杜永勤陈孝国魏荣

　　(宝鸡有色金属加工厂装备设计制造公司宝鸡721014)

　　摘要：以16MnR为对象，分析了悬空埋弧焊的工艺特点，制定了大坡口悬空双面埋弧焊工艺。通过工艺性试验和生产应用，确定了用于不同厚度低合金钢板材及其钛/钢复合板基层的焊接工艺参数，结果表明：该工艺能满足压力容器生产的要求，有利于提高焊接质量，降低劳动强度，提高生产效率。

　　关键词：大坡口双面悬空埋弧焊焊接工艺

　　前言

　　对于压力容器钢(碳钢、低合金钢)或钛/钢复合板筒体，施焊其纵、环焊缝时，埋弧焊无疑是一种优质、高效、劳动条件好、焊后处理简单的焊接方法。悬空埋弧焊由于辅助装备少、工序简单而成为焊接结构、容器制造中常用于8㎜以上厚度筒体长焊缝焊接的主要工艺。现用悬空焊工艺主要有两种：(1)直接大线能量双面悬空埋弧焊工艺：焊接热输入大，焊缝表面质量较差，接头韧性明显降低，对焊机性能要求高；(2)背面清根双面悬空埋弧焊工艺：背面清根，增加了工作量，使工作条件恶化，易造成夹渣或清渣困难，因而影响工作效率和接头质量。有必要寻找一种新的悬空埋弧焊工艺。

　　1悬空埋弧焊工艺分析

　　悬空埋弧焊是一种不用任何衬托和辅助设备、装置的埋弧焊工艺方法，埋弧焊焊接电流大，电弧压力大，电弧穿透能力强，在无任何衬托和辅助装置情况下，易造成焊穿或液态金属流失；为防止焊穿，减小正面第一层焊接电流，造成第一层厚度减薄，在施焊背面第一层时，焊接电流受正面第一层厚度限制而无法增大，不能保证接头熔透，出现连续性中心未焊透、大气孔。其次，为排除未焊透、气孔等缺陷，须通过提高电弧穿透力来增加焊缝熔深，必须增加焊接电流，焊接电流增大时：一方面，若坡口较窄，限制了熔池扩展，熔池深度增加，电弧搅拌作用增强，熔渣卷入熔池不易上浮，同时，熔融金属过热，熔渣高温时间长，金属、渣界面处渣中阴离子长大，使熔渣质点移动困难，粘度增大，进一步阻碍了渣的浮出，渣与界面金属紧密结合，造成脱渣困难和夹渣；另一方面，电弧搅拌作用增强，熔渣高温存在时间长，强制冷却成型作用弱化，焊缝表面成型粗糙；尤其环缝焊接时，熔池运动结晶，焊缝尺寸更难控制，造成成型不良；其三焊丝熔化量增大，造成余高过高；同时，焊接大线能量条件下，焊缝、热影响区组织晶粒严重长大，使接头性能，尤其是韧性受到显著影响。如此，要改善悬空埋弧焊工艺应注意以下几方面问题：(1)降低每层热输入，保证接头性能。(2)保证焊透，防止焊穿、气孔、裂纹等缺陷产生；(3)改善表面成型，降低余高，提高焊缝表面质量；(4)背面不清根，减少层间清渣、打磨量，降低劳动强度，减少污染。考虑采用大坡口小钝边双面悬空埋弧焊工艺。

　　2焊接工艺

　　2.1焊接工艺方法

　　采用大坡口,小钝边双面悬空埋弧焊工艺方法，直流反接。

　　2.2母材

　　以厚度8㎜、10㎜、12㎜、14㎜、16㎜、18㎜、20㎜、22㎜等常用于压力容器的16MnR试板、筒体及其钛／钢复合板筒体焊缝焊接作为跟踪考察对象，进行工艺试验和参数优化。

　　2.3坡口加工

　　机械加工方法进行试板或产品纵、环焊缝坡口加工,钛／钢复合板焊缝复层一侧应保证一定的剔边宽度，根据工件厚度,其接头坡口型式如图1所示:

　　(a) H=8、10㎜；

　　(b) H=12、14、16㎜；

　　(c) H=18、20、22㎜

　　图1接头坡口型式

　　2.4焊接材料

　　选用H10Mn2焊丝配HJ431焊剂,焊丝直径Φ3.2㎜\Φ4㎜,焊剂焊前经250℃,2小时烘干。其化学成分如表1：

　　2.5焊接工艺参数

　　开坡口工件焊接线能量相应不开坡口情况要小。第一层焊接电流选择应防止焊穿，即保证一定电流值，以保证熔化50%以上钝边；背面第一层

　　表1焊接材料化学成分(%)

　　焊材型号化学成分

　　H10Mn2 Fe C Mn Si P S Cu Ni Cr

　　余量<0.12 1.50-1.90 <0.07 <0.035 <0.035 <0.020 <0.30 <0.20

　　HJ431 SiO2 MnO CaF2 MgO CaO Al2O3 FeO P S H2O其它

　　40-44 34-38 3-7 5-8≤6≤4≤1.8 0.080 <0.060 <0.1 <0.3

　　焊接时，焊接电流在防止焊穿的情况下尽可能大，以保证熔深，从而排除未焊透和气孔缺陷；其它道次焊接采用中等电流多层(道)次焊接。参数选择上应注意焊接电流(I)、电压(U)、和速度(V)匹配，其焊接工艺参数如表2：

　　2.6接头组对及焊前准备

　　组对前，将坡口两侧各30㎜范围内钢表面锈皮打磨处理直至露出金属光泽。接头组对应保证错边量尽可能小，最大不超过1㎜,间隙小于0.5㎜；对错边量和间隙较大的接头部分，选用经350℃,2小时烘干的E5015焊条进行打底焊。从埋弧焊施焊第一层背面进行点固和打底焊，打底金属厚度视间隙大小而定。焊前，接头区域用高压风吹除灰尘，适当方法清除焊接区水分和油污；焊丝伸出长度25-30㎜，始终保持焊丝与接头中心垂直,施焊环缝时根据筒体直径及参数，焊丝沿焊接反方向偏移40-100㎜的偏移量。

　　3试验及应用结果分析

　　利用以上试验参数进行埋弧焊试板及产品焊接。外观检查：焊缝表面成型良好，表面光亮均匀，无表面气孔、咬边等缺陷，焊缝尺寸能满足工艺、标准要求；RT射线检测：焊缝洁净，黑度均匀，纵缝一次合格率达99%，环缝一次合格率达到95%，合格焊缝均为一级片，不合格焊缝，焊接缺陷一般为中心未焊透、气孔，且缺陷明显；接头弯曲试验(α=180o，D=4t)试样全部合格，且多层焊接头弯曲试样侧面焊缝层次清晰，中间有细晶层；拉伸及焊缝冲击韧性试验结果如表3：

　　3.1大坡口悬空埋弧焊有利于提高接头质量

　　大坡口悬空埋弧焊采用机加工制备坡口，坡口、钝边平整，洁净。组对前，坡口两侧各30㎜范围内钢面氧化皮打磨清理干净，焊前将坡口内水分、油污等杂质清理干净，保证了焊接区内无污物存在，排除了气孔来源。坡口、钝边规则平整，间隙、错边量易于控制，间隙能控制在≤0.5㎜，错变量能控制在≤1.0㎜，以保证接头中心母材金属厚度均匀性和间隙均匀性，提高接头组对质量，有利于焊接过程中参数稳定。大坡口存在，一方面，保障电弧自由扩散，焊接层厚度减薄，有利于焊缝中气体和熔渣上浮；为熔化焊丝提供了去处，有利于降低焊缝余高；另一方面，电弧拘束度降低，焊穿的几率降低，焊接电弧能顺利达到坡口根部，随钝边减小，增大了一次焊透率，有利于焊接质量和效率的提高。钝边尺寸减小，单层焊接热输入减小，熔渣冷却加快，脱渣容易，熔渣强制成形作用凸现，焊缝成型优异。同时焊接参数的减小，熔宽、余高相应降低，减小钛复层的剔边宽度及焊接热输入对复层性能的影响。

　　3.2接头性能

　　分析不同板厚的强度、弯曲试验结果，拉伸试样均从焊缝韧断，H10Mn2/HJ431所焊接头拉伸强度全部合格，高于16MnR材料要求的最低抗拉强

　　表2大坡口双面悬空埋弧焊工艺参数

　　焊件厚度试件焊丝直径焊接焊接电流焊接电压焊接速度备注

　　㎜编号㎜顺序(A) (V) (m/h)

　　8 1Φ3.2正350-450 33-35 25.0

　　反420-520 35-37 25.0

　　10 2Φ3.2正420-530 34-36 25.0

　　反500-600 36-38 25.0

　　12 3Φ4.0正480-580 35-37 25.0

　　反600-700 37-39 25.7

　　14 4-1Φ3.0正530-550 37-39 19.4 H08A/HJ431

　　反700-720 38-40 25.7 H08A/HJ431

　　4-2Φ3.0正550-600 35-37 23.0 H08A/HJ431

　　反650-700 38-40 23.0 H08A/HJ431

　　4-3Φ4.0正500-600 36-38 24.0

　　反630-730 39-41 24.0

　　16 5Φ4.0正600-700 37-39 24.0

　　反750-800 39-41 26.5

　　18 6-1Φ4.0正730-750 38-40 25.7试板1

　　反950-1000 41-43 25.0

　　6-2Φ4.0正610-720 38-40 25.0试板2

　　反780-880 39-41 25.2

　　反600-700 38-40 23.0

　　20 7Φ4.0正680-780 39-41 25.0

　　反1 810-920 39-41 25.0

　　反2 600-700 38-40 23.0

　　22 8Φ4.0正680-780 37-39 24.5

　　反1 830-930 39-41 25.0

　　反2 700-800 38-40 25.7

　　表3力学性能试验结果

　　试件拉伸试验冲击试验Akv J(20℃)

　　编号试样编号σb(Mpa)焊缝平均值

　　1 1-1 580 16 16 11 14

　　2 2-1 564 46 48 46 47

　　3 3-1 558 55 47 56 53

　　4-1 4-1-1 470 59 75 80 71

　　4-2 4-2-1 515 81 53 65 66

　　4-3 4-3-1 588 80 86 87 84

　　5 5-1 565 58 42 41 47

　　6-1 6-1-1 550 30 28 32 30

　　6-2 6-2-1 580 55 57 59 57

　　7 7-1 570 54 46 54 51

　　8 8-1 545 56 58 77 64

　　度490MPa；接头弯曲试样焊缝侧面层次清晰，中间焊道有明显的细晶层，弯曲试样全部合格，表明后焊道对前焊道具有较好的退火作用，接头具有较好的延性和致密性。随板厚增加，焊接层次增多，为保证焊透，相应增大焊接电流，焊接热输入增大，但电弧扩散，母材散热能力增强，焊接接头强度和弯曲性能并没有明显差别，因此，焊接热输入对接头强度和延性影响并不明显。

　　焊材对接头性能影响较为明显：表2中14㎜16MnR板材采用H08A/HJ431焊接材料焊接的接头强度明显低于H10Mn2/HJ431所焊接头强度，但韧性和塑性并无太大差别，说明工件开大坡口，根据熔合比θ=Fm/(Fm+FH)(θ-熔合比，Fm-母材金属在焊缝截面中所占比例,FH-填充金属在焊缝横截面中所占比例)［1］，随坡口角度增大，钝边减小，母材熔入焊缝金属的面积减少，填充金属熔入量增

　　大，即焊缝的熔合比降低。此时，焊缝的化学成分主要由填充金属决定，进而决定了接头的性能。H08A焊丝中合金元素含量低，H08A/HJ431焊接材料焊接时合金元素过渡不足，造成接头强度显著降低；采用H10Mn2/HJ431保证了Mn、Si的有效过渡，提高焊缝的脱氧能力，保证了接头的强度。

　　焊缝韧性方面，埋弧焊焊缝冲击韧性均较低，但高于标准要求，满足使用要求。同一规格，随焊接层次的减少，焊接热输入增大，焊缝和热影响区晶粒粗大，焊缝冲击韧性降低。从18㎜厚16MnR试板性能试验结果看：试板1钝边为8㎜，正反各焊一遍，试板2钝边为5-6㎜，正面焊一遍，背面焊两遍，试板1焊缝冲击韧性明显低于试板2，说明多层焊时，单层焊接热输入降低，且后焊道的退火作用，焊缝晶粒细化，焊缝冲击韧性提高。

　　3.3有利于改善工作环境，降低劳动强度

　　大坡口双面悬空埋弧焊工艺，关键在正面第一层及背面第一层焊接电流的选择，如果焊接电流选择合适，焊接接头组对良好，焊接过程中利用埋弧焊大电流，熔池存在时间长,焊接适应性强的特点，焊接过程可实现不清根，不打磨。从而减少了工作人员清根、打磨时间，减少了车间灰尘量，减少了工序，节约了时间、材料，劳动力，提高了劳动效率，改善了环境。

　　4结论

　　根据试验及生产应用情况可以看出：

　　1大坡口双面悬空埋弧焊充分利用了埋弧焊焊接适应性强的特点，采用机械加工制备坡口，提高了组对质量，同时注意组对前清锈和焊前清理，提高了焊接过程的参数稳定性，排除气孔、夹渣、未焊透缺陷形成的可能性。

　　2大坡口的存在，使电弧能自由扩散，熔池尺寸增大，在同样熔化速度下，焊接层厚度降低，有利于熔渣和气体上浮，减少了层间夹渣、清渣，降低焊缝余高；

　　3大坡口，小钝边，降低了单层热输入，焊接层次增加，焊接电弧能到达坡口根部，在不清根条件下，提高了一次焊透率，熔渣强制成形作用增强，改善焊缝外观成型，增加层间焊道退火作用，提高了接头质量和性能，减少清根，改善劳动条件，降低劳动强度。

　　4大坡口悬空埋弧焊，焊接材料对接头性能影响明显，应注意根据不同母材选用焊材，保证合金元素合理过渡，从而有效保证接头性能；

　　5表明大坡口小钝边双面悬空埋弧焊工艺适于压力容器钢(碳钢、低合金钢)或钛/钢复合板筒体纵、环焊缝的焊接。