150mm超厚板多絲高效焊接技術

屠濤雄，嚴漢光，趙永狀，易武強

1.武漢天高熔接股份有限公司 湖北武漢 430056

2.廣船國際有限公司 廣東廣州 510000

3.新大洋造船有限公司 江蘇揚州 225000

1 序言

近年來，在造船、建筑、橋梁、石油化工及海洋平臺等領域，隨著焊接結構的大型化和大跨度化，焊接效率決定了總制造成本，因此，在中厚板焊接領域氣電立焊、埋弧焊、電渣焊等大熱輸入焊接方法已相繼得到了廣泛應用[1]。但是，對于厚板焊接一直是困擾制造廠家的難題，如焊接周期長、焊接道層多、需要反復翻轉等問題。本文介紹了加合金粉填充的多絲埋弧焊接工藝，采用大熱輸入焊接提高焊接效率的同時，保證焊接接頭的力學性能[2]，實現了150mm超厚板的高效焊接。

2 工藝介紹

150mm超厚板多絲埋弧焊高效焊接技術采用特殊階梯形坡口，中間留20mm的鈍邊，對接焊縫坡口如圖1所示。

圖1 焊接坡口

采用大直徑焊絲（φ4.8mm/φ6.4mm）的三絲埋弧焊，前絲直流（φ4.8mm），焊槍前傾角15°，中絲和后絲交流（φ6.4mm），中槍垂直，焊槍后傾角15°。前絲與中絲間隔35mm，中絲與后絲間隔75mm，焊絲分布如圖2所示。

圖2 焊絲分布

3 試驗材料、設備及方法

試驗用鋼板材質為Q355D，符合GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》的規定。試板尺寸為150mm×200mm×1000mm，引弧板100mm×100mm，收弧板400mm×100mm。為了提高焊接效率，焊接前填充了特殊研制的合金粉，顆粒度為80～100目（0.18～0.15mm）。焊劑為特種高效埋弧焊劑，焊劑顆粒度為12～80目（1.7～0.18mm）。焊接材料化學成分見表1～表3。焊機型號為林肯DC1500+AC1200+AC1200埋弧焊機，焊接參數見表4，熱輸入高達600kJ/cm。焊前對母材Q355D板進行待焊接區清理并對引弧端350～400mm長的焊縫及兩側100mm范圍內預熱100～150℃。焊縫外觀如圖3所示。

圖3 焊縫外觀

表1 埋弧焊絲化學成分（質量分數） （%）

表3 合金粉化學成分（質量分數） （%）

表4 150mm厚鋼板焊接參數

通過對以上焊接接頭進行超聲波檢測，均未發現任何超標缺陷，接頭宏觀金相顯示熔合情況良好。

4 工藝特點

1）坡口采用U形+階梯狀坡口，U形坡口更有利于增加熔深，階梯狀坡口有利于第一道焊縫的排渣、脫渣。由于第一道深熔大熱輸入焊接，熔渣多且厚，所以第一道階梯給予熔渣體積空間，能有效防止焊縫夾渣。焊道布置如圖4所示。

圖4 焊道布置

2）為防止在大熱輸入焊接條件下的燒穿情況發生，焊接第一道前，在背面焊縫處貼特質柔性襯墊以防止燒穿。柔性襯墊外部采用玻璃纖維材質包裹，內部填充高熔點襯墊材質物料，柔性襯墊外觀如圖5所示。柔性襯墊的特點是能很好地與背面焊縫貼合，并具有較高熔點，即使在第一道焊透的條件下仍能有效地襯托住鐵液，防止燒穿。

圖5 柔性襯墊外觀

3）焊絲縱向排列，前絲直流與中絲交流共熔池，因熱輸入較大、熔池長，故為不互相干擾，應與后絲交流間隔35mm。前絲采用φ4.8mm焊絲，并且前傾角15°，可以獲得較大的熔深，熔透鈍邊。中絲采用φ6.4mm焊絲，垂直焊縫，焊絲直徑大，熔寬相對較寬，可以更好地保證坡口兩側熔合。后絲且前傾15°，可以獲得較大的熔深，熔透鈍邊。中絲采用φ6.4mm焊絲，后傾角15°，后兩根焊絲間隔75mm，在增大熔敷量的同時，焊絲后傾可以獲得較大的熔寬，一道蓋面[2]。

表2 埋弧焊劑化學成分（質量分數） （%）

4）在第一道采用高達600kJ/cm的深熔大熱輸入焊縫中加入一定量的合金粉，首先，能一定程度上增大熔覆效率；其次，由于合金粉的吸熱及勻化作用，分散了第一根焊絲大電流的電流密度，一定程度上減小了鋼板承受的大電流密度，對減小焊接接頭熱影響區的性能惡化有積極作用；最后，通過在合金粉中加入適量的細化組織晶粒元素，對提升焊縫沖擊韌度有積極作用。

5）大熱輸入焊接工藝，不同的鋼種，由于成分以及軋制狀態不同，因此熱輸入對熱影響區韌性的影響也不同。對于Q355級熱扎、正火狀態的鋼材，合金元素少，碳含量高，一般情況下，當采用小熱輸入方法焊接時，冷卻速度較快，易得到上貝氏體組織，晶粒比較細小，接頭性能良好；相反，當采用大熱輸入方法焊接時，冷卻速度較慢，晶粒粗大，將嚴重降低熱影響區韌性。總體來說，這類鋼材采用大熱輸入方法焊接時，如果選用的焊材和焊接參數不當，將容易產生接頭沖擊韌度不合格的問題。

5 焊劑特點

1）焊劑主要熔渣為MgO+SiO2+TiO+CaF2體系，堿度值為1.5，能獲得大熱輸入條件下良好的焊接工藝性能。

2）焊劑中合金比例接近40%，合金成分主要為Mn、Si、Ti、Fe。因焊接熱輸入較大，熔池合金會有一定燒損，通過焊劑中的Mn、Si過渡，保證焊縫的合金成分，使焊接接頭擁有一定的強度與韌性。Ti-B系細化鐵素體組織晶粒是十分明顯的，通過焊絲和焊劑過渡Ti與B共同作用，可細化熔池組織晶粒。同時，B原子半徑小，可以離散到焊接接頭熱影響區，細化熱影響區晶粒。Fe主要是過渡到熔池，增加焊接熔敷量。

6 性能試驗及結果分析

對150mm+150mm的對接接頭進行力學性能試驗，焊接接頭性能檢測依據GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》要求進行，檢測內容為：焊接接頭化學成分、拉伸性能、低溫沖擊性能、宏觀金相及硬度。

6.1 焊縫化學成分

焊縫化學成分檢測使用X射線熒光光譜儀進行分析，結果見表5。

表5 焊縫化學成分（質量分數） （%）

測試結果表明：焊縫化學成分合格，尤其是通過合金粉和焊劑向焊縫金屬中過渡了部分Ti、B、Ni元素，有細化組織晶粒、提高焊接接頭韌性的作用。

6.2 焊接接頭力學性能

焊接接頭力學性能試驗依據GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》以及GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》，檢測結果見表6，均滿足GB 50661—2011標準要求。

表6 焊接接頭力學性能

6.3 接頭沖擊性能

焊接接頭沖擊吸收能量試驗依據GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》，取樣依據GB 50661—2011規定，如圖6所示，檢測結果見表7。

圖6 沖擊試樣取樣

表7 －20℃低溫沖擊試驗結果 （J）

測試結果表明：焊縫及熱影響區沖擊吸收能量滿足GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》要求，且焊接接頭具有良好的低溫韌性儲備。

6.4 接頭宏觀金相

150mm+150mm對接接頭宏觀金相如圖7所示，焊接接頭熔合良好，無夾渣、咬邊、未熔合等缺欠。

圖7 150mm+150mm接頭宏觀金相

6.5 接頭硬度

接頭硬度試驗依據GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》，檢測結果見表8，均≤350HV10。

表8 焊接接頭硬度 （HV)

7 結束語

1）對150mm超厚板對接焊縫多絲埋弧焊坡口及焊接工藝設計，能夠實現大熱輸入條件下的全熔透焊接。

2）高效深熔三絲埋弧焊，配合特殊成分設計的焊接材料和填充材料，保證在高達600kJ/cm熱輸入下，焊接接頭各項指標能達到GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》對Q355D鋼板焊接接頭的技術要求。