海洋工程厚板雙絲埋弧焊焊接工藝研究

于紹興，宋光濤，賈江濤，李振生，鞏孝田

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

隨著海洋工程由幾十米的淺水水域進入到300m以上水深的深海領域，海洋裝備結構物也朝著大型化發展，這在導致鋼板厚度增大的同時，也使厚板所占的比例越來越大。作為占海洋工程導管架焊接工作量約40%的卷管接長工作[1]，焊接效率的高低將影響整個項目的建造進度。

埋弧焊因其具有焊接速度快、焊縫質量好、成形美觀及熔覆效率高等優點，一直以來在鋼管卷制接長工作中占有重要的地位，是卷管接長的主要焊接方法。伴隨著越來越多的厚板卷管接長工作量，亟需開發更高效的埋弧焊工藝來提升施工效率。提高埋弧焊的焊接效率有多種方法，比如增加焊絲數量、減小熔敷金屬面積、提高熔敷速度等方法。根據我公司的實際情況，選用雙絲埋弧焊工藝作為提升焊接效率的方法。

2 雙絲埋弧焊介紹

采用的雙絲埋弧焊設備為縱列式DC/AC雙絲雙電源埋弧焊，其主要由焊接電源和自動焊接系統組成，自動焊接系統又包括控制箱和埋弧大臂。在雙絲中，前絲為主焊絲，采用直流電源，主要通過其來獲得較大的熔深；后絲為從焊絲，采用交流電源，主要用于控制所需要的焊縫表面尺寸，通過雙絲前后配合，最終保證焊縫具有良好的焊縫形狀[2，3]。其原理如圖1所示。

圖1 雙絲埋弧焊原理

雙絲埋弧焊與單絲埋弧焊相比，由于雙絲埋弧焊的兩個電源作用在同一個熔池，因此總電流比單絲埋弧焊大，更大的電流增加了熔敷率（最大可達單絲的一倍以上）。在保持相同的熱輸入情況下，大幅提高了焊接速度，實現了高速焊接，最終提升了生產效率。

3 焊接工藝開發

3.1 試驗材料

試驗用鋼材選用海洋工程常用材料GB/T 712—2011《船舶與海洋工程用結構鋼》中規定的EH36-Z35鋼，其厚度為70mm，材料的供貨狀態為正火，碳當量為0.42%。試驗用鋼材的化學成分與力學性能分別見表1、表2。

表1 試驗用鋼材化學成分（質量分數） （%）

表2 試驗用鋼材力學性能

試驗用焊接材料根據強度與韌性均不低于試驗鋼材的原則進行選用。考慮到焊接完成后需要對焊接接頭進行焊后熱處理，這會對焊接接頭的強度與韌性均產生影響，因此試驗用焊接材料需要保證在經過焊后熱處理后，仍能夠滿足對應的性能要求?；谝陨显瓌t，選取AWS A5.23 F7P8-ENi1K-Ni1、φ4.0mm的埋弧焊焊接材料。其在未烘干狀態下的擴散氫含量≤5mL/100g。試驗用焊接材料的化學成分與力學性能分別見表3、表4。

表3 試驗用焊接材料化學成分（質量分數） （%）

表4 試驗用焊接材料力學性能（熱處理態）

3.2 試驗設備

使用的雙絲埋弧焊設備為縱列式DC/AC雙絲雙電源埋弧焊，焊接電源分別為林肯DC-1000和AC-1200，控制箱為NA-3S（DC）和NA-4（AC），電源設備如圖2所示。其前導焊絲采用直流電，后隨焊絲采用交流電。

圖2 焊接電源

3.3 焊接參數

為了滿足后續的理化試驗取樣需要，并充分模擬實際施工中焊接接頭的情況，選定的試板尺寸為1000mm×600mm×70mm。埋弧焊采用平焊位置進行焊接，具體的坡口形式如圖3所示。

圖3 坡口形式

焊接參數主要包含預熱溫度、最大層間溫度、焊接電流、電弧電壓、電流極性、焊接速度和熱輸入等參數。預熱主要是為了防止裂紋的產生。預熱溫度的確定與鋼材的淬硬傾向、拘束度以及焊接材料的擴散氫含量有關。鋼材的碳當量越大、氫含量越高、厚度越大，產生裂紋的概率也越大，要求的預熱溫度就越高。根據本試驗鋼材的碳當量為0.42%，焊接材料擴散氫含量≤5mL/100g以及焊接接頭厚度為70mm的情況，結合AWS D1.1/D1.1M：2015《鋼結構焊接規范》的要求，設定預熱溫度為110℃。

由于本試驗鋼材為正火鋼，為了避免沉淀相的溶入以及晶粒粗大導致的熱影響區脆化，宜選取偏小的焊接熱輸入，同時限制最大層間溫度，綜合考量將熱輸入限制在3.5kJ/mm，最大層間溫度250℃。

焊接時前絲垂直、后絲傾角15°，前后絲間距20mm左右[4]。由于縱列雙絲埋弧焊是雙電弧單熔池，因此焊接時需要配以高的焊接速度來保證焊接熱輸入在限定的范圍內，從而保證焊接接頭的性能指標滿足要求。試驗用焊接參數見表5。為保證焊接接頭根部的焊接質量，需進行碳弧氣刨清根與打磨處理。

表5 試驗用焊接參數

3.4 焊后熱處理

為了降低厚板焊接后的殘余應力，需要在試板焊接完成后進行焊后消除應力熱處理。采用電阻加熱片的方式對焊接試板進行加熱，并包裹保溫棉進行焊后熱處理。熱處理保溫溫度區間600～650℃，保溫時長≥2.2h。

其他注意事項主要包括以下兩方面內容。

1）焊前要徹底清除坡口附近的鐵銹和油污，防止因產生氣孔而影響焊接質量。

2）雙絲埋弧焊引弧時，先將前絲進行引弧，在電弧穩定運行30mm左右后，后絲在熔池表面起?。幌ɑr，前絲先?；?，后絲待弧坑填滿后再熄弧。

4 結果與討論

4.1 無損檢測與理化檢測

（1）無損檢測 對焊后熱處理完成后的焊接試件進行了外觀檢測、磁粉檢測、超聲波檢測，結果均滿足AWS D1.1/D1.1M：2015《鋼結構焊接規范》要求。

（2）理化檢測 主要進行了拉伸、彎曲、沖擊韌度、宏觀金相以及硬度試驗。理化檢測結果見表6。接頭宏觀形貌如圖4所示。

圖4 接頭橫截面宏觀形貌與層道分布

（3）結果分析 從表6可看出，經過焊后熱處理，整個焊接接頭的抗拉強度仍大于母材的最小名義抗拉強度的要求。試件在經180°彎曲后，無缺陷產生，表明材料的塑性良好。焊接接頭各個區域的沖擊吸收能量均在項目要求的最低值34J之上，硬度均＜325HV10的要求。各項性能指標均滿足要求，證明焊接材料的選取以及焊接參數的設置均合理。由于埋弧焊為自動化焊接且焊縫質量高，因此其焊縫沖擊吸收能量值表現優良且較為均勻。熱影響區（熔合線、熔合線+1mm、熔合線+5mm）的沖擊試驗值較之焊縫有所降低，這一方面是由于所選取的焊接材料性能非常優良，另一方面也是由于熱影響區化學成分與組織不均勻所致。由于焊縫的性能優良，因此熔合線處的沖擊值較之熔合線+1mm處表現稍好。熔合線+1mm處于過熱區，晶粒比其余區域較大，因此表現為沖擊吸收能量值較低。熔合線+5mm處受焊接熱影響的作用較小，因此更多地表現為與母材接近的沖擊沖擊吸收能量值。另外，雖然母材的碳當量為0.42%，淬硬傾向較大，但因為焊后熱處理的作用，所以表現為整體較小的硬度值。

表6 理化檢測結果

5 結束語

1）通過無損檢測、拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、宏觀與硬度試驗，驗證了焊接接頭具備良好的性能，滿足標準的各項指標要求。

2）雙絲埋弧焊工藝的開發成功將大幅提升卷管的焊接效率，該工藝將在海油平臺導管架、鋼樁、海上風電塔筒等厚壁管的建造中得到廣泛應用。