(guī)格均為φ 3.0，焊劑WF804為自研制的高堿度燒結(jié)焊劑，其堿度約為3.5，采用高堿度的焊劑可以保證焊縫金屬的高強韌性。焊劑烘干的熱處理規(guī)范為410℃×2h。雙絲埋弧焊對接焊接工藝參數(shù)見表2。焊劑堆積層高度為25～30 mm，焊接過程中應(yīng)嚴(yán)禁明弧焊接。焊接分為正、反兩面焊，先在有V型坡口的正面進行焊接，前絲、后絲應(yīng)與坡口底部在同一條直線上，并且對準(zhǔn)焊縫中心，嚴(yán)防焊偏而造成咬邊或未焊透等焊接缺陷。反面埋弧焊之前用φ 8mm碳棒碳弧氣刨刨槽，用砂輪機徹底打磨刨槽的氧化皮及夾碳部位。碳棒在使用之前按技術(shù)要求120℃、2 h烘干，壓縮空氣壓力 0.4～0.6 MPa。

3 雙絲串列對接實驗結(jié)果與分析

3.1 雙絲串列工藝對接頭成形的影響

3.1.1 雙絲間距固定，改變焊接速度

雙絲間距 40 mm，焊接速度為 60、80、100 cm/min時正、反面焊道成形及截面形貌如圖3所示。焊速80 cm/min時接頭焊道鋪展很均勻，無裂紋、咬邊、夾渣等焊接缺陷，焊道表面成形最好(見圖3b)；焊接速度為60 cm/min時，由于其焊接速度較慢，使得雙絲焊接過程中為共熔池狀態(tài)，其焊道表面鋪展有點過開，造成背面焊道蓋面余高不足，但其焊道成形一般(見圖3a)；焊接速度為 100 cm/min時，正面焊道成形較好，但背面焊道由于鐵水尚未完全鋪展開，成形較差，焊縫中部有凸出的中脊，并且部分地方出現(xiàn)咬邊(見圖3c)。

3.1.2 焊接速度固定，改變雙絲間距

焊接速度固定為80 cm/min，雙絲間距分別為20、40、60、100 mm 時正反面焊道成形及截面形貌如圖4所示。隨著雙絲間距的增大，明顯可以觀察出焊道寬度逐漸變窄，而從接頭截面形貌上觀察，熔深變化不大。雙絲間距為20、40 mm時，焊縫表面成形最好，寬度較均勻，未發(fā)現(xiàn)咬邊、夾渣等焊接缺陷(見圖4a、圖4b)；從圖4c、圖4d 可以觀察到，焊縫表面成形差，并且出現(xiàn)咬邊、夾渣等焊接缺陷，其中間距100 mm時最差，形成了高而窄的表面焊道，主要是由于雙絲間距過大，焊接過程中后絲走至前絲經(jīng)過的位置時，雖然可以利用前絲的余熱，但是焊縫金屬和由焊劑生成的熔渣已經(jīng)發(fā)生部分凝固，特別是熔融金屬的外圍部分已經(jīng)冷卻并凝固，使得后絲形成的焊道只能在前焊道的基礎(chǔ)上形成高且窄的焊道。

表2 雙絲埋弧焊串列對接工藝參數(shù)

圖2 雙絲埋弧焊平板對接坡口和裝配

圖3 雙絲間距為40 mm時接頭焊道及形貌

圖4 焊接速度為80 cm/min時焊道及截面形貌

3.1.3 大的雙絲間距和焊接速度

雙絲間距為100 mm和焊接速度為100 cm/min時焊道成形及接頭截面形貌如圖5所示。在此大規(guī)范條件下，其焊道表面成形差，邊緣參差不齊，呈波浪狀擺動，由此造成大范圍的咬邊和夾渣，并且其反面焊道上還有不連續(xù)的凹陷，主要是由于焊接速度過快，前絲焊道成形本來就差，部分位置發(fā)生高低起伏，后絲焊道走至同一位置時必然會發(fā)生抖動現(xiàn)象，使得焊道成形更差。從接頭截面上看，其熔寬很窄，而熔深較深，未發(fā)生未焊透的缺陷。在成形極差的情況下，其接頭及熱影響區(qū)的力學(xué)性能仍能達到要求。

圖5 雙絲間距100 mm焊速100 cm/min時正、反面焊道及接頭截面形貌

4 雙絲并列工藝對接頭成形的影響

4.1 雙絲并列時接頭焊道形貌

雙絲并列間距為10 mm、15 mm、20 mm時焊道形貌如圖6所示。由于間距較小，前、后絲電弧形成共用一個熔池，焊道表面不均，局部或整個焊道發(fā)生咬邊，成形較差。故采用雙絲并列焊接，隨著雙絲并列間距的增加，明顯可以得到較寬的熔寬，但由于其熔深較淺，若用于高強鋼的平板對接焊很容易造成根部未焊透、咬邊等缺陷，所以此排列方式并不適合高強鋼的平板對接焊。

圖6 雙絲并列無傾角時焊道形貌

4.2 雙絲錯開一定角度時接頭焊道形貌

雙絲呈錯開一定角度，縱向固定為25mm，橫向間距為5 mm、10 mm、20 mm時，焊道形貌和接頭截面形貌如圖7所示。當(dāng)橫向間距為5 mm和10 mm前、后絲電弧共用一個熔池，成形較好，并無明顯的焊接缺陷，且熔深較深，熔寬較寬。但由于雙絲橫向間距增大，明顯可見熔寬增大，而熔深較淺，主要是由于雙絲雖然共用同一熔池，但由于間距增大使得能量分散，導(dǎo)致熔深變淺而熔寬增大(見圖7b)。隨著雙絲橫向間距繼續(xù)增大，焊道表面成形很差，有多處發(fā)生咬邊、夾渣等缺陷。此時由于間距增大，雙絲熔池形成時雖然相連但明顯可見雙絲熔池之間有一個中脊產(chǎn)生，此規(guī)范下熔寬大大增寬(見圖7c)。可見，雙絲呈一定角度排列，在雙絲縱向間距固定時，橫向間距越大，焊道成形越差，越容易產(chǎn)生焊接缺陷。與雙絲并列排列時相似，雙絲呈一定角度排列時，接頭的熔深較淺，熔寬較寬，容易造成根部未焊透、夾渣等缺陷，也不適合高強鋼的平板對接焊。

5 雙絲串列對接焊力學(xué)性能測試

圖7 雙絲錯開一定角度時焊道表面和截面形貌

綜上所述，雙絲埋弧焊在雙絲串列、并列和錯開時焊道成形和接頭形貌來看，雙絲串列埋弧焊是最適合對接焊接低合金高強鋼。為了進一步驗證雙絲串列焊接效果，分別對雙絲串列埋弧焊工藝下對接試板進行接頭板拉和正反三點彎曲3a(180°)試驗和－50℃低溫夏比沖擊試驗。結(jié)果表明，雙絲埋弧焊焊接接頭的抗拉強度較大，正反面冷彎結(jié)果全部合格，接頭抗拉強度全部都大于700 MPa(力學(xué)性能指標(biāo)要求大于655 MPa)，24個試樣(每種規(guī)范取兩個試樣)中除四個試樣斷于焊縫，其他全部斷于母材，且值全部高于標(biāo)準(zhǔn)要求，表明10Ni3CrMoV鋼對雙絲埋弧焊工藝的焊接速度和雙絲間距變動的適應(yīng)性及穩(wěn)定性較好。

雙絲串列埋弧焊對接接頭的焊縫、熔合線上及距熔合線2 mm的熱影響區(qū)處－50℃時V型缺口夏比沖擊試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，－50℃時夏比沖擊功均高于指標(biāo)值(41J)。熔合線上的缺口沖擊值普遍較低，焊縫處的缺口沖擊比熔合線處的缺口沖擊值要高，而距熔合線2 mm處夏比沖擊值最好，表明采用雙絲串列埋弧焊時熔合線附近和焊縫仍是焊接接頭中的薄弱環(huán)節(jié)，但仍能達到要求。

6 結(jié)論

對于雙絲串列、并列和雙絲錯開等雙絲埋弧焊工藝，只有雙絲串列埋弧焊因焊縫表面成形好，接頭熔深較深容易焊透，熔寬合理不易產(chǎn)生夾渣、咬邊等缺陷且接頭力學(xué)性能好，適合低合金高強鋼的焊接成形，但有如下注意事項：

(1)焊接速度和雙絲間距應(yīng)合理搭配，焊接速度控制在 60～100 cm/min，絲間距控制在 20～100 mm。

(2)雙絲雙電弧形成共熔池時，可在較大的焊接速度變化范圍實現(xiàn)良好焊接成形。

表3 雙絲串列對接焊縫、熔合線上及距熔合線2 mm的HAZ處AKV(－50℃)沖擊試驗結(jié)果

(3)雙絲雙電弧形成兩分離熔池，在較低的焊接速度下才能保證良好的焊接成形。

[1]王九清，王文亮，吳建鵬.提高低合金高強度鋼強韌性的措施[J].寬厚板，2001，7(5)：10－15.

[2]韓 彬，鄒增大，曲仕堯，等.雙(多)絲埋弧焊方法及應(yīng)用[J].焊管，2003，26(4)：21－24.

[3]余圣甫，楊 可，雷 毅，等.大熱輸入焊接高強度低合金鋼熱影響區(qū)的晶粒細化[J].焊接學(xué)報，2008，29(3)：17－20.

[4]桂赤斌.高效率焊接條件下船體焊接接頭的韌化[J].電焊機，2008，38(12)：1－5.

[5]霍光瑞，朱丙坤，姚潤鋼.雙絲埋弧焊工藝參數(shù)與焊道成形關(guān)系研究[J].熱加工工藝，2007(15)：27－30.

Study on parameters of twin-wire submerged arc welding process to impact the weld shape and quality

YANG Xiu-zhi1，YU Sheng-fu1，YAO Run-gang2，HUO Guang-rui2，ZHOU Qiang1
(1.School of Huangshi technology，Huangshi 435003，China；2.Materials Institute of Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；3.Luoyang Ship Material Research Institute 725，Luoyan 471039，China)

A detailed study of how twin-wire submerged arc welding process to impact the welding forming quality on low alloy high strength steel.The experimental results show that when welding current and voltage is certain，double-wire with a change from two-wire serial，parallel to the staggered approach，from analysis of forming and mechanical properties of welding joint，only dual-wire submerged arc welding process of the two-wire serial is adapt to butt welding for low-alloy high-strength steel；To ensure that the joints forming quality，double-wire spacing，welding speed and welding current，voltage should be controlled within reasonable range；General，when a high welding speed is used,distance between pairs of wire should be selected smaller，while when welding speed is in the middle,the two-wire spacing should be controlled at the range of 20～100 mm；at the same time，welding speed should be controlled at 60～100 cm/min.The results has a certain reference value to the study of the multi-wire welding process and the welding of other types steel.

twin-wire SAW；double-wire spacing；two-wire arrangement；weld forming quality

TG445

A

1001－2303(2011)03－0060－05

2010－01－15

收稿日期：教育部博士點基金資助項目(200804870034)

楊秀芝(1974—)，女，湖北武漢人，博士，主要從事焊接熱效應(yīng)、高效焊接等方面的研究工作。