双丝埋弧焊焊接工艺参数对焊缝成形的影响

杨秀芝，余圣甫，姚润钢，霍光瑞，周 强

(1.黄石理工学院 机电学院，湖北 黄石 435003；2.华中科技大学 材料学院，湖北 武汉 430074；3.洛阳船舶材料研究所 725所，河南 洛阳 471039)

双丝埋弧焊焊接工艺参数对焊缝成形的影响

杨秀芝1，余圣甫2，姚润钢3，霍光瑞3，周 强2

(1.黄石理工学院 机电学院，湖北 黄石 435003；2.华中科技大学 材料学院，湖北 武汉 430074；3.洛阳船舶材料研究所 725所，河南 洛阳 471039)

为了研究双丝埋弧焊这种高效焊接工艺对低合金高强钢焊接成形质量的影响，进行了双丝埋弧焊对接试验。试验结果表明，电流、电压一定时，改变双丝排列方式从双丝串列、并列到错开方式，从接头成形和力学性能分析来看，只有双丝串列的双丝埋弧焊工艺适合低合金高强钢的对接焊接；为确保接头成形质量，双丝间距、焊接速度以及焊接电流、电压应控制在合理的范围内。采用大的焊接速度应选用较小的双丝间距，在中等焊接速度下，双丝间距应控制在20～100mm，同时焊接速度应控制在60～100cm/min。该研究结果对多丝焊工艺的研究和其他合金钢种的焊接有一定的参考价值。

双丝埋弧焊；双丝间距；双丝排列方式；焊缝成形质量

0 前言

低合金钢具有优良的低温韧性和焊接性，广泛地应用于船舶、桥梁、管道等的重要结构部位，使相关行业在提高设备性能、减轻设备质量、节能降耗等方面取得了较大进步[1]。随之而来，大厚钢板的高效焊接问题也逐渐引起焊接界的关注，我国焊接生产效率低下，大大制约了船舶建造速度、质量与生产成本，迫切需要发展船体结构用高强钢的高效焊接技术。与此同时，以双丝、三丝为代表的多丝埋弧高效焊接技术在民用造船中逐渐崭露头角，而双丝埋弧焊工艺是多丝埋弧焊接技术的一种重要方式，以其高效、节能、优质的特点得到广泛应用，它是民用船应用最广泛的多丝埋弧焊工艺[2－3]，但它在大型工业和商业用舰船中的应用还受到限制。双丝焊是大热输入焊接方法，大热输入量下焊接HAZ的冶金韧化的研究有一定的报道[4]。多(双)丝埋弧焊工艺的可变参数较多，如双丝焊接电流、双丝焊接电压、焊接速度、双丝排列方式、双丝间距和双丝倾斜角度等[5]。通过参考民船建造过程中双丝埋弧焊工艺的实际应用，开展了对船舶结构材料10Ni3CrMoV钢双丝埋弧焊工艺的研究，详细研究了在一定双丝焊接电流和双丝焊接电压范围内，双丝排列方式、双丝间距和焊接速度等参数对焊缝成形、接头截面形貌等的影响，并通过力学性能测定，确定了适合该钢种对接焊接的双丝排列方式、焊接速度和双丝间距。

1 实验材料和焊接方案

试验母材为16 mm厚的10Ni3CrMoV低合金调质高强钢板，钢板的相变点 AC1＝725℃，AC3＝805℃，其化学成分见表1。试验设备为AUTODSADW型Miller双丝埋弧焊机，包含有两台焊接电源，焊接时前、后丝的电源极性组合为DCRP＋AC。双丝排列方式为串列时，间距可调范围为15～110 mm；并列时间距可调范围最小为10 mm；双丝错开一定角度时可调节的范围较大。双丝串、并列位置示意如图1所示。按双丝排列方式不同分两种情况考察10Ni3CrMoV钢的双丝埋弧焊工艺，在借鉴双丝埋弧焊应用的基础上分两种情况：一是双丝串列排列时，在开V型坡口的试板上进行平板对接(见图2)；二是双丝并列和错开一定角度，在平板上进行堆焊。

表1 批号17026，厚16mm的10Ni3CrMoV钢化学成分 %

图1 双丝埋弧焊双丝串、并位置示意

2 双丝串列排列平板对焊试验方案

双丝埋弧焊平板对接坡口和装配如图2所示。双丝串列对焊试验中用焊接材料为10Ni3CrMoV钢配套埋弧焊焊丝WS960和焊剂WF804。前、后焊丝规格均为φ 3.0，焊剂WF804为自研制的高碱度烧结焊剂，其碱度约为3.5，采用高碱度的焊剂可以保证焊缝金属的高强韧性。焊剂烘干的热处理规范为410℃×2h。双丝埋弧焊对接焊接工艺参数见表2。焊剂堆积层高度为25～30 mm，焊接过程中应严禁明弧焊接。焊接分为正、反两面焊，先在有V型坡口的正面进行焊接，前丝、后丝应与坡口底部在同一条直线上，并且对准焊缝中心，严防焊偏而造成咬边或未焊透等焊接缺陷。反面埋弧焊之前用φ 8mm碳棒碳弧气刨刨槽，用砂轮机彻底打磨刨槽的氧化皮及夹碳部位。碳棒在使用之前按技术要求120℃、2 h烘干，压缩空气压力 0.4～0.6 MPa。

3 双丝串列对接实验结果与分析

3.1 双丝串列工艺对接头成形的影响

3.1.1 双丝间距固定，改变焊接速度

双丝间距 40 mm，焊接速度为 60、80、100 cm/min时正、反面焊道成形及截面形貌如图3所示。焊速80 cm/min时接头焊道铺展很均匀，无裂纹、咬边、夹渣等焊接缺陷，焊道表面成形最好(见图3b)；焊接速度为60 cm/min时，由于其焊接速度较慢，使得双丝焊接过程中为共熔池状态，其焊道表面铺展有点过开，造成背面焊道盖面余高不足，但其焊道成形一般(见图3a)；焊接速度为 100 cm/min时，正面焊道成形较好，但背面焊道由于铁水尚未完全铺展开，成形较差，焊缝中部有凸出的中脊，并且部分地方出现咬边(见图3c)。

3.1.2 焊接速度固定，改变双丝间距

焊接速度固定为80 cm/min，双丝间距分别为20、40、60、100 mm 时正反面焊道成形及截面形貌如图4所示。随着双丝间距的增大，明显可以观察出焊道宽度逐渐变窄，而从接头截面形貌上观察，熔深变化不大。双丝间距为20、40 mm时，焊缝表面成形最好，宽度较均匀，未发现咬边、夹渣等焊接缺陷(见图4a、图4b)；从图4c、图4d 可以观察到，焊缝表面成形差，并且出现咬边、夹渣等焊接缺陷，其中间距100 mm时最差，形成了高而窄的表面焊道，主要是由于双丝间距过大，焊接过程中后丝走至前丝经过的位置时，虽然可以利用前丝的余热，但是焊缝金属和由焊剂生成的熔渣已经发生部分凝固，特别是熔融金属的外围部分已经冷却并凝固，使得后丝形成的焊道只能在前焊道的基础上形成高且窄的焊道。

表2 双丝埋弧焊串列对接工艺参数

图2 双丝埋弧焊平板对接坡口和装配

图3 双丝间距为40 mm时接头焊道及形貌

图4 焊接速度为80 cm/min时焊道及截面形貌

3.1.3 大的双丝间距和焊接速度

双丝间距为100 mm和焊接速度为100 cm/min时焊道成形及接头截面形貌如图5所示。在此大规范条件下，其焊道表面成形差，边缘参差不齐，呈波浪状摆动，由此造成大范围的咬边和夹渣，并且其反面焊道上还有不连续的凹陷，主要是由于焊接速度过快，前丝焊道成形本来就差，部分位置发生高低起伏，后丝焊道走至同一位置时必然会发生抖动现象，使得焊道成形更差。从接头截面上看，其熔宽很窄，而熔深较深，未发生未焊透的缺陷。在成形极差的情况下，其接头及热影响区的力学性能仍能达到要求。

图5 双丝间距100 mm焊速100 cm/min时正、反面焊道及接头截面形貌

4 双丝并列工艺对接头成形的影响

4.1 双丝并列时接头焊道形貌

双丝并列间距为10 mm、15 mm、20 mm时焊道形貌如图6所示。由于间距较小，前、后丝电弧形成共用一个熔池，焊道表面不均，局部或整个焊道发生咬边，成形较差。故采用双丝并列焊接，随着双丝并列间距的增加，明显可以得到较宽的熔宽，但由于其熔深较浅，若用于高强钢的平板对接焊很容易造成根部未焊透、咬边等缺陷，所以此排列方式并不适合高强钢的平板对接焊。

图6 双丝并列无倾角时焊道形貌

4.2 双丝错开一定角度时接头焊道形貌

双丝呈错开一定角度，纵向固定为25mm，横向间距为5 mm、10 mm、20 mm时，焊道形貌和接头截面形貌如图7所示。当横向间距为5 mm和10 mm前、后丝电弧共用一个熔池，成形较好，并无明显的焊接缺陷，且熔深较深，熔宽较宽。但由于双丝横向间距增大，明显可见熔宽增大，而熔深较浅，主要是由于双丝虽然共用同一熔池，但由于间距增大使得能量分散，导致熔深变浅而熔宽增大(见图7b)。随着双丝横向间距继续增大，焊道表面成形很差，有多处发生咬边、夹渣等缺陷。此时由于间距增大，双丝熔池形成时虽然相连但明显可见双丝熔池之间有一个中脊产生，此规范下熔宽大大增宽(见图7c)。可见，双丝呈一定角度排列，在双丝纵向间距固定时，横向间距越大，焊道成形越差，越容易产生焊接缺陷。与双丝并列排列时相似，双丝呈一定角度排列时，接头的熔深较浅，熔宽较宽，容易造成根部未焊透、夹渣等缺陷，也不适合高强钢的平板对接焊。

5 双丝串列对接焊力学性能测试

图7 双丝错开一定角度时焊道表面和截面形貌

综上所述，双丝埋弧焊在双丝串列、并列和错开时焊道成形和接头形貌来看，双丝串列埋弧焊是最适合对接焊接低合金高强钢。为了进一步验证双丝串列焊接效果，分别对双丝串列埋弧焊工艺下对接试板进行接头板拉和正反三点弯曲3a(180°)试验和－50℃低温夏比冲击试验。结果表明，双丝埋弧焊焊接接头的抗拉强度较大，正反面冷弯结果全部合格，接头抗拉强度全部都大于700 MPa(力学性能指标要求大于655 MPa)，24个试样(每种规范取两个试样)中除四个试样断于焊缝，其他全部断于母材，且值全部高于标准要求，表明10Ni3CrMoV钢对双丝埋弧焊工艺的焊接速度和双丝间距变动的适应性及稳定性较好。

双丝串列埋弧焊对接接头的焊缝、熔合线上及距熔合线2 mm的热影响区处－50℃时V型缺口夏比冲击试验结果如表3所示。

由表3可知，－50℃时夏比冲击功均高于指标值(41J)。熔合线上的缺口冲击值普遍较低，焊缝处的缺口冲击比熔合线处的缺口冲击值要高，而距熔合线2 mm处夏比冲击值最好，表明采用双丝串列埋弧焊时熔合线附近和焊缝仍是焊接接头中的薄弱环节，但仍能达到要求。

6 结论

对于双丝串列、并列和双丝错开等双丝埋弧焊工艺，只有双丝串列埋弧焊因焊缝表面成形好，接头熔深较深容易焊透，熔宽合理不易产生夹渣、咬边等缺陷且接头力学性能好，适合低合金高强钢的焊接成形，但有如下注意事项：

(1)焊接速度和双丝间距应合理搭配，焊接速度控制在 60～100 cm/min，丝间距控制在 20～100 mm。

(2)双丝双电弧形成共熔池时，可在较大的焊接速度变化范围实现良好焊接成形。

表3 双丝串列对接焊缝、熔合线上及距熔合线2 mm的HAZ处AKV(－50℃)冲击试验结果

(3)双丝双电弧形成两分离熔池，在较低的焊接速度下才能保证良好的焊接成形。

[1]王九清，王文亮，吴建鹏.提高低合金高强度钢强韧性的措施[J].宽厚板，2001，7(5)：10－15.

[2]韩 彬，邹增大，曲仕尧，等.双(多)丝埋弧焊方法及应用[J].焊管，2003，26(4)：21－24.

[3]余圣甫，杨 可，雷 毅，等.大热输入焊接高强度低合金钢热影响区的晶粒细化[J].焊接学报，2008，29(3)：17－20.

[4]桂赤斌.高效率焊接条件下船体焊接接头的韧化[J].电焊机，2008，38(12)：1－5.

[5]霍光瑞，朱丙坤，姚润钢.双丝埋弧焊工艺参数与焊道成形关系研究[J].热加工工艺，2007(15)：27－30.

Study on parameters of twin-wire submerged arc welding process to impact the weld shape and quality

YANG Xiu-zhi1，YU Sheng-fu1，YAO Run-gang2，HUO Guang-rui2，ZHOU Qiang1
(1.School of Huangshi technology，Huangshi 435003，China；2.Materials Institute of Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；3.Luoyang Ship Material Research Institute 725，Luoyan 471039，China)

A detailed study of how twin-wire submerged arc welding process to impact the welding forming quality on low alloy high strength steel.The experimental results show that when welding current and voltage is certain，double-wire with a change from two-wire serial，parallel to the staggered approach，from analysis of forming and mechanical properties of welding joint，only dual-wire submerged arc welding process of the two-wire serial is adapt to butt welding for low-alloy high-strength steel；To ensure that the joints forming quality，double-wire spacing，welding speed and welding current，voltage should be controlled within reasonable range；General，when a high welding speed is used,distance between pairs of wire should be selected smaller，while when welding speed is in the middle,the two-wire spacing should be controlled at the range of 20～100 mm；at the same time，welding speed should be controlled at 60～100 cm/min.The results has a certain reference value to the study of the multi-wire welding process and the welding of other types steel.

twin-wire SAW；double-wire spacing；two-wire arrangement；weld forming quality

TG445

A

1001－2303(2011)03－0060－05

2010－01－15

收稿日期：教育部博士点基金资助项目(200804870034)

杨秀芝(1974—)，女，湖北武汉人，博士，主要从事焊接热效应、高效焊接等方面的研究工作。