厚板單面埋弧焊組合坡口焊接試驗及應用

■ 劉鄭培，賴衛國，馬金軍，李豹

掃碼了解更多

1. 概述

在船舶制造行業中平直厚板對接焊接時主要采用FCB（焊劑銅襯墊埋弧自動單面焊）或雙面埋弧焊，但是以上兩種焊接方法在超大型船舶平直厚板的對接焊時有一定的局限性。其中，國內部分船廠因為設備原因FCB只能焊接36mm厚度以下的鋼板，焊接超過36mm厚度的鋼板時容易出現未熔透、背面成形不均等質量缺陷。雙面埋弧焊雖然可焊接鋼板厚度范圍較廣，但在厚板焊接方面存在不足，如需要對板件時翻身作業，嚴重依賴翻身起重設備；厚板焊接時，焊接的層數較多，不但焊接效率低還容易出現焊接變形、夾渣等質量缺陷。

因此本文對厚板在FCB焊接的基礎上對坡口進行改進，提出采用組合焊接方法來提高背面成形質量及彌補雙面拼板的不足。

圖1 改進前坡口

圖2 改進后的坡口

表1 板厚及坡口尺寸

2. 初步分析

（1）坡口改進 以39mm板為例，原有坡口如圖1所示，如果采用原有一次焊接正反面成形的方法，則可能存在背面未焊透或者正面未焊滿的缺陷。但如果按照圖1坡口采用多道焊，即采用FCB先進行焊接，未填滿的部分采用埋弧焊方法進行蓋面，則可能會因為坡口較小，深寬比較大，產生“梨形”裂紋。因此為了減小深寬比，將圖1中坡口切割成圖2中的底部坡口及表面坡口，底部坡口角度不變，表面坡口選擇80°、100°、120°、150°進行試驗，坡口及其他裝配條件如表1所示，焊接仍然采用FCB打底焊接、埋弧焊填充蓋面的方式。

試驗結果表明，表面坡口為80°和100°UT探傷存在缺陷，120°及150°探傷合格，考慮表面坡口越大、填充蓋面焊接量越大，對比后選擇表面坡口為120°的方案。

（2）蓋面焊接方法 蓋面方法一般采用埋弧焊進行，為了減少層道數，則采用雙絲埋弧焊代替傳統的單絲埋弧焊進行焊接。FCB打底焊接后，中心最后凝固也是兩側柱狀晶最后結合的位置，因此重新對局部焊縫中心進行重熔。填充焊接時，先對準第一道FCB焊的中心進行焊接，利用雙絲埋弧焊的大熔深形成新的結晶方向，減少焊縫中心出現缺陷的概率，如圖3所示。

3. 工藝評定試驗

（1）試驗材料 本試驗采用國內某鋼鐵廠生產的DH36鋼，厚度為39mm，TMCP交貨狀態，碳當量0.35%；FCB焊接材料采用新日鐵公司生產的焊絲（Y-DL）及焊劑（表面焊劑：NSH-50M，背面焊劑：NSH-1RM），雙絲埋弧焊焊材采用現代公司生產的焊絲（H-14）及焊劑（S-707T）。

（2）試驗參數 FCB焊接采用三絲埋弧焊，第1、2、3根絲分別表示前絲、中絲及后絲；雙絲埋弧焊第1及第2根絲分別表示前絲及后絲，焊接參數如表2所示，焊道布置如圖4所示。FCB焊接熱輸入量為212kJ/cm，與常規39mm板厚一次焊接成形的熱輸入量260～270kJ/cm相比有所下降。

圖3 雙絲埋弧焊填充第一道焊縫焊絲位置

表2 焊接參數

（3）試驗結果 試驗后按照《CCS材料與焊接規范》對接頭進行橫向拉伸、側向彎曲、沖擊韌性試驗及宏觀金相試驗。2個橫向拉伸試驗結果分別為524MPa和534MPa；4個側向彎曲試驗無任何開裂；焊縫中心沖擊試驗的位置按照圖5所示進行，從表面往根部分別代表雙絲埋弧焊、FCB焊縫表面、FCB焊縫根部的沖擊，相應熔合線及熱影響區的沖擊分別按規范要求位置進行，試驗結果如表3所示。按照規范要求，沖擊平均值不低于34J，本次試驗所有位置的沖擊值都大于此要求。宏觀金相圖未見任何肉眼可見的缺陷（見圖6）。

圖4 焊道布置

圖5 沖擊位置

表3 焊縫及熱影響區沖擊韌性

圖6 宏觀金相

4. 現場應用

根據以上分析及工藝評定試驗結果，工藝方案能夠滿足接頭性能，并在現場進行了應用，應用的板厚及材質與試驗相同。FCB打底焊接完成后的正面如圖7所示，厚度約為35mm；背面成形均勻滿足質量要求，如圖8所示。再采用雙絲埋弧焊進行填充蓋面，整體焊縫均勻美觀。探傷檢查在焊接48h后進行，先后采用超聲波和磁粉進行焊縫內在、表面及近表面質量檢查，均未發現焊接缺陷。

圖7 FCB焊接后正面

圖8 FCB焊接后背面

5. 結語

本試驗在基于我公司現有焊接設備不做改變的條件下，提高了FCB在厚板的應用范圍及利用率，并將厚板對接焊的熱輸入量限制在一定范圍以內，從而降低了對于設備、材料的選擇要求，接頭力學性能也能達到要求，為厚板的單面埋弧焊提供了一個有效的解決方案。