自動埋弧焊在壓力容器上的焊接工藝應(yīng)用

王妙芬

（首鋼集團(tuán) 長鋼鍛壓機(jī)械制造有限公司，山西 長治 046011）

1 普通焊接過程中出現(xiàn)的問題

首鋼長鋼鍛壓機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的冶金機(jī)械中65 t轉(zhuǎn)爐爐身屬于厚壁壓力容器，其中鋼板的材料為低合金高強(qiáng)度鋼16 Mn R，對于此類鋼板的拼接有很高要求，曾用CO2氣體保護(hù)焊焊接，焊接時有過嚴(yán)重的焊接缺陷，導(dǎo)致在卷制的過程中出現(xiàn)焊縫撕裂。

由于埋弧焊在應(yīng)用過程中具有生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好、勞動條件好等諸多優(yōu)點，因此在許多行業(yè)的焊接生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著焊接冶金技術(shù)和焊接材料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，埋弧焊所能焊接的材料已從碳素結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展到低合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼以及一些有色金屬材料（如鎳基合金、銅合金的焊接等）。鑒于鋼板的材質(zhì)為16 Mn R，而且大多需平焊和角焊，鋼板的厚度在50 mm～60 mm左右，適合自動埋弧焊的焊接要求，故采用自動埋弧焊進(jìn)行焊接試驗。

2 埋弧焊的焊接原理及實施過程

2.1 埋弧焊的特點

埋弧焊是以電弧作為熱源加熱、熔化焊絲和母材的焊接方法。焊接中焊絲端部、電弧和工件被一層可熔化顆粒狀焊劑覆蓋，無可見電弧和飛濺。焊劑的使用是埋弧焊工藝區(qū)別于其他工藝方法的根本特點，焊劑對于焊接電弧穩(wěn)定性、焊縫質(zhì)量、焊縫的機(jī)械和化學(xué)特性、焊縫質(zhì)量、焊縫的機(jī)械和化學(xué)特性有著重要的影響。

2.2 埋弧焊的焊接過程

埋弧焊的實施過程由4部分組成：①顆粒狀焊劑由焊劑漏斗經(jīng)軟管均勻地堆到焊縫接口區(qū)；②焊絲由焊絲盤經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)和導(dǎo)電嘴送入焊接區(qū)；③焊接電源接在導(dǎo)電嘴和工件之間用來產(chǎn)生電??；④焊絲及送絲機(jī)構(gòu)、焊劑漏斗和焊接控制盤等通常裝在一臺小車上以實現(xiàn)焊接電弧的移動。

埋弧焊時，連續(xù)送進(jìn)的焊絲在一層可熔化的顆粒狀焊劑覆蓋下引燃電弧，電弧熱使焊絲、母材和焊劑熔化以致部分蒸發(fā)，在電弧區(qū)便由金屬和焊劑蒸汽構(gòu)成一個空腔，電弧在此空腔內(nèi)穩(wěn)定燃燒?？涨坏撞渴怯珊附z和母材熔化形成的金屬熔池，頂部則是熔融焊劑形成的熔渣。熔池受熔渣和焊劑蒸汽的保護(hù)，不與空氣接觸。隨著電弧向前移動，電弧力將液態(tài)金屬推向后方并逐漸冷卻凝固成焊縫，熔渣則凝固成渣殼覆蓋在焊縫表面。熔渣除了對熔池和焊縫金屬起到機(jī)械保護(hù)作用外，焊接過程中還與熔化金屬發(fā)生冶金反應(yīng)，從而影響焊縫金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能。焊后未熔化的焊劑另行清理回收。

在確定是否采用埋弧焊工藝時，應(yīng)考慮下列因素：①要求得到的焊縫金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能；②待焊母材厚度；③焊接可達(dá)性；④接頭長度；⑤接頭的焊接姿態(tài)；⑥焊接工作量；⑦埋弧焊設(shè)備的資金預(yù)算。

3 自動埋弧焊應(yīng)用于壓力容器上的焊接要求

3.1 對鋼板坡口的要求

在采用同一焊接材料焊接同一鋼種時，鋼板的坡口形式不同，則焊縫性能各異。鋼板普通坡口由半自動切割機(jī)割出55°～60°坡口（見圖1），有特殊坡口要求的坡口（見圖2）經(jīng)機(jī)加工后達(dá)到；若無法達(dá)到要求的，經(jīng)技術(shù)部門共同協(xié)商后做出解決方案，坡口精度、組對間隙等都應(yīng)嚴(yán)格按圖紙要求執(zhí)行。

3.2 焊接材料的選用

焊接16 Mn R厚板開坡口對接接頭時，應(yīng)用合金成分較高的H08 Mn A或H10 Mn2Si等焊絲與焊劑HJ431組合，焊縫強(qiáng)度大、塑性高，對于焊后經(jīng)受熱卷或熱處理的焊件能保證其焊縫在熱處理后仍具有所要求的強(qiáng)度、塑性和韌性。在焊接前對焊絲及焊劑進(jìn)行烘干。補(bǔ)焊時，可用CO2氣體保護(hù)焊補(bǔ)焊，焊條可選用J506、J507。

圖1 普通坡口示意圖

圖2 特殊坡口示意圖

3.3 對鋼板施焊前的要求

鋼板在施焊前必須預(yù)熱（我廠采用履帶加熱），預(yù)熱可控制焊接冷卻速度，減少或避免熱影響區(qū)中淬硬馬氏體的產(chǎn)生，降低熱影響區(qū)硬度，同時預(yù)熱還可以降低焊接應(yīng)力，并有助于氫從焊接接頭逸出。預(yù)熱是防止低合金高強(qiáng)度鋼焊接氫致裂紋產(chǎn)生的有效措施。預(yù)熱溫度150°，預(yù)熱面積與焊縫之間必須保證單邊在200 mm以上，焊接過程中也應(yīng)保證其一定的溫度。

3.4 組裝焊接要求

組裝焊接要求為：①鋼板鈍邊對齊、對平；②組裝點焊用CO2氣保焊，間距在200 mm左右，手工焊也可以；③用CO2氣保焊打底，打底厚度3 mm～4 mm，以埋弧焊燒不透為準(zhǔn)。

3.5 埋弧焊在焊接過程中的焊接參數(shù)

埋弧焊工藝條件包括焊接電流、焊劑種類及顆粒度、焊接電壓、焊接速度、焊絲材料和直徑、焊絲伸出長度、焊劑覆蓋的寬度及厚度等。焊接參數(shù)對生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量的影響為：

（1）焊接電流小，熔深淺，余高和寬度不足；電流過大，熔深大，余高過大，易產(chǎn)生高溫裂紋。

（2）電弧電壓和電弧長度成正比。在其他條件不變的情況下，若電弧電壓低，熔深大，焊縫隙寬度窄，易產(chǎn)生熱裂紋；電弧電壓高時，焊縫寬度增加，焊道下凹，脫渣困難，氣孔和咬邊傾向增加。

（3）通常焊接速度小，焊接熔池大，焊縫熔深和熔寬均較大。焊接速度過小，熔化金屬量多，焊縫成形差；焊接速度較大，熔化金屬量不足，容易產(chǎn)生咬邊。

（4）在焊接開始時最好使焊絲伸出長度大約為焊絲直徑的8倍，隨著焊接過程的進(jìn)行，應(yīng)逐步調(diào)整，對于直徑Φ4～Φ5 mm的焊絲，其伸長長度約為125 mm。

實際生產(chǎn)中，采用Φ4焊絲要求的焊接參數(shù)見表1，采用Φ5焊絲要求的焊接參數(shù)見表2。

3.6 焊后焊縫必須緩冷

焊接結(jié)束后或焊完一條焊縫后，應(yīng)采取保溫措施，使鋼板緩慢冷卻，目的是使焊接接頭中的氫擴(kuò)散逸出，這是防止焊接冷裂紋的有效措施之一。

表1 Φ4焊絲焊接參數(shù)

表2 Φ5焊絲焊接參數(shù)

3.7 焊縫要求

如圖1所示單側(cè)焊縫高度在2／3鋼板厚之間打底焊接，第一次不能滿焊，翻貨后背面清根，清根后對焊縫進(jìn)行磁粉（或著色）探傷，焊接時應(yīng)從兩面交替施焊，防止其向一邊彎曲，盡可能多翻幾次，以保證焊縫質(zhì)量。每焊完一層必須清除熔渣及飛濺金屬，當(dāng)沒有缺陷并達(dá)到技術(shù)要求后再繼續(xù)焊接；若有缺陷，采用碳弧氣刨清除后，可用手工補(bǔ)焊，返修次數(shù)不得超過3次。鋼板全部焊滿后進(jìn)行超聲波探傷，必須達(dá)到二級焊縫要求。

3.8 焊后處理

對于厚壁壓力容器及要求尺寸穩(wěn)定性的焊接結(jié)構(gòu)，焊后需要進(jìn)行消除應(yīng)力處理。消除應(yīng)力熱處理常采用松弛焊接殘余應(yīng)力的方法，將焊件加熱到550℃～600℃，保溫一段時間后，隨爐冷卻到300℃～400℃，最后焊件在爐外空冷。

3.9 其他要求

環(huán)焊縫、內(nèi)圓焊最好是上坡焊，起弧焊與中心3 mm～4 mm，外圓焊最好是下坡焊，起弧與上相同。

3.10 焊縫質(zhì)量檢驗

按JB／T8609-1997《鍛壓機(jī)械焊接件 技術(shù)條件》中的要求對焊縫質(zhì)量逐項測量檢驗。其中焊縫的表面缺陷按JB／T5000.15-1998Ⅳ級進(jìn)行著色探傷檢查，重要結(jié)構(gòu)的承載焊縫應(yīng)逐條檢查，檢查長度不小于焊縫總長度的20%。如果發(fā)現(xiàn)缺陷，應(yīng)在原缺陷附近擴(kuò)大檢查范圍，再次檢查，擴(kuò)大檢查長度等于原檢查長度。若擴(kuò)大檢查范圍后再次發(fā)現(xiàn)缺陷，應(yīng)對整條焊縫進(jìn)行檢查。確保焊縫表面平整、均勻、無裂紋、無明顯的弧坑和咬邊等現(xiàn)象。對于有特殊要求的結(jié)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷，須達(dá)到二級焊縫要求，乃屬合格品。

4 應(yīng)用效果

首鋼長鋼鍛壓機(jī)械制造有限公司主要將埋弧焊技術(shù)應(yīng)用于冶金機(jī)械中轉(zhuǎn)爐爐身的厚壁壓力容器焊接中。基于其特殊的材料與拼接要求，采用具有針對性的焊接工藝方法，使焊接效果達(dá)到了性能要求，克服了利用傳統(tǒng)焊接方法易產(chǎn)生的嚴(yán)重缺陷。目前整套工藝方案已在公司的冶金機(jī)械焊接中得到廣泛應(yīng)用，其使用效果良好。