70mm厚板高效焊接工艺及接头性能研究

屠涛雄，李华，赵永状

武汉天高熔接股份有限公司 湖北武汉 430056

1 序言

近年来，在造船、建筑、桥梁、石油化工及海洋平台等领域，随着焊接结构的大型化和大跨度化，焊接效率决定了总制造成本，因此在中厚板焊接方面气电立焊、埋弧焊、电渣焊等大热输入焊接方法已相继得到了广泛应用[1]。对于厚板焊接一直是困扰制造厂家的难题，如焊接周期长、焊接道层多、需要反复翻转等问题，本文介绍了多丝排列加合金粉填充的焊接工艺，采用大热输入焊接，在提高焊接效率的同时，保证了焊接接头的力学性能，实现了70mm板厚的高效焊接。

2 焊接工艺

图1 焊接坡口形式

70mm厚板高效焊接工艺是针对厚板平对接焊开发的一种高效、深熔的多丝埋弧焊工艺，该工艺采用X形坡口（见图1），中间留根，同时在坡口内填充一定量合金粉，采用3根φ5.0mm焊丝同时进行焊接，以达到70mm以内板厚双面单道一次焊接成形。前丝L直流，焊枪后倾15°；中丝T1交流；后丝T2交流，焊枪前倾5°。三丝焊枪排布如图2所示。

3 试验材料、设备及方法

图2 三丝焊枪排布

本研究选用母材尺寸为800mm×200mm×70mm的Q370qD钢板，引弧板尺寸为100mm×100mm，引出板尺寸为200mm×100mm，埋弧焊丝为特制焊材，φ5.0mm、3根，焊剂为特制埋弧焊剂，焊剂颗粒度为10～60目（0.25～2.00mm），合金粉为调制合金粉，颗粒度为8 0～1 6 0目（0.096～0.18mm）。焊前对母材Q370qD钢板进行去污处理。钢板化学成分及力学性能见表1，焊接材料化学成分及力学性能见表2、表3。焊机型号为林肯DC1500+AC1200+AC1200埋弧焊机。

焊接试板装配时要求：坡口角度为（45±2）°；钝边尺寸为（10±1.5）mm；间隙0～1mm。引弧板需使用碳弧气刨刨开长度50～100mm、与坡口同深度的过渡槽，引弧板长度应≥200mm；收弧板需使用与坡口同角度钢板拼接，收弧板长度应≥200mm。焊接时钢板两面所选焊接参数一致，见表4。焊后所得焊缝外观如图3所示。

图3 70mm厚板焊缝外观

4 焊接工艺特点

1）本工艺采用三丝大热输入焊接，焊剂中含有大量合金粉，以增加熔池熔覆量。同时，在坡口内填充合金粉，进一步增加焊接熔覆量，实现单面一道成形；熔池状态为双熔池，前丝、中丝为一熔池，保证局部熔深和熔池填充，后丝为一熔池，保证盖面和表面成形。

2）本焊接工艺采用双面单道焊接，单面一次成形，焊接产生的内应力多为横向收缩应力，垂直应力小，角变形小。而传统多层多道焊接工艺，由于每一层道的累加，产生的焊接内应力大，因此大多时候制造厂家采用不断翻面焊接，来平衡焊接产生的内应力。但往往翻面后第一道焊缝处理不当，还会出现焊接应力裂纹，因为多层焊时每层焊缝少而薄，所以焊缝被拉裂的概率高。而一次成形焊接熔池的焊缝多且厚，焊接内应力小，相应地产生应力裂纹的概率就小（见图4）。

3）无需反复翻转焊接，减少焊接工作量。

表1 钢板化学成分及力学性能

表2 埋弧焊丝化学成分及力学性能

表3 埋弧焊剂与合金粉的化学成分（质量分数） （%）

表4 70mm厚钢板焊接参数

图4 焊接内应力分布

5 焊接材料特点

1）焊剂为中碱合金型焊剂，根据国际焊接协会标准焊剂碱度BIIW=1.5，焊剂主要熔渣为MgO+SiO2+TiO+CaF2体系，能满足大热输入条件下良好的焊接工艺性能。

2）焊剂中合金比例接近40%，合金成分主要为Mn、Si、Ti、Fe。因为焊接热输入较大，所以熔池合金会有一定烧损，通过焊剂中的Mn、Si过渡，保证焊缝的合金成分，使焊接接头拥有一定的强度与韧性。Ti-B系细化铁素体组织晶粒是十分明显的，通过焊剂过渡Ti与B的共同作用，细化熔池组织晶粒。Fe主要是过渡到熔池中，增加焊接熔敷量[2]。

3）合金粉主要成分为Fe，在焊接过程中能明显提高焊接熔敷量，合金粉中的Mn、Ti系列合金能起到细化组织晶粒作用。合金粉的吸收热量及熔池匀化对减小热输入、稀释电流密度有促进作用。

6 焊接接头性能试验及结果分析

（1）焊缝化学成分 焊缝化学成分检测使用德国布鲁克X射线荧光光谱仪进行分析，结果见表5。

表5 焊缝化学成分（质量分数） （%）

（2）焊缝金属拉伸性能 焊缝金属拉伸性能试验依据GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》，检测结果见表6。由表6可知，焊缝金属抗拉强度满足要求，且具有良好塑性，伸长率满足要求。

表6 焊缝金属拉伸性能

（3）焊接接头力学性能 焊接接头力学性能试验标准依据GB/T 2651—2008 《焊接接头拉伸试验方法》以及GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》，检测结果见表7。由表7可知，接头强度满足要求，弯曲测试未出现开裂现象，满足要求。

表7 焊接接头力学性能

（4）接头冲击性能 焊接接头冲击性能试验标准依据GB/T 2650—2008 《焊接接头冲击试验方法》（见图5），试验结果见表8。

图5 冲击试样取样

表8 冲击试验结果

由表8可知，焊缝中心区域及熔合线+3mm区域冲击性能较为稳定，熔合线+1mm区域有明显波动，但满足要求。主要因为熔合线+1mm区域为粗晶区，尤其在大热输入焊接条件下，粗晶区组织晶粒明显增大，所以造成低温冲击性能不稳定。

（5）焊接接头宏观金相 宏观金相如图6所示。

（6）接头硬度 接头硬度试验标准依据GB/T 2654—2008《焊接接头硬度试验方法》（见图7），检测结果见表9。

根据表9数据可以得出，焊缝区域硬度最大，母材硬度最小。主要是因为焊缝金属强度高于母材，所以硬度值最高；而熔合线附近组织为粗晶区，因此强度会略高于母材。

图6 宏观金相

图7 硬度打点位置

表9 焊接接头不同区域硬度值 （HV10)

（7）焊接接头微观金相 通过冲击试验得知，板厚中心（两熔池交汇处）性能较差，因此对此区域进行微观金相观察，如图8所示。

图8 焊接接头微观组织

由图8可知：焊缝中心区域在微合金化及细微氧化物夹杂作用下，组织较为稳定，主要以细微针状铁素体为主，因此性能较为稳定；熔合线区域（主要是粗晶区）在大热输入条件下，晶粒明显粗大，因此导致性能有所下降；热影响区组织略微粗大，但是仍存在大面积针状铁素体，因此性能较为稳定。

（8）小结 ①通过对焊接接头各项性能指标检验得出：根据GB/T 714—2008《桥梁用结构钢》、Q/CR 9211-2015《铁路钢桥制造规范》标准，焊接接头力学性能可以满足Q370qD钢材性能标准。②通过对焊接接头冲击性能试验可以得出：焊缝区域整体低温冲击性能相对稳定，在熔合线+1mm位置冲击性能相对有所下降。通过观察焊接接头微观组织可以看出，钢板在大热输入焊接条件下，熔合线附近粗晶区组织晶粒相对粗大，导致低温冲击性能降低，但仍满足标准要求。

7 结束语

1）70mm厚钢板通过采用三丝焊接加入合金粉方式，可以实现双面单道焊一次成形，并达到熔透要求。

2）厚板采用双面单道焊接，焊接角变形小，焊接裂纹敏感度低，无需反复多次翻面焊接，焊接效率得到提升。

3）在大热输入条件下，焊接接头满足钢板性能要求，但是热影响区组织晶粒相对粗大，建议使用适应大热输入焊接的钢板进行焊接。