埋弧焊高效焊接新工藝的探究與實踐

高蘭云，陳浩，李忠明，江宗昆，高蘭政

1.中國船舶重工集團柴油機有限公司 山東青島 266520

2.中車青島四方股份有限公司總裝分廠 山東青島 266520

1 序言

在船用低速柴油機焊接過程中，中厚板焊接常采用開45°坡口，利用CO2氣體保護焊或埋弧焊焊接，不足之處是在焊接過程中使用的焊絲、氣體、焊劑比較多，導致焊接成本高，并且焊接效率較低，變形也比較大，使后續組焊尺寸不好控制。之前的研究中，6～9mm中厚板可采用二氧化碳氣保焊實現無坡口、無間隙的全熔透焊接[1]，如果采用埋弧焊設備焊接的電流、電壓更大，理論上也可以實現30mm以內厚板不開坡口、小間隙、全熔透的高效焊接，此工藝的研究對提高船用柴油機焊接生產效率至關重要。

研究雙面單道全熔透高效焊接技術，可大幅提高焊接質量和焊接效率，將此種技術在船用柴油機焊接中進行推廣應用，可解決中厚板焊接生產效率低、因焊工操作水平影響而導致質量穩定性差的問題，同時避免了厚板焊接變形及殘余應力對后續工序的影響，在提高焊接質量和生產效率的同時，也降低了綜合生產成本，減少了焊接產生的煙塵、弧光、噪聲及熱輻射等污染，使工人的身心健康得到了保障。

2 焊接試驗

通過對埋弧焊高效焊接新工藝的探究，實現了中厚板零件焊前不開坡口、雙面單道窄間隙埋弧焊，同時采用現有的埋弧焊設備即可完成整條焊縫的高效焊接。

（1）試驗準備 進行不開坡口、雙面單道窄間隙埋弧焊高效焊接工藝試驗，需準備伊薩埋弧焊設備一套、焊劑烘干機、AWS A5.17 EM12Kφ4.0 m m焊絲一盤、焊劑一袋。準備尺寸為200mm×300mm×20mm的Q235B級船板試板若干，尺寸為200mm×1000mm×20mm試板8塊，引弧板、引出板若干。焊前對母材進行打磨除銹。

Q235B級船板化學成分見表1，焊絲與焊劑的化學成分見表2、表3 。

伊薩埋弧焊設備主要由焊接電源、送絲機構、焊槍和控制系統組成，如圖1所示。

表1 Q235B級船板的化學成分（質量分數） （%）

表2 焊絲的化學成分（質量分數） （%）

表3 焊劑的化學成分（質量分數） （%）

圖1 伊薩埋弧焊機

（2）試驗過程 在保證焊接電流、電弧電壓、焊接速度相同的情況下，首先調整裝配間隙，觀察其對焊接熔深的影響。通過試驗結果對比發現，在焊絲直徑為4mm且焊接電流、電弧電壓、焊接速度固定時，隨著組裝間隙的增大，焊接熔深也逐漸增大（見表4），但在組裝間隙超過6mm時，焊接存在較大的質量缺陷，因此（4±1）mm是最優組裝間隙。

表4 組裝間隙試驗焊接參數

當組裝間隙確定后，焊接電流的大小成為影響熔深及焊縫成形的主要因素。在保證電弧電壓、焊接速度、裝配間隙相同的情況下，調整焊接電流的大小來觀察其對焊縫的影響。具體參數為電弧電壓34V，焊接速度38cm/min，組裝間隙3～4mm，焊接電流分別選擇了650A、720A、800A、850A、900A。

通過試驗結果對比，當焊接電流＜740A時，焊接電弧的穿透能力較強，用于增加熔深的熱量大于用于增加熔寬的熱量，隨著焊接電流的增加，熔深的增加量較熔寬的增加量更為明顯；當焊接電流＞740A時，由于受焊接電流密度的限制，埋弧焊電弧的穿透能力達到最大值，焊接電流的增加并不能增大熔深，而是將增加的熱量用于增大熔寬，故表現為隨著焊接電流的增加，其熔深幾乎沒有變化，而熔寬在不斷地增加（見圖2）。由此可見，埋弧焊的焊接電流并非越大越好，當電流達到一定程度時，焊縫的熔深達到最大值，超過該值后，焊接電流的增加并不能增大熔深，只會增加熔寬。

圖2 焊接電流對焊縫斷面形狀的影響

通過正式雙面單道窄間隙埋弧焊試驗分析，得出20mm厚板雙面單道全熔透高效焊接技術的最優焊接參數，見表5。20mm厚試板焊接效果如圖3所示。

表5 雙面單道窄間隙埋弧焊最優焊接參數

圖3 20mm厚試板焊接效果

（3）焊接工藝分析 在窄間隙埋弧焊過程中，焊接熱輸入、組裝間隙是焊縫成形的主要影響因素，我們主要研究焊接電流、電弧電壓、焊接速度及組裝間隙4個要素，在焊接設備相同的情況下，采取控制變量的方法，逐一對焊接參數進行優化匹配。通過科學合理的焊接試驗，取得20mm厚B級船板在不開坡口的情況下，采用雙面單道全熔透高效焊接技術實現焊縫全熔透焊接。

3 試驗結果及分析

（1）力學性能試驗結果 經CCS、DNV-GL、WinGD等船級社和專利方現場見證，在武船實驗室進行正式的焊接工藝評定，其力學性能試驗結果見表6～表8。

表6～表8的試驗結果成功取得了CCS和DNV-GL兩大船級社以及WinGD和MAN兩大專利方的權威認證，并在生產中開始了全面推廣應用。

表6 焊縫彎曲試驗結果

表7 焊縫拉伸試驗結果

（2）焊后質量檢測 根據圖樣要求，如果沒有特殊說明，板對接焊均視為C級焊縫。對C級焊縫的要求是：焊接完成后不準出現夾渣、氣孔、裂紋及未熔合現象，焊縫表面沒有飛濺，焊縫余高不大于3mm。余高過大會引起焊縫橫向不連續，在焊腳處引起應力集中等現象。埋弧焊焊縫寬度要求為（18±2）mm。焊縫內部質量要求為需通過公司超聲波檢測，不允許有任何焊接缺陷。焊縫內部和外觀質量同樣重要，焊縫表面必須平整光滑、成形美觀，符合技術要求。在力學性能檢驗中沒有出現未熔透、焊縫裂紋等焊接內部缺陷，表面成形美觀，無咬邊等表面缺陷，同樣符合公司WPS要求標準，最終試驗結果完全符合圖樣要求。

表8 焊縫沖擊試驗結果

4 在生產中的應用

中國船舶重工集團柴油機有限公司的部分產品已使用上述新型高效埋弧焊焊接工藝進行焊接（見圖4、圖5）。以6S60ME-C8.2為例，計算機架兩側板拼焊成本見表9。由表9可知，焊接19mm鋼板可節約制造成本約53.7 元/m。

圖4 30mm以內鋼板不開坡口拼焊

圖5 二沖程船用柴油機的機座單片焊接

表9 機架兩側板拼焊成本

5 結束語

1）通過埋弧焊焊接中厚板不開坡口與常規開坡口焊接的工藝比較，經試驗驗證，目前已成功實現30mm以內鋼板的不開坡口雙面單道全熔透高效焊接，并在生產中得到推廣應用。

2）中厚板埋弧焊不開坡口焊接不僅節省坡口加工工序，而且可以減少焊接材料及工時50%以上。同時減少應力，有效地控制了變形，極大地提高了焊接質量。研究中厚板不開坡口埋弧焊高效焊接新工藝，為提高焊接質量和焊接效率、推廣此種技術在中厚板領域的應用奠定了良好的基礎。