大直徑焊絲埋弧焊接工藝研究

王笛 闕子雄 杜冰冰 馮林濤 章慶安 水峰 胡誠安 張杰

摘要：根據(jù)工廠現(xiàn)有設(shè)備輸出參數(shù)（電流、電壓）的情況，通過引入埋弧焊用大直徑焊絲（φ5.0 mm、φ6.0 mm）替代現(xiàn)有φ4.8 mm埋弧焊焊絲，以提高埋弧焊單位時(shí)間的熔敷效率，達(dá)到提高埋弧焊焊接效率的目的。由熔敷金屬試驗(yàn)和焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)驗(yàn)證，φ5.0 mm和φ6.0 mm焊絲熔敷金屬及焊縫的力學(xué)性能和化學(xué)成分基本一致，均符合國(guó)標(biāo)要求，熱影響區(qū)組織和焊縫區(qū)組織由鐵素體+珠光體組成，無馬氏體，接頭無肉眼可見的裂紋、未熔合等缺陷。焊接相同板厚的構(gòu)件所耗電能大致相同。為大直徑焊絲高效焊接提供了可靠的技術(shù)依據(jù)，可為今后相關(guān)工程施工焊接提供參考。

關(guān)鍵詞：大直徑焊絲;大線能量;埋弧焊;焊接工藝評(píng)定;高效

中圖分類號(hào)：TG422.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）05-0103-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.19

0 ? ?前言

隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展[1]，傳統(tǒng)的小直徑埋弧焊絲難以滿足加工制作進(jìn)度要求，產(chǎn)能缺口較大。以往工廠流水線班組埋弧焊焊接時(shí)通常采用φ4.8 mm的焊絲，焊接方法為單絲、雙絲、三絲組合的方式分別進(jìn)行[2-3]。當(dāng)產(chǎn)能飽和時(shí)，需將構(gòu)件的組拼轉(zhuǎn)至裝焊生產(chǎn)線，采用氣保焊絲進(jìn)行填充蓋面能緩解產(chǎn)能瓶頸。由于氣保焊焊絲相較于埋弧焊焊絲的單價(jià)高，且需人工操作進(jìn)行施焊，不僅大大增加了生產(chǎn)成本，而且增加了焊縫質(zhì)量的不確定性，降低了構(gòu)件的焊縫外觀成形質(zhì)量。

為緩解產(chǎn)能瓶頸，提高加工生產(chǎn)能力，充分利用設(shè)備功率的冗余度，最大限度地發(fā)掘現(xiàn)有設(shè)備的價(jià)值，可通過采用大直徑焊絲提高熔敷效率來進(jìn)行改善。為探究大直徑焊絲大線能量焊接施工工藝的合理性，需要驗(yàn)證焊接電流電壓，焊后接頭的穩(wěn)定性、安全性、探傷情況以及各項(xiàng)力學(xué)性能等[4-5]。文中詳細(xì)介紹了浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司在生產(chǎn)過程中對(duì)大直徑焊絲用埋弧焊工藝的研究情況。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研及咨詢，部分廠家生產(chǎn)的φ6.0 mm和φ5.0 mm埋弧焊焊絲的力學(xué)性能及化學(xué)成分均符合當(dāng)前生產(chǎn)要求[6]，相較于現(xiàn)有的φ4.8 mm埋弧焊焊絲，理論上效率可分別提高25%和4.2%左右。φ4.8 mm、φ5.0 mm、φ6.0 mm埋弧焊絲的力學(xué)性能和成分分別如表1、表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)前階段

（1）根據(jù)GB/T5293-2018《埋弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)心焊絲、藥芯焊絲和焊絲-焊劑組合分類要求》的規(guī)定以及廠家的質(zhì)保書和操作說明等，選定所需焊絲的型號(hào)和相匹配的焊劑。

（2）選定25 mm厚鋼板，焊前需保證鋼板平直、無割渣、無割痕等缺陷，同時(shí)開設(shè)35°單V坡口。

（3）鋼板對(duì)接施焊前，對(duì)焊道進(jìn)行打磨，保證焊道坡口面50 mm范圍內(nèi)無銹蝕、油污渣屑、飛濺等雜質(zhì)[7-8]。

（4）在溫度300～350 ℃對(duì)焊劑進(jìn)行烘干2 h，同時(shí)避免焊劑出現(xiàn)受潮、結(jié)塊現(xiàn)象[7]。

（5）零件板組拼拼接時(shí)保證板厚方向平齊，避免出現(xiàn)錯(cuò)邊現(xiàn)象。同時(shí)在焊縫兩端位置加設(shè)引弧板，引弧板與零件板板厚相同，如圖1所示。

1.2.2 試驗(yàn)階段

（1）根據(jù)廠家提供的焊接參數(shù)，合理選擇參數(shù)，并進(jìn)行施焊。焊接時(shí)保證層間溫度控制在150～250℃，同時(shí)要保證焊接的連續(xù)性。具體焊接參數(shù)見表3。

（2）根據(jù)GB 5293-2018要求、試驗(yàn)操作要點(diǎn)及焊接參數(shù)，分別對(duì)φ6.0 mm、φ5.0 mm埋弧焊用粗焊絲樣品進(jìn)行力學(xué)性能和化學(xué)成分的熔敷金屬試驗(yàn)，如圖2所示。同時(shí)與常規(guī)使用的φ4.8 mm焊絲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

（3）根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/50661-2011要求、試驗(yàn)操作要點(diǎn)及焊接參數(shù)，同時(shí)以箱體、H型鋼構(gòu)件的T型接頭和對(duì)接接頭的焊接形式，模擬選取Q345C、Q420GJC對(duì)接接頭、十字接頭共計(jì)十四組的單絲、雙絲、多絲的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，分別檢測(cè)其力學(xué)、宏觀、金相性能，另外同以往常規(guī)使用的φ4.8 mm的焊絲數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。具體試驗(yàn)焊絲組合形式如表4所示，試驗(yàn)過程如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熔敷金屬試驗(yàn)

熔敷金屬力學(xué)性能和化學(xué)成分如表5、表6所示。由表可知，熔敷金屬主要化學(xué)元素及力學(xué)性能檢測(cè)均符合GB 5293-2018要求，均可滿足Q345、Q390、Q420鋼材性能要求。其中φ6.0 mm較φ4.8 mm焊絲的屈服強(qiáng)度明顯高出40 MPa，其他化學(xué)成分和力學(xué)性能類似，φ5.0 mm與φ4.8 mm焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能和化學(xué)成分基本一致。具體對(duì)比如表5、表6所示。

2.2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

焊接工藝評(píng)定結(jié)果顯示，其力學(xué)、宏觀、金相均滿足GB/50661-2011國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)性能要求。

2.2.1 力學(xué)性能分析

以當(dāng)前工廠加工生產(chǎn)的焊接形式，選取焊接頻率較高的鋼材Q345C三絲焊接，分別對(duì)φ5.0 mm、φ6.0 mm焊絲中的對(duì)接接頭的力學(xué)性能與φ4.8 mm焊絲以往數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）不同直徑焊絲對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)比如圖4所示，φ5.0 mm相比國(guó)標(biāo)要求平均高出約90 MPa，較φ4.8 mm高出約36 MPa。φ6.0 mm較國(guó)標(biāo)要求高出約50 MPa，與φ4.8 mm相似，具體如表7所示。

（2）根據(jù)線能量公式q=UI/v，計(jì)算出φ6.0 mm和φ5.0 mm焊絲的前絲、中絲、后絲的大線能量，如表8所示。

在表7中大線能量的情況下，從試驗(yàn)沖擊吸收功的結(jié)果來看，均符合國(guó)標(biāo)要求。其中φ5.0 mm較國(guó)標(biāo)要求平均高出約36 J，較φ4.8 mm略低17 J。φ6.0 mm較國(guó)標(biāo)要求高出約26 J，較φ4.8 mm低27 J。具體對(duì)比如圖5所示。

（3）由側(cè)彎結(jié)果可以看出，均無裂紋，符合國(guó)標(biāo)要求。

2.2.2 微觀組織對(duì)比分析

（1）φ4.8 mm、φ5.0 mm、φ6.0 mm焊絲對(duì)接接頭熱影響區(qū)和焊縫區(qū)微觀組織檢測(cè)結(jié)果如圖6～圖8所示。

由圖6可知，熱影響區(qū)由鐵素體+珠光體組成，越靠近右側(cè)焊縫側(cè)的熱影響區(qū)鐵素體越細(xì)小，呈彌散分布，越靠近左側(cè)母材側(cè)的鐵素體組織，帶狀越明顯。焊縫區(qū)組織由鐵素體和珠光體組成，鐵素體呈樹枝狀排列。

由圖7可知，熱影響區(qū)由鐵素體+珠光體組成，越靠近左側(cè)焊縫側(cè)的熱影響區(qū)鐵素體越細(xì)小，呈彌散分布。越靠近右側(cè)母材側(cè)的鐵素體組織，帶狀越明顯。焊縫區(qū)組織由鐵素體和珠光體組成，鐵素體呈樹枝狀排列。

由圖8可知，熱影響區(qū)由鐵素體+珠光體組成，越靠近左側(cè)焊縫側(cè)的熱影響區(qū)鐵素體越細(xì)小，呈彌散分布，越靠右側(cè)近母材側(cè)的鐵素體組織，帶狀越明顯。焊縫區(qū)組織：由鐵素體和珠光體組成，鐵素體呈樹枝狀排列。

根據(jù)組織分析可知，在大線能量焊接狀態(tài)下，3種不同規(guī)格的大直徑焊絲都得到了相同的焊縫組織：鐵素體+珠光體，鐵素體的塑性和韌性較好，珠光體的強(qiáng)度、硬度和韌性較高，兩者均可增加焊接接頭的力學(xué)性能。經(jīng)觀察金相組織，均無其他缺陷組織。

2.2.3 維氏硬度

硬度取樣分別按A、B兩條線進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)區(qū)域選擇3個(gè)點(diǎn)，測(cè)試順序從左向右，如圖9所示。

試驗(yàn)荷載為10 kgf，加載時(shí)間為12 s，維氏硬度測(cè)試結(jié)果如表9～表11所示。由表可知，所有數(shù)據(jù)均符合GB 50661-2011要求，其中熱影響區(qū)硬度最高，且小于350 HV10，說明無馬氏體。隨著焊絲直徑的增大，熱影響區(qū)的硬度值也有增大的趨勢(shì)。

2.2.3 宏觀試驗(yàn)

宏觀試驗(yàn)時(shí)，采用冷酸法對(duì)試樣焊縫區(qū)域進(jìn)行低倍宏觀檢驗(yàn)，接頭均無肉眼可見裂紋、未熔合等缺陷。具體如圖10所示。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

上述試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用φ6.0 mm、φ5.0 mm大直徑焊絲替代φ4.8 mm焊絲，在大線能量焊接狀態(tài)下經(jīng)熔敷金屬試驗(yàn)和工藝評(píng)定，結(jié)果均符合國(guó)標(biāo)要求，并能滿足車間設(shè)備加工能力。

3 效益分析

3.1 效率分析

從大直徑焊絲的推廣效果來看，φ6.0 mm焊絲的焊接效率相較于常規(guī)φ4.8 mm焊絲提升約25%;

當(dāng)板厚T小于30 mm時(shí)，φ5.0 mm焊絲相較于常規(guī)φ4.8 mm焊絲效率可提升約5%，當(dāng)30 mm≤T≤

40 mm時(shí)，φ5.0 mm焊絲可少焊1～2道。詳細(xì)提升效率如表12所示。

3.2 用電量分析

（1）由焊接數(shù)據(jù)跟蹤記錄可知，4.8 mm焊絲平均用電量為26.986 kW·h。5.0 mm焊絲平均用電量為27.688 kW·h。在焊接相同板厚的構(gòu)件情況下，焊接用電量相差無幾。

（2）由焊接數(shù)據(jù)跟蹤記錄可知，對(duì)比φ6.0 mm與φ4.8 mm焊絲，當(dāng)焊接25 mm板厚時(shí)，φ6.0 mm焊絲1 h內(nèi)的耗電量與φ4.8 mm焊絲1.25 h內(nèi)的耗電量類似。但φ6.0 mm焊絲的焊接效率約為φ4.8 mm焊絲的125%， 故兩者在焊接相同板厚構(gòu)件的情況下焊接總用電量類似。

4 結(jié)論

由熔敷金屬試驗(yàn)結(jié)果可知，φ6.0 mm較常規(guī)使用的φ4.8 mm焊絲的屈服強(qiáng)度高出40 MPa，其他化學(xué)成分和力學(xué)性能相似，φ5.0 mm與φ4.8 mm焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能基本一致。

采用當(dāng)前焊接頻率較高的Q345C三絲焊接形式，進(jìn)行對(duì)接接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。由結(jié)果可知，在抗拉強(qiáng)度方面，φ6.0 mm相比國(guó)標(biāo)高出約50 MPa，與φ4.8 mm相似，φ5.0 mm相比國(guó)標(biāo)平均高出約90 MPa，相比φ4.8 mm高出約36 MPa。在沖擊吸收功方面，均符合國(guó)標(biāo)要求，其中φ6.0 mm較國(guó)標(biāo)高出約26 J，較φ4.8 mm低27 J;φ5.0 mm較國(guó)標(biāo)平均高出約36 J，較φ4.8 mm略低17 J。側(cè)彎結(jié)果顯示無裂紋，均符合國(guó)標(biāo)要求。從金相組織來看，熱影響區(qū)由鐵素體+珠光體組成，焊縫區(qū)組織由鐵素體和珠光體組成，均無其他缺陷組織;從維氏硬度結(jié)果分析，HV10均小于350，說明無馬氏體;從宏觀結(jié)果分析，接頭均無肉眼可見裂紋、未熔合等缺陷。

使用效率對(duì)比結(jié)果顯示，φ6.0 mm焊絲焊接效率相較于常規(guī)φ4.8 mm焊絲提升約25%;當(dāng)板厚T<30 mm時(shí)，φ5.0 mm焊絲相較于常規(guī)φ4.8 mm焊絲效率可提升約5%，當(dāng)40 mm≥板厚T≥30 mm時(shí)，5.0 mm焊絲效率可少焊1～2道。

從用電量分析，相同板厚的構(gòu)件焊接，所損耗的電能大致相同。

綜上，根據(jù)大直徑焊絲工藝性試驗(yàn)和效益分析結(jié)果顯示，在相同人工和設(shè)備的情況下，采用大直徑焊絲可有效提高生產(chǎn)效率，加快流程速度，提高工廠整體運(yùn)轉(zhuǎn)速率，改善產(chǎn)能瓶頸，優(yōu)化資本投入，最大化改善了各個(gè)環(huán)節(jié)的價(jià)值，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。同時(shí)，機(jī)器的冗余價(jià)值得到了更大地發(fā)揮。

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