陶瓷衬垫CO2焊与埋弧焊工艺在长直缝焊接中应用

摘 要：长直焊缝在高层建筑钢结构对接焊中大量存在,采用陶瓷衬垫CO2焊打底+埋弧焊填充、盖面的焊接工艺,省去碳弧气刨背面清根,焊接效率高,焊缝成形美观.通过对焊接接头的力学性能检验、微观组织观察和分析,证明了该焊接工艺的可行性.

关 键 词：陶瓷衬垫；CO2焊；埋弧焊；单面焊

陶瓷衬垫是目前广泛应用的单面焊衬垫材料,尤其在CO2半自动焊中应用最为广泛.埋弧焊是一种高效、高自动化的焊接技术.在高层建筑钢结构的制作过程中,大量的中厚板对接或管体制作都可采用埋弧焊焊接.单纯的陶瓷衬垫埋弧焊因电弧燃烧及焊缝成形是在焊剂之下进行,无法进行实时观察,焊丝无法摆动,在长直焊缝打底焊时容易因装配间隙等问题而出现电弧跑偏、击穿、未融合等缺陷.为此,我们尝试将陶瓷衬垫CO2焊打底+埋弧焊填充、盖面的焊接工艺应用于高层建筑钢结构长直焊缝的焊接.陶瓷衬垫CO2焊打底焊无需背面碳弧气刨清根,解决工件背面清根费时、费力,碳弧气刨增碳,焊缝韧性差等难题,CO2焊还可以实时观察焊缝熔合情况,避免焊接缺陷产生；同时利用埋弧焊高效、高自动化的优势,降低成本,减轻工人劳动强度.本文对应用该焊接工艺焊接的对接接头的试验过程和试验结果进行了介绍和分析.

1试验方法和材料

1.1试验方法

装配形式见图1,试板尺寸为300mm×200mm×20mm,坡口为机械加工而成.焊接前使用角向磨光机将坡口内侧及边缘20mm范围内打磨至出属光泽,做到无油、无锈、无水分.然后将试板两侧点焊固定,保证装配间隙3～4mm,反变形5～6°,焊好拘束板.作为熄弧板和引弧板的拘束板尺寸为200mm×50mm×6mm.焊好拘束板后贴好陶瓷衬垫.先进行CO2焊打底,再由埋弧焊焊至结束.试验环境温度27℃,试板焊前不预热,层间温度≤150℃.

焊后将试板静置24进行外观检查及超声波探伤.然后进行拉伸、侧弯、冲击、硬度等试验,并使用大型金相显微镜对接头组织进行观察.

1.2试验材料

试验用母材为高层建筑用钢Q345GJC,板厚20mm,其成分及性能列于表1.

其成形槽宽度为10mm,深度为0.4mm,适用于CO2对接焊.陶瓷衬垫底部划有一条红线,用于粘贴时与焊缝找正对中.陶瓷块两侧的铝箔上沿衬垫长度方向分布着一些小孔,作为焊接时的排气孔,使用前经120℃左右烘焙1～1.5h,随烘随用.

1.3焊接设备、焊材及工艺参数

焊接设备、焊材及工艺参数见表2.

打底CO2焊和填充盖面埋弧焊用焊丝,根据等强匹配原则分别选用H08Mn2SiA（1.2）和H10Mn2（4.0）.在埋弧焊剂的选用中,考虑到焊接线能量较高,若用普通熔炼型焊剂（如431）则熔池上部熔化的焊剂可能呈现剧烈的翻腾状态,焊剂不能完全覆盖弧光而在焊缝金属中出现夹渣,甚至裂纹等缺陷,故选用烧结型焊剂SJ101,不但可避免以上问题的出现,而且能使焊接接头获得更优的综合力学性能.SJ101焊剂使用前需350℃烘焙1.5h.

2试验结果及分析

2.1焊接接头融合情况

图3为焊接接头的融合情况,可看出焊缝背面及正面余高和熔宽都均匀合适,无成形缺陷.陶瓷衬垫CO2焊打底时,由于陶瓷衬垫是不导电的,因此焊速不宜过快,否则熔池不连续,易出现熄弧,造成焊接过程不稳定[1].同时在焊接过程中,焊丝应做适当摆动,在边缘处停留一下,这样可有效防止未熔合缺陷的产生.按照GB/T11345规定进行超声波探伤,结果为I级.

2.2力学性能

焊接接头力学性能测试结果见表3,各项指标均满足GB/T19879-2005要求.接头拉伸试验断在母材上.不同位置的冲击试验结果表明,熔合线及HAZ区的冲击功最低,但也都远高于国家标准要求.

2.3焊接接头的硬度分布

焊接HAZ的硬度是反映钢种焊接性的重要标志之一,比碳当量更为准确[2].按照GB2654-89《焊接接头及堆焊金属硬度试验方法》对焊接接头硬度进行了测定.试验的接头试样在磨床上将两个接头端面磨至相互平行,然后用4%硝酸酒精腐蚀15s,对接头的焊缝区、熔合线、HAZ进行划分,以便确定最高硬度点出现的位置.焊接接头硬度试验划线示意如图4,焊接接头硬度分布见图5.通过观察发现,距试板上下表面各2mm的线1、3及试板中心线2处的最高硬度都出现在热影响区的粗晶区.且呈现线1硬度>线2硬度>线3硬度的分布.这主要是由于后焊层对前焊层的热处理作用造成的.按图3焊接接头融合情况照日本焊接学会制定的参考性标准（AWS-135）,Q345GJC类钢的最大允许硬度应小于390HV10,本试验接头的最大硬度为256HV10,满足要求,表明Q345GJC在本焊接工艺下淬硬倾向及冷裂纹敏感性很小,从而使得使用中出现氢致裂纹及应力腐蚀裂纹的危险性大大降低.

2.4焊接接头的显微组织

图6为打底焊熔合线处的金相照片.母材A处组织为铁素体带和珠光体带间隔分布,晶粒细小；焊缝B处没有出现普通焊缝常有的铸态组织,而是细密的铁素体粒+少量珠光体粒.图7为打底CO2焊和填充埋弧焊的熔合情况照片.A处为打底焊；B处为埋弧焊,B处为铁素体+伪珠光体组织.由图6、7可看出,作为焊缝的薄弱部位―――打底焊处,熔合情况良好,组织细密,这为焊接接头的优良力学性能提供了保障.

3结语

对于高层建筑钢结构长直焊缝的焊接,采用陶瓷衬垫CO2焊打底+埋弧焊填充、盖面的焊接工艺,焊接效率高,焊缝成形美观,焊接接头综合力学性能优良.我们将该焊接工艺应用于部分钢结构长直焊缝的生产,取得了很好的效果.