一種厚壁直縫鋼管的雙絲交流埋弧焊接工藝

田玉吉， 程尚華

（1. 青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司， 山東 青島266111；2. 山東蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司， 山東 煙臺265607）

0 前 言

埋弧焊工藝由于熔深大、 生產率高、 機械化程度高， 適用于中厚板結構的長焊縫焊接，在造船、 壓力容器、 橋梁、 鐵路車輛、 工程機械、 管道、 核電站結構、 海洋結構等領域有著廣泛的應用， 是當今焊接生產中使用最普遍的熔焊方法之一[1-2]。 在焊接厚板時， 通常使用多絲串列埋弧焊， 當發現電弧因受磁偏吹影響導致穩定性下降時， 一方面可以適當調整焊接電流的大小， 隨著電流逐漸增大， 電弧所受到的力也逐漸變大， 甚至影響焊接穩定性， 可以說電流是影響焊接穩定的主要因素[3]； 另一方面，可通過接地極選擇和電源的斯科特接法消除磁偏吹對電弧的影響。 目前實際生產線采用雙電源雙絲交直流埋弧焊， 利用前導的直流電弧獲得較大的熔深， 而后導的交流電弧作用在前絲所形成的金屬熔池上， 以便減小與前絲電弧間的相互影響與磁偏吹， 同時改善焊縫的外形和表面光潔度[4-7]。 同時， 當前導電極為交流時，由于其熱效率相對小， 焊接工藝參數相對增大， 使得熔池溫度更高， 熱循環過程相對較慢， 冶金反應更為充分， 更有利于焊縫中微量元素的擴散， 提高焊縫性能， 防止焊縫出現氣孔和熱裂紋[8]。 鑒于此， 本研究針對厚壁直縫鋼管， 采用藥芯焊絲氣體保護焊FCAW-GS 橫焊打底、 雙絲交流埋弧焊接系統平焊填充的組合方式進行了焊接工藝試驗研究。

1 試驗材料

本試驗選用HY E36-Z35 鋼板， 板厚32 mm，主要的化學成分和力學性能見表1 和表2。 根據焊接材料等強匹配原則， 為保證焊接接頭與母材具有同等的抗拉強度和抗淬硬脆化， 選用京群氣體保護藥芯焊絲GFL-71Ni （Φ1.2 mm / AWS 5.20/E71T-1J） 和 林 肯 埋 弧 焊 絲L-S3 （8500 焊 劑）（Φ4.0 mm/AWS 5.17/F7A8-EH12K H8）， 以滿足強度、 塑性、 韌性等技術要求， 焊材的化學成分見表3， 力學性能見表4。 焊接設備采用雙電源LINCOLN AC-1200， 采用AR862A 型紅外測溫槍監測預熱及層間溫度， 采用KYORITSU 型萬用表測定焊接電流及電壓。

表1 試板的主要化學成分

表2 試板的主要力學性能

表3 焊材的主要化學成分

表4 焊材的主要力學性能

2 工藝試驗的實施

2.1 焊接工藝試驗

本試驗采用X 形坡口組對形式， 坡口角度60°， 組對焊縫間隙1～3 mm， 鈍邊尺寸1～2 mm，試板尺寸為32 mm×200 mm×1 000 mm。 分別采用藥芯焊絲氣體保護焊FCAW-GS 進行橫焊焊道1和焊道2 的打底及埋弧焊平焊焊縫填充， 藥芯氣體保護焊電源極性為直流反接， 采用CO2（25%） +Ar （75%） 混合氣體保護。 埋弧焊電源極性為雙絲雙弧交流， 焊劑采用林肯8500 焊劑，前絲與后絲間距為20～25 mm， 后絲與前絲的交角為10°～15°， 焊絲干伸長為25～30 mm。

焊接前對焊縫坡口區域打磨清理， 除去坡口表面及附近的鐵銹、 油脂等影響焊縫性能的雜質， 打磨范圍為距離焊縫坡口邊緣20～30 mm 區域， 直至打磨光亮為止， 然后采用丙酮或酒精進行擦洗。 為降低鋼材的淬硬程度， 延緩或改善焊縫的冷卻速度， 以利于氫的溢出和應力條件的改善， 降低接頭的延遲裂紋傾向， 選取預熱溫度≥85 ℃， 控制層間溫度≤200 ℃。FCAW-GS 橫焊焊道1 和焊道2 打底焊接完成后， 需對FCAW-GS 橫焊打底進行清根處理，再進行焊縫坡口另一面的焊接， 焊接順序如圖1所示， 焊接結束后緩冷至室溫， 焊接工藝參數見表5。

圖1 焊接道次示意圖

表5 焊接工藝參數

焊接完成24 h 后， 對焊接試板外觀進行檢驗， 無咬邊、 焊瘤、 余高過高及表面裂紋等缺陷； 無損探傷 （MT、 UT、 RT） 檢驗結果均滿足標準要求。 根據AWS D1.1[9]及美國材料與試驗協會標準ASTM A370[10]， 切取試樣對焊縫進行宏觀金相分析和常規拉伸、 彎曲、 維氏硬度、 -40 ℃低溫夏比V 形沖擊試驗 （試樣10 mm×10 mm×55 mm） 等力學性能測試。

2.2 試驗結果及討論

焊縫接頭宏觀形貌如圖2 所示， 從圖2 可以看出， 填充金屬與母材熔合良好， 宏觀斷面未發現未熔合及裂紋等焊接缺陷。 拉伸試驗結果顯示， 試樣抗拉強度為525 MPa。 彎曲試驗后， 所有側彎試樣表面光滑無開裂現象發生。對焊縫接頭在-40 ℃的10 個不同位置各取3 個試樣進行夏比V 形沖擊試驗， 沖擊功平均值見表6， 從表6 可知， 平均沖擊功均遠大于34 J（-40 ℃）， 表明焊接接頭低溫韌性良好， 但相比焊縫的其他區域而言， 焊縫中心是韌性相對薄弱區。 分別對焊縫、 母材及熱影響區所屬的10 個區域進行維氏硬度測試， 各區域測取3 個硬度值， 其平均值見表7， 從表7 可知， 焊接接頭中的焊縫金屬、 熱影響區、 母材的硬度檢測值均小于350HV10， 滿足AWS D1.1 焊接規范的要求。

圖2 焊縫接頭宏觀形貌

表6 夏比V 形沖擊試驗結果

表7 焊接接頭硬度檢測結果

3 結 論

（1） 采用藥芯焊絲氣體保護焊（FCAW-GS）橫焊打底與雙電源雙絲交流埋弧焊 （SAW） 焊接系統平焊填充組合的方式進行了焊接工藝試驗， 焊接過程中雙絲交流電弧穩定， 得到了成型良好且力學性能優異的焊接接頭。

（2） 焊縫接頭宏觀形貌和力學性能測試表明， 焊縫接頭滿足AWS D1.1 焊接規范的要求。

（3） 該工藝已經成功應用于厚壁直縫鋼管的焊接， 長期的焊接生產實踐表明， 產品質量穩定。