陶瓷襯墊藥芯氣體保護(hù)焊焊接工藝

袁中龍，劉業(yè)廷，宋光濤，熊慶和，張京華

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

在某深水海洋平臺(tái)船體建造過程中，船體分段在最后合攏時(shí)，存在大量的長(zhǎng)直焊縫需要進(jìn)行對(duì)接，該焊縫最大長(zhǎng)度達(dá)數(shù)十米。保證如此大的結(jié)構(gòu)整體組對(duì)間隙達(dá)到2～6mm的要求是極為困難的，因此有很長(zhǎng)的坡口需要按照項(xiàng)目要求進(jìn)行堆焊以修正間隙。間隙的修正有單獨(dú)的堆焊流程，需要進(jìn)行報(bào)檢與焊接作業(yè)，且對(duì)完成堆焊的焊縫需要打磨處理，以便進(jìn)行外觀檢查、尺寸檢測(cè)與磁粉檢測(cè)，而復(fù)雜的堆焊工序會(huì)導(dǎo)致施工效率降低。

考慮到陶瓷襯墊焊接工藝可以支持大間隙（10m m）坡口的直接焊接，因此如果開發(fā)該工藝，則可以大大簡(jiǎn)化流程，提升施工效率。

2 焊接工藝開發(fā)

（1）母材 選用A B S E H36材料，厚度為25mm，該材料以熱機(jī)控軋工藝供貨，這也保證了其較低的碳當(dāng)量（0.33%），且Pcm=0.18%，使得其焊接性優(yōu)良。一般來講，當(dāng)某材料的碳當(dāng)量＜0.4%時(shí)，就認(rèn)為其具備優(yōu)良的焊接性[1]。選取的母材化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見表1、表2。

表1 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 母材力學(xué)性能

（2）焊接材料 與母材進(jìn)行等強(qiáng)韌性的匹配，選取AWS A5.20 E71T-1CJ、φ1.2mm的焊接材料。同時(shí)，為了降低焊接接頭的冷裂傾向，要求擴(kuò)散氫含量＜5mL/100g。試驗(yàn)用焊接材料化學(xué)成分與力學(xué)性能分別見表3、表4。

表3 試驗(yàn)用焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表4 試驗(yàn)用焊接材料力學(xué)性能

（3）陶瓷襯墊 陶瓷襯墊使用象山天興焊接襯墊有限公司生產(chǎn)的JN系列焊接襯墊，其耐火度＞1300℃，吸潮率≤0.35%。

（4）焊接試件 根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的坡口形式及焊接位置，選取2G位置進(jìn)行焊接，具體的坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口形式

（5）焊接參數(shù)控制 鑒于母材優(yōu)異的焊接性，以及母材厚度僅為25m m，具有較低的接頭拘束度，因此設(shè)定其預(yù)熱溫度為25℃。為了保證焊接接頭的低溫（－40℃）沖擊性能，需控制最大層間溫度為250℃。另外，考慮到藥芯焊絲本身的熱輸入限制、低溫沖擊性能要求以及橫焊位置的特點(diǎn)，控制其最大熱輸入為1.3kJ/mm。對(duì)于陶瓷襯墊藥芯氣體保護(hù)焊工藝，在其打底焊道焊縫正面易產(chǎn)生焊接裂紋，且當(dāng)焊接電流增大時(shí)，出現(xiàn)裂紋的概率增大。這是由于隨著電流的增大，電弧對(duì)母材及襯墊的熱作用增加，在熔池中引入了更多的氧化物，降低了焊縫的純凈度，同時(shí)由于熱輸入的增大及陶瓷襯墊的保溫作用，延長(zhǎng)了低熔點(diǎn)共晶的存在時(shí)間，增大了裂紋傾向。因此，需要適當(dāng)降低焊接電流，控制打底焊的焊接電流不超過200A[2，3]。具體的焊接參數(shù)見表5。

表5 陶瓷襯墊藥芯焊絲氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)

（6）其他注意事項(xiàng)

1）單面坡口焊接時(shí)需要使用單面扁平襯墊，襯墊安裝在坡口背面且要保證襯墊凹槽中心線與坡口中心線對(duì)齊。貼襯墊前要清理鋼板表面的灰塵等異物，以保證襯墊膠帶能夠貼緊坡口兩側(cè)。雙面坡口時(shí)要選用圓柱形襯墊，安裝在坡口根部并貼緊。為了保證焊接質(zhì)量，實(shí)際施工時(shí)無論單面坡口還是雙面坡口，都需要對(duì)陶瓷襯墊側(cè)進(jìn)行碳弧氣刨清根，清根深度至少達(dá)到3mm，且需要打磨至金屬光澤，以徹底去除滲碳層。

2）打底層焊接時(shí)，坡口兩側(cè)要保證徹底熔透。必要時(shí)需要進(jìn)行擺動(dòng)，并在兩側(cè)略做停頓，以保證根部焊縫背面成形[4]。

3）完成打底焊道后再連續(xù)焊接4道，或焊接厚度達(dá)到母材厚度的1/3，保證焊縫有足夠的強(qiáng)度后，才可以中斷焊接。

4）施工時(shí)對(duì)于較長(zhǎng)的焊縫必須采用分段焊接，根部焊接時(shí)一定要注意焊接電流不可過大，否則容易導(dǎo)致根部裂紋。

3 結(jié)果分析與討論

（1）無損檢測(cè) 整個(gè)焊接試件按照AWS D1.1/D1.1M：2015《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》及項(xiàng)目規(guī)格書要求進(jìn)行無損檢測(cè)。外觀檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)結(jié)果均滿足要求。

（2）理化性能 理化試驗(yàn)主要進(jìn)行了橫向減截面拉伸試驗(yàn)、側(cè)向彎曲試驗(yàn)、低溫夏比沖擊試驗(yàn)、宏觀金相和硬度試驗(yàn)。試驗(yàn)按照ASTM A370—2010《鋼制品機(jī)械性能測(cè)試方法和定義》要求進(jìn)行。理化性能試驗(yàn)結(jié)果見表6。接頭宏觀形貌如圖2所示。

圖2 接頭宏觀形貌

（3）結(jié)果分析 由表6可知，焊接接頭的橫向減截面拉伸試驗(yàn)結(jié)果滿足不小于母材抗拉強(qiáng)度規(guī)定值下限（490MPa）的要求，側(cè)彎試驗(yàn)無缺陷，各個(gè)位置的低溫沖擊吸收能量均遠(yuǎn)超過34J的標(biāo)準(zhǔn)要求，接頭宏觀形貌無缺陷，維氏硬度值低于要求的325HV10。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的強(qiáng)度、塑性、韌性均表現(xiàn)優(yōu)異，滿足項(xiàng)目的要求。由于采用較小的熱輸入，以及最大層間溫度的限制，熱影響區(qū)得到下貝氏體，其整體表現(xiàn)出良好的韌性。這是由于熱輸入較小時(shí)，易獲得溫度較低的貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。而伴隨轉(zhuǎn)變溫度的降低，轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)力增加，增大了貝氏體、鐵素體中碳過飽和度。此時(shí)的碳元素尚可在鐵素體中進(jìn)行短程擴(kuò)散，從而在鐵素體基體上析出下貝氏體。與硬而脆的上貝氏體不同，由于下貝氏體所需的轉(zhuǎn)變溫度較低，使得碳擴(kuò)散較為困難，因此碳化物彌散度高，強(qiáng)化作用大，表現(xiàn)出較好的沖擊性能。另外，由于熱影響區(qū)與焊縫距離不同的位置經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同，從而導(dǎo)致其組織不均勻，因此表現(xiàn)為性能的不均勻性。距焊縫距離越大，受焊接的熱影響越小，其組織結(jié)構(gòu)也越均勻，沖擊性能趨于穩(wěn)定，且越來越接近于母材的沖擊值水平。由于鋼材的低碳當(dāng)量以及合適的焊接參數(shù)，因此其整個(gè)焊接接頭的硬度值水平適中（190～252HV10）。硬度結(jié)果表明，并未檢測(cè)到明顯的高硬度區(qū)，間接說明在該焊接參數(shù)下，整個(gè)焊接接頭中并未產(chǎn)生馬氏體或上貝氏體等硬脆相。

表6 試件力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過開發(fā)陶瓷襯墊藥芯氣體保護(hù)焊工藝，免去了大間隙情況下大量的堆焊作業(yè)，提升了施工效率。通過將最大層間溫度限制在250℃，控制最大熱輸入為1.3kJ/mm，并限制打底焊時(shí)的焊接電流不超過200A，嚴(yán)格控制陶瓷襯墊的安裝，保證了焊接工藝的成功開發(fā)。陶瓷襯墊藥芯氣體保護(hù)焊工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足項(xiàng)目要求，焊接接頭具備優(yōu)良的性能。