周長(zhǎng)海

(美建建筑系統(tǒng)(中國(guó))有限公司，上海 201103)

0 前言

美建建筑系統(tǒng)(中國(guó))有限公司(前身為上海美建鋼結(jié)構(gòu)有限公司)是生產(chǎn)焊接H形鋼的專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu)公司，采用自動(dòng)化的進(jìn)口焊接流水線。該流水線采用雙頭雙絲臥式埋弧焊方式，主要優(yōu)點(diǎn)是焊接速度快、焊接熔深大、焊接熱影響區(qū)小，非常適合輕型結(jié)構(gòu)件的焊接，可以焊接厚度3 mm的鋼板、焊角3 mm的角焊縫，且焊后變形小。該流水線原先的埋弧焊工藝采用EM13K+LINCOLN781焊劑進(jìn)行組合，由于采用該工藝的焊材需要進(jìn)口，費(fèi)用昂貴，采購(gòu)和物流周期長(zhǎng)，易出現(xiàn)供貨跟不上生產(chǎn)節(jié)奏的情況。為了保證正常的生產(chǎn)，啟動(dòng)了國(guó)產(chǎn)化焊材的研究和開(kāi)發(fā)，努力開(kāi)拓出一條適合該焊接流水線高速焊接特性的新型工藝。

通過(guò)反復(fù)的對(duì)比試驗(yàn)，從理化分析、機(jī)械性能、金相分析、工藝性能多方面展開(kāi)，開(kāi)發(fā)出了適合公司流水線特性的新工藝，并通過(guò)焊接工藝的不斷演變，由原先的EM13K+LINCOLN781焊劑先過(guò)渡到EM13K+XUN988焊劑(與LINCOLN781很接近的國(guó)產(chǎn)焊劑)再過(guò)渡到ER50－6+XUN988焊劑，均取得成功后，最后發(fā)展并定型為ER50－6+SJ101焊接新工藝，獲得了成功。

1 氣保焊絲+埋弧焊劑進(jìn)行埋弧焊的理論可能以及困難

ER50－6+SJ101組合是否可行?事實(shí)上，焊接新工藝的開(kāi)發(fā)還存在技術(shù)的難度。

(1)ER50－6是氣保焊焊絲，焊接過(guò)程中沒(méi)有外加劑參加冶金熔池反應(yīng);EM13K是渣保護(hù)焊絲，焊劑要參加冶金熔池反應(yīng)，而獲得新的金屬，兩種焊絲的工作原理不相同。用ER50－6代替EM13K是一個(gè)未知的焊接領(lǐng)域，有一定的技術(shù)難度。

(2)SJ101和LINCOLN781/988焊劑的組成成分也存在差異，兩種焊劑的互換上缺乏足夠的理論依據(jù)。

(3)焊接接頭性能的研究需要大量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

建筑結(jié)構(gòu)用鋼材材質(zhì)常規(guī)為碳素鋼和低合金高強(qiáng)度鋼即Q235/Q345，埋弧焊用埋弧焊絲與埋弧焊焊劑、氣體保護(hù)焊用氣體保護(hù)焊焊絲與氣體，這都是相匹配的，考慮到進(jìn)口線高速焊的特性打破常規(guī)國(guó)產(chǎn)化替代將面臨著困難和挑戰(zhàn)。

弧焊電源與電弧構(gòu)成供電、用電系統(tǒng)是供求關(guān)系。為了保證焊接電弧能穩(wěn)定燃燒和焊接參數(shù)的穩(wěn)定，系統(tǒng)必須有一個(gè)穩(wěn)定的工作點(diǎn)。而穩(wěn)定工作點(diǎn)的條件為:(1)電源的外特性曲線Uy=f(Iy)與電弧靜特性曲線Uf=f(If)必須相交，這時(shí)供求平衡即Uy=Uf。(2)相交點(diǎn)的穩(wěn)定系數(shù)Kw=(Kf－Ky)＞0，即電弧靜特性曲線在相交點(diǎn)的斜率Kf必須大于電源外特性曲線在此點(diǎn)的斜率Ky。如圖1所示，A點(diǎn)不能滿(mǎn)足此條件，一旦出現(xiàn)瞬間干擾，電弧不是熄滅就是移到B點(diǎn)燃燒，故不是穩(wěn)定工作點(diǎn);而B(niǎo)點(diǎn)滿(mǎn)足Kw＞0條件，外界干擾從出現(xiàn)到消失，電弧均能隨之恢復(fù)到B點(diǎn)燃燒，故是穩(wěn)定工作點(diǎn)。

圖1 電源－電弧系統(tǒng)工作狀態(tài)

根據(jù)上述電源－電弧系統(tǒng)穩(wěn)定工作條件，如果電弧靜特性曲線工作部分的斜率Kf＜0，則弧焊電源的外特性曲線必須是下降的;如果電弧靜特性工作部分的斜率Kf＞0，則電源外特性可以是上升的，也可以是平的。對(duì)于細(xì)絲埋弧焊以及熔化極氣體保護(hù)焊的電弧特性是上升特性即電流密度大，隨著電流增加電弧電壓也隨之上升。因此，熔化極氣體保護(hù)焊弧焊電源的外特性形狀和細(xì)絲(直徑小于3 mm)埋弧焊弧焊電源的外特性形狀均為平特性，如圖2所示，而用外特性代替特性具有理論上的可能。

圖2 平特性曲線

焊劑與焊絲的不同組合，可獲得不同性能或不同化學(xué)成分的熔敷金屬。選配焊劑時(shí)，除考慮鋼種外，還要考慮產(chǎn)品的各項(xiàng)焊接技術(shù)要求和焊接工藝等因素。因?yàn)椴煌?lèi)型焊劑的工藝性能、抗裂性能和抗氣孔性能有較大差別。在焊接Q345高強(qiáng)度低合金鋼時(shí)就應(yīng)該選配堿度較高的焊劑。SJ101屬于堿度較高焊劑，可以配合焊絲使用。

另外在選用焊接材料時(shí)必須遵循以下原則:

(1)保證焊接接頭的使用性能，即保證焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)具有良好的力學(xué)性能和綜合性能。

(2)保證焊縫金屬具有一定的致密性，即沒(méi)有氣孔、夾渣，或氣孔、夾渣的數(shù)量、尺寸、形狀不超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)。

(3)能防止在焊接接頭內(nèi)產(chǎn)生冷裂紋和熱裂紋，即對(duì)冷裂、熱裂不敏感。

(4)焊縫金屬具有符合要求的熱強(qiáng)性、耐熱性、耐蝕性、耐磨性等，不產(chǎn)生脆性組織，盡可能降低或消除熔合區(qū)脆性。

(5)焊縫金屬組織具有穩(wěn)定性，其物理性能要與兩母材相適應(yīng)。

(6)工藝性良好，即具有良好的操作性能，并有一定的生產(chǎn)效率。

研究工作從分析焊材入手，EM13K與ER50－6焊絲的熔敷金屬力學(xué)性能和Q345B力學(xué)性能對(duì)比如表1、表2所示。由表可知，兩種焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能相近并都與母材匹配。綜上分析，采用ER50－6氣保焊絲代替EM13K埋弧焊絲與埋弧焊劑配合使用焊接有理論可能。

表1 EM13K與ER50－6焊絲的熔敷金屬力學(xué)性能

表2 Q345B力學(xué)性能

2 ER50－6+SJ101組合的埋弧焊與采用傳統(tǒng)材料的埋弧焊性能對(duì)比［1－4］

攻關(guān)做了大量的試驗(yàn)并進(jìn)行了相關(guān)焊接工藝評(píng)定，渡過(guò)了三個(gè)關(guān)鍵階段:第一階段——EM13K+LINCOLN781配偶;第二階段——EM13K+XUN－988配偶;第三階段——ER50－6+SJ101最終完成了研究工作，實(shí)現(xiàn)了跨越。

(1)力學(xué)試驗(yàn)。

相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論如表3～表5所示。

表3Q345B(δ=6 mm、16 mm)的焊材采用EM13K+LINCOLN781組合焊接力學(xué)性能

表4 Q345B(δ=6 mm、16 mm)的焊材采用EM13K+XUN－988組合焊接力學(xué)性能

表5 Q345B(δ=14 mm)ER50－6+SJ101組合的焊接接頭力學(xué)性能

(2)金相檢驗(yàn)結(jié)果(狀態(tài):焊態(tài);腐蝕溶液:10%硝酸水溶液，4%硝酸酒精溶液)。

采用冷酸浸蝕法對(duì)試樣焊縫區(qū)域進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)。結(jié)果表明試樣焊縫金屬和熱影響區(qū)無(wú)微小裂紋、未熔合、氣孔、夾雜等缺陷，如圖3所示。采用冷酸浸蝕法對(duì)微觀試樣進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)，結(jié)果為:母材顯微組織為鐵素體+帶狀珠光體，如圖4、圖5所示;熱影響區(qū)顯微組織為針狀鐵素體+塊狀鐵素體+少量貝氏體等混合組織，如圖6、圖7所示;焊縫顯微組織為樹(shù)枝狀鐵素體+針狀、塊狀鐵素體+珠光體，如圖8、圖9所示。

圖3 宏觀腐蝕

圖4 母材組織(100×)

圖5 母材組織(500×)

圖6 0熱影響區(qū)組織(100×)

圖7 熱影響區(qū)組織(500×)

圖8 焊縫組織(100×)

(3)(ER50－6+SJ101)T型角焊縫宏觀酸蝕如圖10所示。

由圖10可知，圖10a未見(jiàn)未熔合、未焊透、裂紋、夾雜、氣孔缺陷;圖10b未見(jiàn)未熔合、未焊透、裂紋、夾雜、氣孔缺陷。ER50－6+SJ101的焊接工藝評(píng)定合格。

綜上可知:無(wú)論是理論上還是實(shí)踐上，ER50－

圖9 焊縫組織(500×)

6+SJ101的新工藝均可行，而且從EM13K+LINCOLN781到EM13K+XUN－988再到ER50－6+SJ101的轉(zhuǎn)變后取材變得廣泛，經(jīng)濟(jì)效益明顯，其應(yīng)用價(jià)值更好。

3 結(jié)論

根據(jù)查新檢索，目前還沒(méi)有針對(duì)臥式雙絲高速埋弧焊焊接研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用及相關(guān)文獻(xiàn)闡述類(lèi)似研究，本研究工作填補(bǔ)了一項(xiàng)空白。通過(guò)此種焊接工藝的研制發(fā)現(xiàn):ER50－6是氣保護(hù)焊絲，EM13K是渣保護(hù)焊絲，兩種焊絲的工作原理雖不相同，但在實(shí)際使用過(guò)程中，焊接后熔敷金屬和焊縫的強(qiáng)韌度仍然能夠滿(mǎn)足技術(shù)要求。ER50－6+SJ101的應(yīng)用技術(shù)是埋弧焊接配偶的一個(gè)創(chuàng)舉，在焊接理論上有一定突破;解決了工程實(shí)踐中的難題，是技術(shù)領(lǐng)域上的成就，同時(shí)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖10 宏觀酸蝕

:

［1］ GB8110－87.二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊用鋼焊絲［S］.

［2］ GB/T8293－1999.埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑［S］.

［3］ GB/T12470－2003.埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑［S］.

［4］ 曾 樂(lè).現(xiàn)代焊接手冊(cè)［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1995.