碎焊絲+ 擺動埋弧焊接技術(shù)研究及PCTC 船的應(yīng)用

陳慶城

（廣船國際有限公司 廣東 廣州）

前言

隨著我國自主品牌的民族汽車產(chǎn)業(yè)獲得長足發(fā)展，一系列國產(chǎn)汽車在鞏固國內(nèi)市場份額后走出國門，出口銷售額節(jié)節(jié)攀升，汽車貿(mào)易大批量整車運輸?shù)母咝麓啊嚌L裝船（Pure Car Truck Carrier.簡稱PCTC）船隊規(guī)模、增加單船載車量迫在眉睫。其PCTC 船為了減輕自重，甲板大量采用低合金高強鋼中薄板，低合金高強鋼中薄板高效焊接的問題也將是每一個船廠焊接部門必須面臨的課題。

碎焊絲+擺動埋弧焊是在坡口中填加碎焊絲，碎焊絲是一種微型的顆粒焊絲，經(jīng)過特殊的表面處理和加工，使之具有獨特的焊接性，焊接時使碎焊絲和埋弧焊絲同時熔化的高效埋弧自動焊，能夠顯著提高焊接生產(chǎn)效率，減少焊接變形，且不降低焊縫性能和質(zhì)量。20 世紀(jì)80 年代初，國外已開始在海洋工程中嘗試使用鐵粉填充進行中厚板埋弧自動焊，但其技術(shù)并不完善；20 世紀(jì)80 年代后期，日本開始利用碎絲填充，在大型儲罐的埋弧焊焊接施工中推廣應(yīng)用，取得了良好效果，目前我國已經(jīng)引進了該技術(shù)，在石油儲罐焊接工程中及鋼橋制造中得到了應(yīng)用[1-3]，但在造船行業(yè)，船舶搭載通常采用CO2氣保焊打底，埋弧焊填充蓋面工藝[4]，PCTC 船設(shè)有12 層車輛艙甲板，其焊接效率的提高能有效縮短船體建造周期，降低建造成本。因此，進行PCTC 船碎焊絲+擺動埋弧焊焊接技術(shù)研究試驗，對于提高我國船舶焊接效率具有十分重要的意義。

1 碎焊絲+擺動埋弧焊的機理及可行性

焊接時焊絲與碎焊絲表面建立起電弧，在電弧和焊接電流作用下表面焊絲熔化，同時因碎焊絲在電流作用下的特殊物理性質(zhì)，顆粒之間存在微小間隙和點接觸，當(dāng)焊接電流通過時會在顆粒焊絲之間產(chǎn)生微小電弧和大量電阻熱，相互間產(chǎn)生放電效應(yīng)，并在電阻熱的作用下使碎焊絲完全熔化。此外，通過擺動電弧力和熔池渦流作用，使熔池中心熱量傳到打底層及工件坡口邊緣，通過加熱熔化和冷卻凝固過程，隨焊絲頭的移動而形成焊縫。由于擺動電弧與母材是間接作用，因而顯著減小了焊縫金屬的熔合比和焊縫熱影響區(qū)寬度。填加碎焊絲埋弧焊焊接時，由于碎焊絲吸收了部分電弧熱，而且坡口面整體同時受熱，熱量及溫差沿焊件厚度方向變化較小，從而可顯著減小焊接應(yīng)力和角變形。

基于PCTC 船有12 層甲板，6～12 mm 中薄板焊接變形的控制是PCTC 船甲板焊接領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，導(dǎo)致中薄板焊接變形的因素很多[5]，主要與焊接材料、焊接工藝和焊接方法等因素有關(guān)。由于焊接變形的多樣性和多因素的相互作用，使控制焊接變形技術(shù)趨于復(fù)雜和相互制約。所以在PCTC 船甲板搭載焊接中，進行碎焊絲+擺動埋弧焊焊接技術(shù)研究是十分有必要的。

2 碎焊絲+擺動埋弧焊性能試驗

2.1 焊接設(shè)備選擇

擺動埋弧焊設(shè)備選擇國內(nèi)某廠家研制的ZD5-1250B+擺動埋弧焊小車。焊接電源為陡降外特性，采用等速送絲方式，額定輸出電流為1 250 A。

2.2 試驗材料選用

根據(jù)PCTC 船甲板大量采用EH36 低合金高強鋼中薄板的材質(zhì)，其焊接材料采用船級社認可的相應(yīng)焊接材料：襯墊采用陶瓷襯墊TG-C1.80Z，埋弧焊絲選擇H-14，直徑Ф4.0 mm，焊劑選用配套使用的S-707T 焊劑，符合AWS A5.17-F7A4-EH14 標(biāo)準(zhǔn)，碎焊絲CW 直徑Ф1.0*1.0 mm 并取得BV、LR、DNV.GL、ABS 等船級社認證。H-14 的化學(xué)成分和機械性能如表1、表2 所示，S-707T 的焊劑成分如表3 所示，CW如表4 所示。

表1 H-14 化學(xué)成分（%）

表2 H-14+S-707T 機械性能

表3 S-707T 焊劑成分（%）

表4 CW 碎絲成分（%）

3 焊接工藝試驗

3.1 坡口形式設(shè)計

PCTC 船甲板搭載焊縫由于受建造精度的影響，部分甲板分段余量需工人進行二次修割，這將導(dǎo)致部分坡口的間隙會離空較大。為此，本工藝技術(shù)試驗為實現(xiàn)單面焊雙面成型的焊接目的，坡口形式設(shè)計成單邊V 型坡口，如圖1 所示，焊接時填充的碎焊絲熔化要吸收大量熱量，吸收熱量的多少與坡口截面積和熱輸入有關(guān)，熱輸入不足將會產(chǎn)生坡口底部的未熔合。因此采取減小坡口角度、增加焊接電流和降低焊接速度的措施，有效地解決了未熔透問題。通過以上分析，板厚δ=14 mm，將坡口面角度由35°減小為22°，間隙10～11 mm，鈍邊0～1 mm。

圖1 坡口形式

3.2 襯墊張貼

焊縫坡口中心線應(yīng)與襯墊中心線對齊，襯墊與襯墊之間不能存在間隙，使用刮板在襯墊背面的一側(cè)用力刮向襯墊另一側(cè)，使襯墊與鋼板粘合更加緊密；再用刮板用力將襯墊兩側(cè)的鋁箔膠紙表面刮平，使膠紙與母材黏貼牢固。

3.3 碎焊絲鋪設(shè)及焊絲干伸長

襯墊及焊絲對中完成后進行填充碎焊絲的鋪設(shè)，碎焊絲均勻灑在坡口內(nèi)，并測量其高度與待焊板面低于3 mm～4 mm，填充碎焊絲的鋪設(shè)在坡口后，調(diào)整焊絲干伸長度20 mm～25 mm，并進行焊絲對中，使得焊絲與焊機紅外線對準(zhǔn)坡口中心，如圖2 所示。

3.4 試驗參數(shù)設(shè)計

對采用圖1 中坡口形式的試板規(guī)格為1 200 mm*200 mm*14 mm 進行分打底和蓋面擺動埋弧焊接，第一層打底焊焊絲擺動寬度小于坡口間隙1～2 mm、擺動速度250～270 mm/min，蓋面焊焊絲擺動寬度小于打底焊焊縫面寬度3～4 mm。擺動速度280～300 mm/min，經(jīng)多次試驗，得到的焊接參數(shù)范圍如表5 所示。對試驗板焊縫進行100%UT、100%MT 和100%RT 探傷結(jié)果均為合格，后續(xù)對此工藝進行工藝評定。

表5 焊接參數(shù)范圍

4 焊接工藝評定

4.1 評定方案

工藝評定采用上述焊接材料、焊接參數(shù)及坡口形式，試板材質(zhì)為EH36 高強鋼，每件試板規(guī)格為1 200 mm*200 mm*14 mm，層道間溫度控制為250 ℃以下。試板焊接完成放置24 h 后，對焊接接頭進行外觀及100%UT、100%MT 及100%RT 無損探傷、焊縫及熱影響區(qū)的沖擊性能、焊縫橫向拉伸、硬度測試和宏觀檢測等，工藝評定按LR 和DNV.GL 船級社相關(guān)規(guī)范要求進行。

4.2 焊接檢驗

（1） 沖擊試驗。根據(jù)船級社相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，經(jīng)100%無損檢測后，對擺動埋弧焊蓋面層焊縫中心、熔合線、熔合線+2；碎焊絲打底層焊縫中心、熔合線、熔合線+2、熔合線+5 進行-20 ℃沖擊韌性試驗，檢測數(shù)據(jù)如表6 所示，焊接接頭上表面與下表面焊縫區(qū)韌性最差，該位置的沖擊值分別為57 J 與100 J，熔合線處的沖擊值分別為194 J 與161 J,上表面線外2 mm及下表面線外2 mm、5 mm 處的沖擊值均接近于母材，高強度鋼焊縫金屬的韌性，在焊縫金屬與母材強度相當(dāng)?shù)那闆r下，焊縫金屬的韌性一般比母材低，滿足船級社規(guī)范最低值34 J 的沖擊要求標(biāo)準(zhǔn)。

表6 焊縫不同位置沖擊韌性值

（2） 焊縫拉伸和彎曲。參照GB/T2651-2008，在接頭取拉伸試樣，對焊縫進行橫向拉伸試驗，試驗結(jié)果顯示，接頭抗拉強度平均值為540.5 MPa，高于EH36 鋼最小抗拉強度490 MPa，斷裂位置均在母材一側(cè)，數(shù)據(jù)如表7 所示。彎曲試驗所用彎頭直徑40 mm，彎曲角度180°，結(jié)果表明彎曲試驗結(jié)果合格。

表7 焊縫橫向拉伸試驗

（3） 硬度試驗。不同的組織應(yīng)具有不同的硬度，對焊接接頭試樣各區(qū)域測顯微硬度，硬度試驗測試部位如圖3 所示，以焊縫中心為起始點，依次向熱影響區(qū)及母材區(qū)每間隔2 mm 測試其硬度。所測數(shù)值如表8 所示，可知最大值為HV192，滿足船級社規(guī)范最大值不超過HV350 的要求。

圖3 接頭不同位置硬度測試點

表8 HV10 硬度試驗結(jié)果

（4） 宏觀金相試驗。對焊縫接頭斷面進行宏觀檢測，經(jīng)檢驗焊接接頭成形良好，無氣孔、裂紋、夾渣等肉眼明顯可見焊接缺陷，如圖4 所示。

圖4 宏觀焊接缺陷檢查

（5） 微觀組織分析。分別在焊縫中心的打底層和蓋面層取樣進行微觀組織檢測。從圖5、圖6 中可看出：打底層焊縫顯微組織以多邊形鐵素體PF+針狀鐵素體AF，主要為片狀與塊狀先共析鐵素體，并可見黑色珠光體。在蓋面層該區(qū)域由大量的珠光體、鐵素體組成，由于該區(qū)域溫度在AC3-AC1,，部分鐵素體組織轉(zhuǎn)變成奧氏體，所以在冷卻過程中會形成細小的珠光體以及鐵素體，提高焊縫的力學(xué)性能。

圖5 打底層微觀組織形貌

圖6 蓋面層微觀組織形貌

4.3 工藝評定結(jié)論

利用碎焊絲+擺動埋弧焊工藝技術(shù)對試件進行焊接，在采用合理的焊接工藝條件下，各性能檢測結(jié)果符合LR 和DNV.GL 船級社標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 現(xiàn)場實船應(yīng)用

碎焊絲+擺動埋弧焊技術(shù)經(jīng)過工藝評定試驗并取得LR 和DNV.GL 船級社認可后，將該工藝在G3128#PCTC 船車庫5 甲板試用，由于碎焊絲+擺動埋弧焊在車庫甲板焊接坡口中預(yù)填碎焊絲和焊劑，不便在焊完后回收多余碎焊絲，因此在焊接過程中需要一次熔化所預(yù)填碎絲，預(yù)填碎焊絲的熔化是由擺動埋弧焊焊接電弧熱提供，焊接電弧熱確保碎焊絲及母材部分的充分熔化，避免了未熔合缺陷，形成致密焊縫組織。因此坡口的截面尺寸、預(yù)填的碎焊絲量以及焊接熱輸入量之間要有合適的比例關(guān)系，通過埋弧焊擺動器的擺動，能保證PCTC 船甲板搭載焊縫由于受建造精度的影響，部分甲板分段余量需工人進行二次修割坡口不均勻的情況下打底焊的成形，并且擺動既保證了焊后有合適的熔寬和余高，又保證了焊接接頭有完好的內(nèi)部質(zhì)量，同時充分發(fā)揮其有益利用“富余焊接熱量”的優(yōu)勢。經(jīng)過對比之前焊接方法發(fā)現(xiàn)，在同板厚下，F(xiàn)CAW 焊打底+普通埋弧焊填充蓋面，約需要2 道CO2焊打底、5 道埋弧焊填充蓋面，約7 道完成焊接，約30.2 min 完成焊接；采用碎焊絲+擺動埋弧焊進行焊接，約2 道完成焊接，約17 min 完成焊接。綜合對比，采用擺動埋弧焊+碎焊絲提高效率約55%?，F(xiàn)場焊接環(huán)境良好，對焊工無弧光、煙塵傷害。質(zhì)量方面，焊接過程穩(wěn)定，可減少因斷弧而產(chǎn)生的弧坑裂紋，層道間平滑過渡，避免產(chǎn)生焊縫夾雜和未熔合等焊接缺陷，經(jīng)UT+RT 無損探傷發(fā)現(xiàn)，焊縫無點狀或線狀缺陷，100%合格。

結(jié)束語

為提高船舶建造的焊接效率，縮短船舶建造周期，為此進行碎焊絲+擺動埋弧焊工藝的焊接試驗，并根據(jù)船級社規(guī)范要求，完成工藝評定認可。在現(xiàn)場實船應(yīng)用中，得出以下結(jié)論：

（1） 對PCTC 船車庫甲板焊縫采用碎焊絲+擺動埋弧焊焊接方法，能夠取得良好的工藝性能，同時滿足船級社的相關(guān)規(guī)范要求。

（2） 用該工藝焊接PCTC 船車庫甲板對接縫，碎焊絲+擺動埋弧焊焊接時，由于碎焊絲吸收了部分電弧熱，而且坡口面整體同時受熱，熱量及溫差沿焊件厚度方向變化較小，從而可顯著減小焊接應(yīng)力和角變形。同時碎焊絲+擺動埋弧焊能保證受船舶建造精度的影響坡口不均勻的情況下大間隙打底焊的成形，且質(zhì)量穩(wěn)定，焊縫成型美觀，受到船檢船東好評，為建造后續(xù)船積累寶貴經(jīng)驗。