FCB法根部焊缝表面横向裂纹分析及预防

徐纠纠 吴磊磊 江泽新 马金军

摘 要：FCB法单面埋弧焊广泛应用于平直板的拼板焊接，但此方法焊接线能量较大，工艺控制不当有可能在根部焊缝出现表面横向裂纹。本文从宏观和微观两个方面分析了FCB法单面埋弧焊根部横向裂纹的产生机理，并结合生产现场制定了相应的工艺措施，改善了根部焊缝产生表面横向裂纹的情况。

关键词：FCB法；表面横向裂纹

中图分类号：U671.8 文献标识码：A

Abstract： FCB is widely used in the welding of straight plates， but transverse cracks always be found on the root welds because of its high heat input and improper process control. This paper analyzes the reasons for transverse cracks on the FCB root welds and presents the corresponding technology to prevent it

Key words： FCB； Transverse cracks on the root welds

1 前言

FCB三丝埋弧自动焊是在铜垫板上均匀撒布4～6 mm厚度衬垫焊剂，然后用空气管等简单的顶压装置将上述铺好焊剂的铜垫板压紧到接头背面，使其与工件紧密貼合，再从正面进行单面焊接最终形成根部焊道的一种单面埋弧焊接法[1]。此焊接方法已广泛应用于平直分段生产线的拼板焊接，与传统的埋弧焊相比，减少了钢板翻身时间、提高了电弧利用率，从而大幅度提高了焊接效率。但FCB单面埋弧焊在工艺控制不当时，有可能在根部焊缝出现表面横向裂纹，必须采用焊缝修补工艺进行修补，反而降低了生产效率。目前，国内外关于这方面的研究报道还很少。为了提高FCB焊的生产效率，本文通过试验并从宏观和微观两方面对横向裂纹产生位置及形成机理进行研究，为FCB单面埋弧焊提供技术参考。

2 焊接试验材料及方法

2.1 试验焊剂与焊丝

试验选用3组不同厚度的试板进行对比试验，编号为1#、2#、3#。1#试板选用进口焊材，2#、3#则选用国产焊材。

2.2 焊接方法及参数

3组试板按工艺要求进行装配，相关坡口参数见表1，焊接参数见表2。

3 根部横向裂纹特征及形成机理

3.1 根部横向裂纹特征

按照上述焊接材料及焊接参数，使用目前市面上主流的进口和国产焊材进行FCB焊接试验。焊后对所有根部焊缝进行100%MT检测，发现在根部焊缝的波谷位置出现横向裂纹，如图1所示。此类裂纹难以被肉眼发现，虽对焊缝波峰进行了刨除及打磨处理，实际上位于波谷的细微裂纹仍隐藏于焊缝中。

为了明确裂纹的形态，将裂纹部位沿焊缝方向剖开并进行打磨、抛光、腐蚀等处理后观察其宏观断面形态，如图2所示。从图2可以看出，裂纹出现在焊缝根部表面位置且垂直于板厚方向，裂纹是从焊缝中心向焊缝热影响区进行扩展的。

3.2 根部横向裂纹形成机理

分析发现，由于部分坡口加工质量达不到要求，容易引起焊漏或未焊透的情况，致使根部焊缝成型不均。坡谷位置的焊缝余高和宽度较坡顶位置明显较小，本身强度较低，同时受应力集中影响，故容易产生裂纹。进一步分析发现，由于较低的余高保温效果不足，所以焊缝冷却不均匀，加上在焊缝凹处有应力集中，收缩而产生的拉伸变形超过了许应值，促发了裂纹的产生。

通过Zeiss光学显微镜观察显微组织，从图3、图4中可以看出：焊缝处主要的组织为大量的针状铁素体和少量的块状铁素体。针状铁素体均匀且细小，交叉分布无方向性，具有优良的强韧性，能够阻止裂纹的扩展；而块状铁素体是小角度晶界组织，在抵抗裂纹扩展性方面相对于具有大角度晶界的针状铁素体还比较薄弱[2]。由于外部工艺条件的影响和根部铜垫板的快速冷却效果，使得凝固时低熔点共晶物富集于晶界，在焊缝内部柱状晶间横向开裂，出现垂直于焊缝的横向微裂纹。这些裂纹源于表面的凹陷处，此处由于余高的保温作用不充分，晶粒未得到充分细化，块状铁素体居多，然后逐渐向下扩展，直到接触到具有强韧性的针状铁素体才停止扩展。

4 根部横向裂纹预防措施

基于以上分析，结合焊接工艺的要求和平常使用FCB焊的一些经验，我们采取了一些防止产生表面横向裂纹的措施：

（1）在钢板吊运时采用磁吸吊，可以很大程度上防止钢板发生变形，既减少切割坡口时的留根不均匀问题，也解决因钢板变形造成的钢板与根部焊剂贴合不严问题；

（2）改善切割的加热方式，以减少钢板切割变形；另外，切割时要注意保持切割过程中喷（下转第页）（上接第页）

嘴的角度一致，并经常清理和及时更换喷嘴，提高坡口加工质量；

（3）对装配可能错边的部位，应通过敲打、锲铁等方式使钢板根部尽量保持在同一平面上；有间隙的地方要尽量通过丝杆等工具拉紧贴合才点焊，对于少数确实难以拉合的部位要填焊；定位焊和填焊的高度要小于5 mm，焊后要打磨均匀；严格按照工艺要求安装专用的引、熄弧板，确保引、熄弧板根部与钢板处于同一平面上；

（4）焊前要认真检查坡口角度、留根、填缝焊质量及装配间隙并作出标记，以便焊接时对应调整焊接电流、电压或焊速；

（5）焊后采取缓冷措施，使根部焊缝与铜衬垫接触5～6分钟，且利用正面渣壳的保护下加盖石棉布，直至焊缝冷却到室温后才移除。

5 结束语

通过对根部横向裂纹的宏观检测和微观组织分析，发现产生横向裂纹主要与坡口装配质量和焊后冷却速率两个因素有关。为此，结合实际生产情况制定并实施了相关控制措施，使根部焊缝产生横向裂纹的情况得到明显改善。

感谢以下项目对本研究的支持：广州市科技计划项目（201604046026）《极地凝析油船船体关键焊接技术研究》。

参考文献

[1] 吴信保，杨念记，方长海.FCB法焊接在我国船舶领域的应用[J].金属加工：热加工，2012（6）.

[2] 万响亮，李光强，吴开明.低合金高强钢针状铁素体组合特征和形成机理[J].钢铁研究学报，2016，28（6）.