壓力容器用Q345R鋼窄間隙MAG焊研究

俞 翔，王曉梁

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院，江蘇 南通 226011）

窄間隙焊接方法在不同的國(guó)家應(yīng)用的比例也不盡相同，其主要應(yīng)用在鍋爐、壓力容器、工業(yè)機(jī)械、船舶與海洋結(jié)構(gòu)、壓力管道等制造業(yè)中。在日本以及一些其它國(guó)家，普遍使用熔化極窄間隙氣體保護(hù)焊焊接，其應(yīng)用率達(dá)到75%。而我國(guó)恰恰相反，以窄間隙埋弧焊的應(yīng)用居多，原因在于：此種窄間隙焊接設(shè)備商品化程度較高，購(gòu)買比較容易。在近年來(lái)的研究中,發(fā)現(xiàn)采用細(xì)焊絲大電流MAG焊可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)噴射過(guò)渡，其焊接生產(chǎn)效率高，對(duì)焊件裝配間隙不敏感，而且能增大焊縫熔寬和改善焊縫成型，可用于壓力容器的主要接頭，如筒體縱縫和環(huán)縫。壓力容器用的碳素鋼及低合金鋼幾乎都可以采用這種方法。使用此種方法的經(jīng)濟(jì)效益比過(guò)去有所提高，而且焊接廢品率大大下降，產(chǎn)品精度和品質(zhì)均勻得到提高。因此，筆者以厚板壓力容器用Q345R鋼為對(duì)象，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)原理及焊接工藝

旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG控制系統(tǒng)構(gòu)成原理，如圖1所示。焊接電源為MIG/MAG焊機(jī)，采用送氣、導(dǎo)電、循環(huán)冷卻、絕緣等功能一體的窄間隙焊炬，通過(guò)旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，使傾斜的導(dǎo)電嘴實(shí)現(xiàn)焊接電弧的旋轉(zhuǎn)，完成焊接過(guò)程。導(dǎo)電嘴帶動(dòng)焊絲和電弧在坡口內(nèi)做錐擺運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)電嘴和焊絲間磨損很小，可以實(shí)現(xiàn)電弧的高速旋轉(zhuǎn)，又可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)焊接，焊接穩(wěn)定性高。

試驗(yàn)試件厚度為50mm，采用帶鈍邊U型坡口，見圖2，窄間隙坡口單側(cè)角度為1～2度，鈍邊為2mm。

圖1 窄間隙焊接系統(tǒng)

圖2 坡口幾何形狀

試驗(yàn)?zāi)覆臑镼345R，采用ER50-6氣保焊焊絲，直徑為1.2 mm，化學(xué)成分如表1所示。在焊接時(shí)，需先焊正面打底焊，再焊反面打底焊，其工藝參數(shù)如表2所示。

表1 母材和焊絲化學(xué)成分(﹪)

表2 窄間隙焊接工藝參數(shù)

電弧形貌如圖3所示，電弧呈鐘罩狀，隨著電弧的旋轉(zhuǎn)，電弧有規(guī)律地在坡口兩側(cè)壁之間運(yùn)動(dòng)，避免了電弧熱在坡口中心區(qū)域的聚集，從而增加側(cè)壁的熔透，并且有效地防止了指狀熔深的出現(xiàn)。另外，由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用，熔滴不再沿焊絲軸向運(yùn)動(dòng)，而是向坡口兩側(cè)方向呈非軸向過(guò)渡。當(dāng)焊絲旋轉(zhuǎn)到距側(cè)壁最近端時(shí)，電弧可以直接對(duì)側(cè)壁加熱，由于電弧對(duì)熔池的攪拌效應(yīng)，使得熔池液體金屬在側(cè)壁處產(chǎn)生堆積，有利于側(cè)壁的熔合。

圖3 電弧形貌圖

2 焊接接頭分析

2.1 焊接接頭的宏觀分析

圖4為焊接接頭經(jīng)射線檢測(cè)后顯示無(wú)缺陷，經(jīng)腐蝕和拋光后的宏觀金相照片，從照片上可以清晰地看出，焊縫成型均勻美觀，未見未焊透、氣孔、夾渣等宏觀缺陷。焊縫側(cè)壁熔合較好，不存在未熔合現(xiàn)象。熱影響區(qū)寬度極小約1.5 mm，焊縫層高約3.5 mm。

圖4 焊接接頭宏觀形貌

4.2 焊接接頭的力學(xué)性能

圖5為拉伸試件斷裂示意圖，焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，拉伸斷裂均在母材一側(cè)，焊接接頭的強(qiáng)度高于母材，Q345R鋼板厚度在36～60 mm之間的抗拉強(qiáng)度為490～620 MPa，拉伸試件的抗拉強(qiáng)度均高于母材抗拉強(qiáng)度規(guī)定值的下限，平均為535 MPa，焊接接頭抗拉強(qiáng)度合格。

圖5 拉伸試件斷裂示意圖

彎曲試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)為：在拉伸件彎曲到規(guī)定的彎曲角度后，其拉伸面上沿任何方向不得有單條長(zhǎng)度大于3 mm的裂紋或缺陷，焊接接頭的棱角開裂一般不計(jì)。焊接接頭經(jīng)過(guò)彎曲180°后，未發(fā)現(xiàn)裂紋或缺陷現(xiàn)象，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在0℃條件下，焊接接頭所得沖擊結(jié)果，如圖6所示，焊縫金屬和熱影響區(qū)的沖擊功均大于34 J，焊接接頭常溫沖擊韌性滿足要求，具有良好的韌性。熱影響區(qū)沖擊功大于焊縫金屬的沖擊功。

圖6 沖擊功示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊運(yùn)用于壓力容器用Q345R鋼的焊接，其焊縫成形良好，坡口兩側(cè)充分熔接，焊縫內(nèi)沒(méi)有氣孔、裂紋等缺陷，其力學(xué)性能試驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙MAG焊方法，焊接品質(zhì)好，效率高，是壓力容器制造的一種先進(jìn)技術(shù)。

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