三丝埋弧焊技术.ppt
各位领导、各位专家、各位同仁 下 午 好！,三丝埋弧焊技术在厚板焊接中的应用,上海冠达尔钢结构有限公司 高国兵 费新华 虞明达 贺明玄,摘要 随着高层和超高层钢结构建筑如雨后春笋般地涌现，大量高强度厚板结构钢被广泛应用，三丝埋弧焊作为一种高效焊接方法引起业界的普遍关注。本文结合中央电视台新台址钢结构工程中低合金高强钢厚板三丝埋弧自动焊应用实践，介绍三丝埋弧自动焊焊接工艺技术要求和特点，分析大线能热输入的三丝埋弧焊方法对接头性能和焊接凝固裂纹的影响，论述了三丝埋弧焊应用于厚板焊接中的工艺技术要求和焊接材料要求。,关键词 三丝埋弧焊 厚板工艺技术 大线能量 凝固裂纹 焊接材料,0 前言,目前，国内大型钢结构专业生产厂家，厚板低合金钢（Q345钢及以上级别钢种）构件厚板焊接，主要以单、双丝埋弧焊焊接方法为主，而纵列三丝埋弧焊这一高效焊接方法因其工艺技术掌握程度要求高，尤其是焊丝间距与焊丝角度的控制；焊接电源的不同组合；焊丝和焊剂的匹配；焊接线能量对接头韧性的控制等因素的综合影响限制了高效三丝埋弧焊的广泛应用。本文通过从焊接工艺技术和焊接材料二个方面着手进行对三丝埋弧焊应用研究和应用开发，使三丝焊埋弧焊焊接技术成功应用于工程实践，生产效率得以成倍提高，产品质量亦得以保证（图1）。,图 三丝埋弧焊应用于厚板箱形构件焊接,.纵列三丝埋弧焊焊接工艺技术,三丝埋弧焊采用独立电源供电，电源类型组合采用直流反接+交流+交流，避免直流+直流组合电弧磁偏吹现象，减少气孔、夹渣、焊偏等缺陷出现几率；同时，也克服了交流组合时对焊材碱度的限制，有利于电弧稳定焊接，提高接头的抗裂性能，同时达到深熔的目的。若三根丝选用直流电源组合，它们极性相反，电弧相互排斥，易产生电弧磁偏吹；选用交流电源组合，虽然可以减小电磁力的作用，但交流电弧稳定性差，对焊剂的碱度反应较为敏感，要使焊缝有良好的成型，就得考虑降低焊剂的碱度，若焊剂碱度过低，焊缝整体性能下降，焊缝抗裂性能差，韧性下降，塑性下降，不适用于高强钢的焊接。,.1 三丝埋弧焊电源的选择（图2）,图2 三丝埋弧焊电源的选择,.2 熔池特性及焊丝排列,焊丝纵列排列，熔池的特性采用单熔池。一方面，电弧扩展面积大，有效消除坡口边缘的未熔合，不易形成梨形焊道，减少焊缝根部热裂纹的产生概率，且在焊缝的外观成形上，可有效减少咬边和焊缝表面的鱼鳞；另一方面，借助于多电弧共同作用于同一个熔池时较强的搅拌作用，降低了气孔产生的可能性，同时冶金反应更加充分。,.3 单熔池焊丝间距和角度的设置（图3）,焊丝间距和角度根据坡口形式、焊接规范及焊接速度具体确定，一般单熔池焊丝总间距控制在2035 mm；焊丝角度设置时，前置焊丝通常垂直于钢板表面或稍作后拖，以获得最佳的熔深，中间焊丝可垂直于钢板或向前倾斜，后置焊丝一般向前倾斜，以获得平滑的焊道表面。,图3 单熔池焊丝间距和角度的设置,三丝单熔池埋弧焊的焊接热输入是一个必须要考虑的问题，相对于单丝、双丝埋弧焊而言，热输入高出很多，但不能认为其线能量为单丝焊的简单叠加，应考虑焊后的冷却速度降低了。焊接线能量的影响，不仅通过改变熔池的过热程度和冷却速度而使柱晶尺寸及转变特性发生变化，还可通过改变熔合比来影响焊缝的化学成分，从而使焊缝组织性能发生变化。由于双丝、多丝单熔池SAW的焊接热输入较大，焊接冷却速度降低，柱晶宽度呈现增大。这必增大过冷，而促使形成FSP（侧板条铁素体）和减少AF（针状铁素体），使焊缝韧性降低。对合金化程度不高的Mn-Si系焊缝，尽可能限制焊接线能量是十分必要的。,焊接线能量对接头组织性能影响及韧性影响分析,焊接热影响区的韧性决定于组织和组织的形态，既受焊接热输入的影响，同时还取决于母材的化学成分及原始状态。焊接线能量的变化会引起焊接热循环的变化，线能量增大时，不仅熔合线奥氏体晶粒直径增大，而且奥氏体晶粒涨大范围也增大，此外焊接线能量的变化还会引起冷却速度的变化，从而使冷却组织发生变化。不同的钢种，由于化学成分不同，线能量对韧性的影响不同，对于Q345、Q390类等控轧、正火钢材，合金元素含量少、碳含量相对较低，一般情况下，难以得到马氏体和下贝氏体组织，线能量较大，冷却速度稍慢时，晶粒易涨大，得到以F为主加P的组织，线能量较小，冷却速度较快时，易得到上贝氏体组织，但晶粒较细。总体来说，这类钢种韧性变化不大，线能量选用范围较宽。但对于Q420、Q460类正火钢材，其合金元素含量较大、碳含量相对较多，如果线能量十分大时，将容易得到含M-A组元的上贝氏体组织，奥氏体晶粒进一步粗大化，严重降低热影响区韧性。,兼顾焊接可操作性以及考虑多层多道焊对接头性能（特别是韧性）的影响，焊接过程中，我们采用单、双、三丝组合焊接方法，同时根据不同的钢种，选取不同的焊接参数以达到焊接高效并满足接头韧性控制的目的。,采用合适的焊接材料以提高接头性能和防止结晶裂纹的产生,对于一般的低合金钢钢种（Q345，Q390）焊接，常用焊接材料为焊丝H10Mn2配碱性烧结焊剂SJ101，接头的性能完全可以满足母材的匹配要求但对于40mm以上较厚钢板采用大线能量焊接时，由于合金元素的烧损，焊缝金属存在强度和韧性下降甚至达不到钢材最低性能指标现象；同时由于三丝埋弧焊焊接熔池大、填充金属中、含量相对较高、焊缝金属冷却速度较慢，容易在焊道中心产生凝固热裂缝（结晶裂纹）现象。为此，必须采用适合大线能量的焊接材料，既能满足三丝大线能量焊接焊缝金属的力学性能指标，同时又避免三丝大线能量焊接时焊缝产生结晶裂纹,）提高焊缝金属的强度措施。通过对现有的H10Mn2焊丝的化学成分进行综合分析，提出改良和优化方案分析认为：提高焊丝的含量，虽能提高焊缝金属强度，但焊缝金属的韧性和抗冷裂纹和热裂纹性能降低，为不改变焊丝焊接性，故对H10Mn2焊丝中的含量不作变动；增加焊丝中的含量，由原H10Mn2焊丝中含量水平1.501.90 提高到1.92.20 水平，通过的固溶强化能力的提高以达到焊缝金属强度的提高，同时辅以微量的Mo元素进行弥散强化和细化晶粒，以达到进一步提高焊缝金属强度的目的,）提高焊缝金属韧性措施。焊丝中加入微量的Mo元素进行弥散强化和细 化晶粒，虽有利于焊缝金属的韧性改善，但为确保焊缝金属韧性达到明显改善目标，在原H10Mn2焊丝中再添加适量，约.2.4，以达到进一步提高焊缝金属延性。,3）降低焊缝出现结晶裂缝的措施。钢材焊接时，焊缝中的S、P等杂质在焊缝结晶过程中容易在焊道或焊缝中心形成了低熔点的共晶，随着结晶过程的进行，它们逐渐被排挤在晶界，形成“液态薄膜”，焊缝凝固过程中，“液态薄膜”由于不能承受收缩拉应力作用而开裂。大线能量三丝埋弧焊，由于线能量大、焊缝熔池大、冷却速度慢，如果焊丝中S、P等低熔点杂质含量控制不当，便较容易在焊接过程中焊缝或焊道中心产生结晶裂纹。普通H10Mn2焊丝中S含量为不大于0.35%，P含量为不大于0.35%，比照厚钢板Z25向性能指标对S、P杂质的控制要求，为防止三丝埋弧焊缝出现结晶裂缝，对 H10Mn2焊丝中S、P元素含量进行优化，规定S、P均不大于0.10%，以减少焊缝中低熔点杂质的产生，从而避免结晶裂纹的产生。,通过与钢厂和焊丝厂联合进行试验调试和测试，开发出适用于大线能量三丝埋弧焊焊接用新型Mn-Si-Ni系焊丝，确保了三丝埋弧焊缝金属性能满足要求，同时避免了焊接过程结晶裂纹的出现。普通H10Mn2焊丝与开发的大线能量焊丝主要化学成分如下表1,表1：H10Mn2焊丝与开发的大线能量焊丝主要化学成分,4 焊接工艺参数与工艺措施的合理选择,第一、综合考虑焊接电压应和焊接电流及焊接速度匹配，注意辅丝的焊接规范对焊缝成形及熔深的影响。对厚板偏下部层焊道的焊接，采用三丝单道焊时，采用较小的电流（650-700A），略低的电压，稍慢的焊接速度（50-60cm/min）焊接，以防止焊道过薄过凹而开裂；底部层以外的焊道实施多层多道焊接，焊接电流（650-800A），电压略高，较快的焊接速度（55-75cm/min）焊接，表面焊道采用较小的电流或单、双丝焊焊接，从而保证焊缝整体性能及良好的外观成型。其次、考虑焊缝金属熔合比对焊缝性能影响，靠近母材侧（特别是有直角边坡口）的焊道尽可能采用小电流焊接，或选用略粗的焊丝降低电流密度从而减小熔合比。第三、焊接直角边焊道时，前置焊丝中心与直角边距离至少不小于一倍焊丝直径，同时焊丝与直角边保持近10的夹角，避免夹渣、咬边。,5 三丝埋弧焊工艺评定试验结果,结合焊接操作性能，考虑接头力学性能及生产高效性，选用单、双、三丝组合的埋弧焊焊接方法进行工艺试验。（1）试验母材 材质，Q345GJC，规格：PL75*250*800；（2）接头坡口形式（图4）,图4,（3）焊接材料 焊丝H10Mn2-BG，规格4.8，焊剂SJ101（4）电源类型 主丝DCEP+中间辅丝AC+后辅丝AC（5）焊丝排列间距及角度 纵列，焊丝中心间距依次为12mm、12mm；与试板平面夹角依次为90、90、80。,（6）单、双、三丝焊缝道次分布及焊接高度（图5）17道为单丝焊，焊接电流650A，电压32V，焊接速度45cm/min，总焊接高度15mm。811道为双丝焊，主丝焊接电流700A，电压32V，第二根辅丝焊接电流750A，电压38V，速度56cm/min，总焊接高度12mm。1221道为三丝焊，主丝焊接电流750A，电压32V，第二根辅丝焊接电流750A，电压40V，第三根辅丝焊接电流700A，电压38V，速度66cm/min，总焊接高度38mm。2227道为双丝焊，主丝焊接电流700A，电压32V，第二根辅丝焊接电流750A，电压40V，速度58cm/min，总焊接高度10mm。,图5 单、双、三丝焊缝道次分布及焊接高度,（7）力学试验数据a.拉伸试验：（表1）,b.侧弯试验：（表2）,c.冲击试验：（表3）,6 结论,1）三丝埋弧焊应用过程中，合理的电源种类组合、合理的的焊丝排列工艺对焊缝成型和焊接过程中质量的稳定具有重要作用;2）三丝埋弧焊由于焊接线能量相对较大，应充分考虑线能量对母材的影响，应用于对了输入敏感性不大或韧性较好的母材焊接上，同时应合理安排三丝埋弧焊的焊道分布；3）通过采用合适的焊接材料，能有效提高三丝埋弧焊接头的强度和韧性，有效避免焊接过程中结晶裂纹的产生，确保三丝埋弧焊焊缝质量稳定并满足规范要求；4）大量接头的三丝埋弧焊厚板焊接实践证明，只要选择合适的电源组合、合理的焊接工艺与参数，采用相配套的焊接材料，三丝埋弧焊的焊缝质量稳定，焊接接头的强度和韧性是能够满足母材的匹配要求，以达到厚板高效、高质量的焊接要求。,谢谢大家!,
