盛 凱， 劉長(zhǎng)虹， 郭云飛， 包 孔， 李 政

(1.上海振華重工集團(tuán)股份有限公司, 上海 200125； 2.上海交通大學(xué), 上海 200125；3.上海海工裝備高效智能焊接技術(shù)研究中心, 上海 200125)

海工船舶厚板Y型坡口不清根高效焊接新技術(shù)

盛 凱1， 劉長(zhǎng)虹2， 郭云飛3， 包 孔3， 李 政1

(1.上海振華重工集團(tuán)股份有限公司, 上海 200125； 2.上海交通大學(xué), 上海 200125；3.上海海工裝備高效智能焊接技術(shù)研究中心, 上海 200125)

針對(duì)傳統(tǒng)的厚板V型坡口清根焊接技術(shù)，本文提出了Y型坡口不清根高效焊接新技術(shù)。通過對(duì)焊接接頭的宏觀金相分析得出了Y型坡口焊接可采用的最大鈍邊尺寸以及所適用的焊接規(guī)范，并將此技術(shù)應(yīng)用于海工船舶厚板對(duì)接拼焊中，相對(duì)傳統(tǒng)的V型坡口焊接技術(shù)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保價(jià)值。

厚板 不清根焊接Y型坡口

1 前言

厚板對(duì)接拼焊是海工船舶制造的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的厚板焊接方法一般采用開V型(或X型)坡口，正面焊接、背面碳刨清根的工藝進(jìn)行焊接[1]，其生產(chǎn)效率低下，耗能高，環(huán)境污染嚴(yán)重，而且焊縫金屬填充量大，焊接成本高，因此急需發(fā)展高效的厚板不清根焊接新方法。

上海振華重工集團(tuán)股份有限公司的張華軍[2]等人通過研究傳統(tǒng)埋弧不清根焊接產(chǎn)生缺陷的原因，提出了新型的I型坡口焊接方法，即通過GMAW打底后再進(jìn)行正面和背面的埋弧焊接。但是當(dāng)板厚尺寸進(jìn)一步增大，單純通過提高埋弧焊電流已不能實(shí)現(xiàn)正反面焊縫金屬之間的良好熔合。因此，亟待發(fā)展適用于更大板厚的不清根焊接技術(shù)。

為此，本文提出了厚板Y型坡口不清根焊接技術(shù)，并通過試驗(yàn)確定了Y型坡口焊接可采用的最大鈍邊尺寸及焊接參數(shù)。

2 試驗(yàn)規(guī)劃和過程

2.1 厚板Y型坡口焊接方法簡(jiǎn)介

厚板Y型坡口不清根焊接首先采用實(shí)心焊絲氣體保護(hù)焊打底，然后正面第二道焊縫采用小電流埋弧焊接，正面焊接完成后翻身，背面不碳刨清根，直接采用大電流埋弧焊接。焊接流程如圖1所示。

圖1 Y型坡口焊接流程圖

2.2 焊接設(shè)備和材料

焊接設(shè)備如圖2所示，其中氣體保護(hù)焊采用某廠生產(chǎn)的型號(hào)為YD-500CL的晶閘管控制MAG焊機(jī)，埋弧焊采用某廠生產(chǎn)的型號(hào)為ZD5-1250B的晶閘管控制直流弧焊機(jī)。

圖2 焊接設(shè)備圖

試板規(guī)格為20 mm×200 mm×1 000 mm，材質(zhì)為A709-50-2，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1和表2所示。根據(jù)等強(qiáng)匹配的原則[3]，GMAW選用牌號(hào)為ER50-6、直徑為Ф1.2 mm的實(shí)心焊絲，SAW選用牌號(hào)為EH14、直徑為Ф4.0 mm的實(shí)心焊絲，SAW焊劑牌號(hào)為CHF101。

表1 A709-50-2化學(xué)成分 單位：(%)

表2 A709-50-2力學(xué)性能

2.3 試驗(yàn)方案與實(shí)施

為了實(shí)現(xiàn)背面不碳刨清根，Y型坡口焊接正面第1道(GMAW)和第2道焊縫(SAW)需采用較小的焊接規(guī)范，以免焊穿打底焊道，破壞了焊接接頭背面的坡口形狀。

參照I型坡口不清根焊接參數(shù)[2,4]，Y型坡口焊接正面第1道焊縫采用200 A小電流進(jìn)行實(shí)心焊絲氣保焊打底，正面第2道焊縫采用500 A小電流埋弧焊。

由于Y型坡口的鈍邊尺寸較大，為了保證正面和背面焊縫金屬在根部熔合良好，背面需要采用較大的SAW電流值。綜合考慮埋弧焊機(jī)的載荷范圍以及熱輸入對(duì)焊接接頭沖擊韌性的影響，背面SAW電流值確定為750 A。

具體的試驗(yàn)方案和焊接參數(shù)如表3和表4所示，試板裝配如圖3所示。其中T是板厚，f是鈍邊尺寸，R是根部間隙，a是坡口角度。表3中“試板編號(hào)Y6J1”表示Y型坡口的鈍邊尺寸f為6 mm，根部間隙R為1 mm。

表3 Y型坡口焊接試驗(yàn)組數(shù)

表4 焊接參數(shù)表

圖3 試板裝配圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焊縫厚度

為了確定Y型坡口正面焊道的焊接規(guī)范，對(duì)正面前兩道焊縫金屬的厚度進(jìn)行了分析。GMAW(正1)焊厚和GMAW(正1)+SAW(正2)焊厚示意圖如圖4所示。

圖4 GMAW(正1) 焊厚T1和GMAW(正1)+SAW(正2)焊厚T2示意圖

如圖5中所示，GMAW(正1)焊縫金屬厚度T1約為6 mm。GMAW(正1)+SAW(正2)的焊縫金屬厚度T2約為10 mm。

圖5 焊縫厚度

根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊春利教授主編的《電弧焊基礎(chǔ)》[5]中第七章公式(7.5)可知：

其中：P為熔深；K為焊劑確定的系數(shù)，通常取0.04；I為電流；U為電弧電壓；v為焊接速度。

根據(jù)公式(1)可知，當(dāng)電流值I為645 A時(shí)，熔深P=6 mm；當(dāng)電流值I為945 A時(shí)，熔深P=10 mm。

由以上分析可知：

(1) 由于GMAW打底焊縫厚度約為6 mm，根據(jù)埋弧焊參數(shù)與熔深的關(guān)系，正面第2道焊縫(SAW)采用500 A的電流值不會(huì)將打底GMAW焊道焊穿。

(2) 由于前兩道焊縫金屬厚度為10 mm，正面第3～n道焊縫(SAW)采用550 A～650 A的常規(guī)SAW電流值進(jìn)行焊接，不會(huì)導(dǎo)致正面埋弧焊焊穿。

3.2 焊縫熔深

為了研究焊縫金屬根部熔合效果，對(duì)不同鈍邊尺寸下Y型坡口焊縫熔深進(jìn)行了分析，正面熔深和背面熔深示意圖如圖6所示。

圖6 正面熔深H1及背面熔深H2示意圖

如圖7所示，當(dāng)鈍邊尺寸為6 mm和8 mm時(shí)，背面熔深(H2)明顯大于鈍邊尺寸，兩面熔深之和(H1+H2)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于板厚20 mm；當(dāng)鈍邊尺寸為10 mm時(shí)，背面熔深與鈍邊尺寸相當(dāng)，兩面熔深之和處于20 mm臨界。

圖7 焊縫熔深

焊縫金屬宏觀金相如圖8所示，當(dāng)鈍邊尺寸為6 mm和8 mm時(shí)，正面焊縫金屬和背面焊縫金屬在根部熔合良好。當(dāng)鈍邊尺寸為10 mm時(shí)，正面焊縫金屬與背面焊縫金屬熔合不良。

圖8 不同鈍邊尺寸下焊縫金屬宏觀金相

通過對(duì)焊縫金屬熔深和宏觀金相的分析可知：

(1) 當(dāng)鈍邊尺寸為6 mm和8 mm時(shí)，背面750 A電流能夠?qū)⑩g邊熔透，并且焊縫金屬在根部熔合良好；

(2) 當(dāng)鈍邊尺寸為10 mm時(shí)，背面750 A電流不能夠?qū)⑩g邊熔透，焊縫金屬根部熔合不良。

綜合上述對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，Y型坡口焊接可采用的最大鈍邊尺寸為8 mm，其所對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)如表4所示。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

與傳統(tǒng)的V型坡口清根焊接相比，厚板Y型坡口不清根焊接由于鈍邊尺寸較大，焊縫金屬填充量明顯減少，如圖9所示。

圖9 焊縫金屬填充量

為了簡(jiǎn)化焊接計(jì)算，忽略背面埋弧焊和碳刨清根的影響，如圖9(a)所示Y型坡口焊縫金屬填充量：

如圖9(b)所示V型坡口焊縫金屬填充量為

由式(2)和式(3)可知Y型坡口與V型坡口相比焊縫金屬填充量減少：

焊縫金屬填充量減少百分比為

式中：T代表板厚；a代表坡口角度；f代表鈍邊尺寸。

當(dāng)根部間隙R=0 mm時(shí)，公式(5)可簡(jiǎn)化為

Y型坡口可采用的最大鈍邊尺寸f=8 mm，以港口機(jī)械常用的20 mm和26 mm鋼板為例，代入式(6)中可求得焊縫金屬填充量減少百分比分別為64%和52%。

由此可知，與V型坡口焊接對(duì)比，Y型坡口焊接明顯減少了焊縫金屬填充量，有效提高了生產(chǎn)效率，降低了材料和人工成本。此外，由于Y型坡口焊接新技術(shù)不需要碳刨清根，減少了材料浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境污染，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保價(jià)值。

5 結(jié)論

(1) 本文提出了應(yīng)用于海工船舶拼板的厚板Y型坡口不清根高效焊接新技術(shù)。通過對(duì)焊接接頭的宏觀金相分析得出，Y型坡口焊接可采用的最大鈍邊尺寸為8 mm，正面第一道焊縫采用200 A小電流實(shí)心焊絲氣保焊打底，正面第二道焊縫采用500 A小電流埋弧焊接，正面其他焊道采用550 A～650 A常規(guī)埋弧焊電流焊接，正面焊接完成后翻身，背面不需要碳刨清根，直接采用750 A大電流埋弧焊接。

(2) 與傳統(tǒng)V型坡口焊接技術(shù)相比，Y型坡口不清根高效焊接技術(shù)有效節(jié)約了焊接材料，提高了生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。以厚度為26 mm的鋼板為例，與V型坡口焊接相比，Y型坡口焊接焊縫金屬填充量減少50%以上。

(3)Y型坡口焊接不需要碳刨清根，減少了材料浪費(fèi)和環(huán)境污染，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有良好的環(huán)保價(jià)值和社會(huì)效益。

[1] 張永達(dá)，孫成文，于小虎等. 船舶高效焊接工藝及存在的問題[J]. 造船技術(shù)，2009,10:32-35.

[2] 黃紅雨，杜渝，張華軍等. 港口機(jī)械箱梁I型坡口大間隙不清根焊接新技術(shù)[J]. 起重運(yùn)輸機(jī)械，2013,5:70-72.

[3] 美國(guó)焊接協(xié)會(huì)AWS D1結(jié)構(gòu)焊接委員會(huì). 美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

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[5] 楊春利，林三寶. 電弧焊基礎(chǔ)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

Thick Plate Y-groove High Efficient New Welding Technology without Back Gouging used in Marine Vessels

SHENG Kai1, LIU Chang-hong2, GUO Yun-fei3, BAO Kong3, LI Zhen1

(1.Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co.,Ltd., Shanghai 200125， China;2.Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200125， China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Marine Equipment Intelligent Welding, Shanghai 200125 ， China)

For the traditional V-groove plate gouging welding technology, this paper presents a Y-groove high efficient welding technology without back gouging. Through macro metallographic analysis of welded joints, the biggest blunt edge size and the applicable norms of Y groove welding are obtained. And the technology used in marine vessels butt welding of thick plate, compared to traditional V-groove welding technology, results in significant economic and environmental value.

Thick plate Welding without back gouging Y-groove

盛 凱(1986-)，男，助理工程師。

U671

A