FCB法根部焊縫表面橫向裂紋分析及預防

徐糾糾 吳磊磊 江澤新 馬金軍

摘 要：FCB法單面埋弧焊廣泛應用于平直板的拼板焊接，但此方法焊接線能量較大，工藝控制不當有可能在根部焊縫出現(xiàn)表面橫向裂紋。本文從宏觀和微觀兩個方面分析了FCB法單面埋弧焊根部橫向裂紋的產(chǎn)生機理，并結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場制定了相應的工藝措施，改善了根部焊縫產(chǎn)生表面橫向裂紋的情況。

關鍵詞：FCB法；表面橫向裂紋

中圖分類號：U671.8 文獻標識碼：A

Abstract： FCB is widely used in the welding of straight plates， but transverse cracks always be found on the root welds because of its high heat input and improper process control. This paper analyzes the reasons for transverse cracks on the FCB root welds and presents the corresponding technology to prevent it

Key words： FCB； Transverse cracks on the root welds

1 前言

FCB三絲埋弧自動焊是在銅墊板上均勻撒布4～6 mm厚度襯墊焊劑，然后用空氣管等簡單的頂壓裝置將上述鋪好焊劑的銅墊板壓緊到接頭背面，使其與工件緊密貼合，再從正面進行單面焊接最終形成根部焊道的一種單面埋弧焊接法[1]。此焊接方法已廣泛應用于平直分段生產(chǎn)線的拼板焊接，與傳統(tǒng)的埋弧焊相比，減少了鋼板翻身時間、提高了電弧利用率，從而大幅度提高了焊接效率。但FCB單面埋弧焊在工藝控制不當時，有可能在根部焊縫出現(xiàn)表面橫向裂紋，必須采用焊縫修補工藝進行修補，反而降低了生產(chǎn)效率。目前，國內(nèi)外關于這方面的研究報道還很少。為了提高FCB焊的生產(chǎn)效率，本文通過試驗并從宏觀和微觀兩方面對橫向裂紋產(chǎn)生位置及形成機理進行研究，為FCB單面埋弧焊提供技術(shù)參考。

2 焊接試驗材料及方法

2.1 試驗焊劑與焊絲

試驗選用3組不同厚度的試板進行對比試驗，編號為1#、2#、3#。1#試板選用進口焊材，2#、3#則選用國產(chǎn)焊材。

2.2 焊接方法及參數(shù)

3組試板按工藝要求進行裝配，相關坡口參數(shù)見表1，焊接參數(shù)見表2。

3 根部橫向裂紋特征及形成機理

3.1 根部橫向裂紋特征

按照上述焊接材料及焊接參數(shù)，使用目前市面上主流的進口和國產(chǎn)焊材進行FCB焊接試驗。焊后對所有根部焊縫進行100%MT檢測，發(fā)現(xiàn)在根部焊縫的波谷位置出現(xiàn)橫向裂紋，如圖1所示。此類裂紋難以被肉眼發(fā)現(xiàn)，雖對焊縫波峰進行了刨除及打磨處理，實際上位于波谷的細微裂紋仍隱藏于焊縫中。

為了明確裂紋的形態(tài)，將裂紋部位沿焊縫方向剖開并進行打磨、拋光、腐蝕等處理后觀察其宏觀斷面形態(tài)，如圖2所示。從圖2可以看出，裂紋出現(xiàn)在焊縫根部表面位置且垂直于板厚方向，裂紋是從焊縫中心向焊縫熱影響區(qū)進行擴展的。

3.2 根部橫向裂紋形成機理

分析發(fā)現(xiàn)，由于部分坡口加工質(zhì)量達不到要求，容易引起焊漏或未焊透的情況，致使根部焊縫成型不均。坡谷位置的焊縫余高和寬度較坡頂位置明顯較小，本身強度較低，同時受應力集中影響，故容易產(chǎn)生裂紋。進一步分析發(fā)現(xiàn)，由于較低的余高保溫效果不足，所以焊縫冷卻不均勻，加上在焊縫凹處有應力集中，收縮而產(chǎn)生的拉伸變形超過了許應值，促發(fā)了裂紋的產(chǎn)生。

通過Zeiss光學顯微鏡觀察顯微組織，從圖3、圖4中可以看出：焊縫處主要的組織為大量的針狀鐵素體和少量的塊狀鐵素體。針狀鐵素體均勻且細小，交叉分布無方向性，具有優(yōu)良的強韌性，能夠阻止裂紋的擴展；而塊狀鐵素體是小角度晶界組織，在抵抗裂紋擴展性方面相對于具有大角度晶界的針狀鐵素體還比較薄弱[2]。由于外部工藝條件的影響和根部銅墊板的快速冷卻效果，使得凝固時低熔點共晶物富集于晶界，在焊縫內(nèi)部柱狀晶間橫向開裂，出現(xiàn)垂直于焊縫的橫向微裂紋。這些裂紋源于表面的凹陷處，此處由于余高的保溫作用不充分，晶粒未得到充分細化，塊狀鐵素體居多，然后逐漸向下擴展，直到接觸到具有強韌性的針狀鐵素體才停止擴展。

4 根部橫向裂紋預防措施

基于以上分析，結(jié)合焊接工藝的要求和平常使用FCB焊的一些經(jīng)驗，我們采取了一些防止產(chǎn)生表面橫向裂紋的措施：

（1）在鋼板吊運時采用磁吸吊，可以很大程度上防止鋼板發(fā)生變形，既減少切割坡口時的留根不均勻問題，也解決因鋼板變形造成的鋼板與根部焊劑貼合不嚴問題；

（2）改善切割的加熱方式，以減少鋼板切割變形；另外，切割時要注意保持切割過程中噴（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

嘴的角度一致，并經(jīng)常清理和及時更換噴嘴，提高坡口加工質(zhì)量；

（3）對裝配可能錯邊的部位，應通過敲打、鍥鐵等方式使鋼板根部盡量保持在同一平面上；有間隙的地方要盡量通過絲桿等工具拉緊貼合才點焊，對于少數(shù)確實難以拉合的部位要填焊；定位焊和填焊的高度要小于5 mm，焊后要打磨均勻；嚴格按照工藝要求安裝專用的引、熄弧板，確保引、熄弧板根部與鋼板處于同一平面上；

（4）焊前要認真檢查坡口角度、留根、填縫焊質(zhì)量及裝配間隙并作出標記，以便焊接時對應調(diào)整焊接電流、電壓或焊速；

（5）焊后采取緩冷措施，使根部焊縫與銅襯墊接觸5～6分鐘，且利用正面渣殼的保護下加蓋石棉布，直至焊縫冷卻到室溫后才移除。

5 結(jié)束語

通過對根部橫向裂紋的宏觀檢測和微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生橫向裂紋主要與坡口裝配質(zhì)量和焊后冷卻速率兩個因素有關。為此，結(jié)合實際生產(chǎn)情況制定并實施了相關控制措施，使根部焊縫產(chǎn)生橫向裂紋的情況得到明顯改善。

感謝以下項目對本研究的支持：廣州市科技計劃項目（201604046026）《極地凝析油船船體關鍵焊接技術(shù)研究》。

參考文獻

[1] 吳信保，楊念記，方長海.FCB法焊接在我國船舶領域的應用[J].金屬加工：熱加工，2012（6）.

[2] 萬響亮，李光強，吳開明.低合金高強鋼針狀鐵素體組合特征和形成機理[J].鋼鐵研究學報，2016，28（6）.