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1、 各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家、各位同仁 下 午 好 ！ 三絲埋弧焊技術(shù) 在厚板焊接中的應(yīng)用 上海冠達(dá)爾鋼結(jié)構(gòu)有限公司 高國兵 費(fèi)新華 虞明達(dá) 賀明玄 摘要 隨著高層和超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑如雨后春筍般地涌現(xiàn)，大量高強(qiáng)度厚 板結(jié)構(gòu)鋼被廣泛應(yīng)用，三絲埋弧焊作為一種高效焊接方法引起業(yè)界的普遍 關(guān)注。本文結(jié)合中央電視臺新臺址鋼結(jié)構(gòu)工程中低合金高強(qiáng)鋼厚板三絲埋 弧自動焊應(yīng)用實(shí)踐，介紹三絲埋弧自動焊焊接工藝技術(shù)要求和特點(diǎn)，分析 大線能熱輸入的三絲埋弧焊方法對接頭性能和焊接凝固裂紋的影響，論述 了三絲埋弧焊應(yīng)用于厚板焊接中的工藝技術(shù)要求和焊接材料要求。 關(guān)鍵詞 三絲埋弧焊 厚板 工藝技術(shù) 大線能量 凝固裂紋 焊接材料 0

2、 前言 目前，國內(nèi)大型鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)生產(chǎn)廠家， 厚板低合金鋼（ Q345鋼及以上級別鋼種） 構(gòu)件厚板焊接，主要以單、雙絲埋弧焊焊 接方法為主，而縱列三絲埋弧焊這一高效 焊接方法因其工藝技術(shù)掌握程度要求高， 尤其是焊絲間距與焊絲角度的控制；焊接 電源的不同組合；焊絲和焊劑的匹配；焊 接線能量對接頭韌性的控制等因素的綜合 影響限制了高效三絲埋弧焊的廣泛應(yīng)用。 本文通過從焊接工藝技術(shù)和焊接材料二個(gè) 方面著手進(jìn)行對三絲埋弧焊應(yīng)用研究和應(yīng) 用開發(fā)，使三絲焊埋弧焊焊接技術(shù)成功應(yīng) 用于工程實(shí)踐，生產(chǎn)效率得以成倍提高， 產(chǎn)品質(zhì)量亦得以保證（圖 1）。 圖 三絲埋弧焊應(yīng)用于厚板箱形構(gòu)件焊接 . 縱列三絲埋弧焊焊接工

3、藝技術(shù) 三絲埋弧焊采用獨(dú)立電源供電，電源類型組合采用直流反接 +交流 +交流， 避免直流 +直流組合電弧磁偏吹現(xiàn)象，減少氣孔、夾渣、焊偏等缺陷出現(xiàn)幾 率；同時(shí)，也克服了交流組合時(shí)對焊材堿度的限制，有利于電弧穩(wěn)定焊接， 提高接頭的抗裂性能，同時(shí)達(dá)到深熔的目的。若三根絲選用直流電源組合， 它們極性相反，電弧相互排斥，易產(chǎn)生電弧磁偏吹；選用交流電源組合， 雖然可以減小電磁力的作用，但交流電弧穩(wěn)定性差，對焊劑的堿度反應(yīng)較 為敏感，要使焊縫有良好的成型，就得考慮降低焊劑的堿度，若焊劑堿度 過低，焊縫整體性能下降，焊縫抗裂性能差，韌性下降，塑性下降，不適 用于高強(qiáng)鋼的焊接。 .1 三絲埋弧焊電源的選擇（圖

4、 2） 后置焊絲 弧焊電源 焊接方向 弧焊電源 后置焊絲前置焊絲 直流電源 圖 2 三絲埋弧焊電源的選擇 .2 熔池特性及焊絲排列 焊絲縱列排列，熔池的特性采用單熔池。一方面，電弧擴(kuò)展面積大， 有效消除坡口邊緣的未熔合，不易形成梨形焊道，減少焊縫根部熱裂紋的 產(chǎn)生概率，且在焊縫的外觀成形上，可有效減少咬邊和焊縫表面的魚鱗； 另一方面，借助于多電弧共同作用于同一個(gè)熔池時(shí)較強(qiáng)的攪拌作用，降低 了氣孔產(chǎn)生的可能性，同時(shí)冶金反應(yīng)更加充分。 .3 單熔池焊絲間距和角度的設(shè)置（圖 3） 焊絲間距和角度根據(jù)坡口形式、焊接規(guī)范及焊接速度具體確定，一般 單熔池焊絲總間距控制在 2035 mm；焊絲角度設(shè)置時(shí)，前

5、置焊絲通常 垂直于鋼板表面或稍作后拖，以獲得最佳的熔深，中間焊絲可垂直于鋼 板或向前傾斜，后置焊絲一般向前傾斜，以獲得平滑的焊道表面。 焊接方向 圖 3 單熔池焊絲間距和角度的設(shè)置 三絲單熔池埋弧焊的焊接熱輸入是一個(gè)必須要考慮的問題，相 對于單絲、雙絲埋弧焊而言，熱輸入高出很多，但不能認(rèn)為其線能量 為單絲焊的簡單疊加，應(yīng)考慮焊后的冷卻速度降低了。焊接線能量的 影響，不僅通過改變?nèi)鄢氐倪^熱程度和冷卻速度而使 柱晶尺寸及 轉(zhuǎn)變特性發(fā)生變化，還可通過改變?nèi)酆媳葋碛绊懞缚p的化學(xué)成 分，從而使焊縫組織性能發(fā)生變化。由于雙絲、多絲單熔池 SAW的 焊接熱輸入較大， 焊接冷卻速度降低， 柱晶寬度呈現(xiàn)增大。這

6、必增 大過冷，而促使形成 FSP（側(cè)板條鐵素體）和減少 AF（針狀鐵素 體），使焊縫韌性降低。對合金化程度不高的 Mn-Si系焊縫，盡可能 限制焊接線能量是十分必要的。 焊接線能量對接頭組織性能影響及韌性影響分析 焊接熱影響區(qū)的韌性決定于組織和組織的形態(tài)，既受焊接熱輸入 的影響，同時(shí)還取決于母材的化學(xué)成分及原始狀態(tài)。焊接線能量的變 化會引起焊接熱循環(huán)的變化，線能量增大時(shí)，不僅熔合線奧氏體晶粒 直徑增大，而且奧氏體晶粒漲大范圍也增大， 此外焊接線能量的變化 還會引起冷卻速度的變化，從而使冷卻組織發(fā)生變化。不同的鋼種， 由于化學(xué)成分不同，線能量對韌性的影響不同，對于 Q345、 Q390類 等控軋

7、、正火鋼材，合金元素含量少、碳含量相對較低，一般情況下， 難以得到馬氏體和下貝氏體組織，線能量較大，冷卻速度稍慢時(shí)，晶 粒易漲大，得到以 F為主加 P的組織，線能量較小，冷卻速度較快時(shí)， 易得到上貝氏體組織，但晶粒較細(xì)?？傮w來說，這類鋼種韌性變化不 大，線能量選用范圍較寬。但對于 Q420、 Q460類正火鋼材，其合金 元素含量較大、碳含量相對較多，如果線能量十分大時(shí)，將容易得到 含 M-A組元的上貝氏體組織，奧氏體晶粒進(jìn)一步粗大化，嚴(yán)重降低熱 影響區(qū)韌性。 兼顧焊接可操作性以及考慮多層多道焊對接頭性能（特別是韌性）的影 響，焊接過程中，我們采用單、雙、三絲組合焊接方法，同時(shí)根據(jù)不同的 鋼種，

8、選取不同的焊接參數(shù)以達(dá)到焊接高效并滿足接頭韌性控制的目的。 采用合適的焊接材料以提高接頭性能和防止結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生 對于一般的低合金鋼鋼種（ Q345， Q390）焊接，常用焊接材料為焊絲 H10Mn2配堿性燒結(jié)焊劑 SJ101，接頭的性能完全可以滿足母材的匹配要 求但對于 40mm以上較厚鋼板采用大線能量焊接時(shí)，由于合金元素的燒損， 焊縫金屬存在強(qiáng)度和韌性下降甚至達(dá)不到鋼材最低性能指標(biāo)現(xiàn)象；同時(shí)由于 三絲埋弧焊焊接熔池大、填充金屬中、含量相對較高、焊縫金屬冷卻速 度較慢，容易在焊道中心產(chǎn)生凝固熱裂縫（結(jié)晶裂紋）現(xiàn)象。為此，必須采 用適合大線能量的焊接材料，既能滿足三絲大線能量焊接焊縫金屬的力學(xué)

9、性 能指標(biāo)，同時(shí)又避免三絲大線能量焊接時(shí)焊縫產(chǎn)生結(jié)晶裂紋 ）提高焊縫金屬的強(qiáng)度措施。通過對現(xiàn)有的 H10Mn2焊絲的化學(xué)成分進(jìn)行 綜合分析，提出改良和優(yōu)化方案分析認(rèn)為：提高焊絲的含量，雖能提高 焊縫金屬強(qiáng)度，但焊縫金屬的韌性和抗冷裂紋和熱裂紋性能降低，為不改變 焊絲焊接性，故對 H10Mn2焊絲中的含量不作變動；增加焊絲中的含 量，由原 H10Mn2焊絲中含量水平 1.50 1.90 提高到 1.9 2.20 水平， 通過的固溶強(qiáng)化能力的提高以達(dá)到焊縫金屬強(qiáng)度的提高，同時(shí)輔以微量 的 Mo元素進(jìn)行彌散強(qiáng)化和細(xì)化晶粒，以達(dá)到進(jìn)一步提高焊縫金屬強(qiáng)度的目 的 ）提高焊縫金屬韌性措施。焊絲中加入微量的

10、 Mo元素進(jìn)行彌散強(qiáng)化和細(xì) 化晶粒，雖有利于焊縫金屬的韌性改善，但為確保焊縫金屬韌性達(dá)到明顯改 善目標(biāo)，在原 H10Mn2焊絲中再添加適量，約 .2 .4 ，以達(dá)到進(jìn)一 步提高焊縫金屬延性。 3）降低焊縫出現(xiàn)結(jié)晶裂縫的措施。鋼材焊接時(shí)，焊縫中的 S、 P等雜質(zhì)在焊 縫結(jié)晶過程中容易在焊道或焊縫中心形成了低熔點(diǎn)的共晶，隨著結(jié)晶過程的 進(jìn)行，它們逐漸被排擠在晶界，形成“液態(tài)薄膜”，焊縫凝固過程中，“液 態(tài)薄膜”由于不能承受收縮拉應(yīng)力作用而開裂。大線能量三絲埋弧焊，由于 線能量大、焊縫熔池大、冷卻速度慢，如果焊絲中 S、 P等低熔點(diǎn)雜質(zhì)含量控 制不當(dāng)，便較容易在焊接過程中焊縫或焊道中心產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。

11、普通 H10Mn2 焊絲中 S含量為不大于 0.35%， P含量為不大于 0.35%，比照厚鋼板 Z25向性能 指標(biāo)對 S、 P雜質(zhì)的控制要求，為防止三絲埋弧焊縫出現(xiàn)結(jié)晶裂縫，對 H10Mn2焊絲中 S、 P元素含量進(jìn)行優(yōu)化，規(guī)定 S、 P均不大于 0.10%，以減少 焊縫中低熔點(diǎn)雜質(zhì)的產(chǎn)生，從而避免結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。 通過與鋼廠和焊絲廠聯(lián)合進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試和測試，開發(fā)出適用于大線 能量三絲埋弧焊焊接用新型 Mn-Si-Ni系焊絲，確保了三絲埋弧焊縫金屬 性能滿足要求，同時(shí)避免了焊接過程結(jié)晶裂紋的出現(xiàn)。普通 H10Mn2焊絲 與開發(fā)的大線能量焊絲 主要化學(xué)成分如下表 1 表 1： H10Mn2焊絲與

12、開發(fā)的大線能量焊絲主要化學(xué)成分 焊絲 牌號 主要化學(xué)成分（ %） C Si Mn Gr Ni Cu S P 其它 H10Mn2 0.12 0.07 1.5 1 . 9 0.20 - 0.20 0.03 5 0.03 5 開發(fā)焊絲 0.08 0 .1 4 0.10 1.9 2 . 2 0.20 0.30 0.20 0.01 0 0.01 0 適量的 Mo 4 焊接工藝參數(shù)與工藝措施的合理選擇 第一、綜合考慮焊接電壓應(yīng)和焊接電流及焊接速度匹配，注意輔絲的 焊接規(guī)范對焊縫成形及熔深的影響。對厚板偏下部層焊道的焊接，采用三 絲單道焊時(shí)，采用較小的電流（ 650-700A），略低的電壓，稍慢的焊接 速度

13、（ 50-60cm/min）焊接，以防止焊道過薄過凹而開裂；底部層以外的 焊道實(shí)施多層多道焊接，焊接電流（ 650-800A），電壓略高，較快的焊 接速度（ 55-75cm/min）焊接，表面焊道采用較小的電流或單、雙絲焊焊 接，從而保證焊縫整體性能及良好的外觀成型。其次、考慮焊縫金屬熔合 比對焊縫性能影響，靠近母材側(cè)（特別是有直角邊坡口）的焊道盡可能采 用小電流焊接，或選用略粗的焊絲降低電流密度從而減小熔合比。第三、 焊接直角邊焊道時(shí)，前置焊絲中心與直角邊距離至少不小于一倍焊絲直徑， 同時(shí)焊絲與直角邊保持近 10 的夾角，避免夾渣、咬邊。 5 三絲埋弧焊工藝評定試驗(yàn)結(jié)果 結(jié)合焊接操作性能，考

14、慮接頭力學(xué)性能及生產(chǎn)高效性，選用單、雙、 三絲組合的埋弧焊焊接方法進(jìn)行工藝試驗(yàn)。 （ 1）試驗(yàn)?zāi)覆?材質(zhì)， Q345GJC，規(guī)格： PL75*250*800； （ 2）接頭坡口形式 （圖 4） 圖 4 （ 3）焊接材料 焊絲 H10Mn2-BG，規(guī)格 4.8，焊劑 SJ101 （ 4）電源類型 主絲 DCEP+中間輔絲 AC+后輔絲 AC （ 5）焊絲排列間距及角度 縱列，焊絲中心間距依次為 12mm、 12mm； 與試板平面夾角依次為 90 、 90 、 80 。 （ 6）單、雙、三絲焊縫道次分布及焊接高度（圖 5） 17道為單絲焊，焊接電流 650A，電壓 32V，焊接速度 45cm/mi

15、n，總焊 接高度 15mm。 811道為雙絲焊，主絲焊接電流 700A，電壓 32V，第二根輔絲焊接電流 750A，電壓 38V，速度 56cm/min，總焊接高度 12mm。 1221道為三絲焊，主絲焊接電流 750A，電壓 32V，第二根輔絲焊接電 流 750A，電壓 40V，第三根輔絲焊接電流 700A，電壓 38V，速度 66cm/min， 總焊接高度 38mm。 2227道為雙絲焊，主絲焊接電流 700A，電壓 32V，第二根輔絲焊接電 流 750A，電壓 40V，速度 58cm/min，總焊接高度 10mm。 單絲( ） 雙絲（） 三絲（） 雙絲（） 圖 5 單、雙、三絲焊縫道次分

16、布及焊接高度 （ 7）力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù) a.拉伸試驗(yàn)：（表 1） 試驗(yàn)項(xiàng)目 焊接 方法 縮減斷面拉伸試驗(yàn) 全焊縫拉伸試驗(yàn) 試樣 編號 Re MPa Rm MPa 斷裂 位置 結(jié)果 試樣 編號 Re MPa Rm MPa A % 結(jié)果 PQR-001 SAW 1 / 510 母材 合格 3 440 600 24.5 合格 2 / 530 母材 b.側(cè)彎試驗(yàn)：（表 2） 試驗(yàn) 項(xiàng)目 焊接 方法 試樣 編號 試驗(yàn) 類型 彎心 直徑 彎曲 角度 評定 結(jié)果 PQR-001 SAW 6-1、 7-1、 8-1 側(cè)彎 30 180 合格 6-2、 7-2、 8-2 側(cè)彎 30 180 合格 6-3、 7-3、

17、 8-3 側(cè)彎 30 180 合格 6-4、 7-4、 8-4 側(cè)彎 30 180 合格 c.沖擊試驗(yàn)：（表 3） 試樣 編號 缺口 位置 試驗(yàn) 溫度 沖擊功 J 試樣 編號 缺口 位置 試驗(yàn) 溫度 沖擊功 J 4上 焊縫 0 73、 92、 96 5上 熱影 響區(qū) 直角邊 0 148、 60、 75 4中 206、 182、 186 5中 251、 225、226 4下 210、 246、 262 5下 270、 252、284 6 結(jié)論 1） 三絲埋弧焊應(yīng)用過程中，合理的電源種類組合、合理的的焊絲排列工 藝對焊縫成型和焊接過程中質(zhì)量的穩(wěn)定具有重要作用 ; 2） 三絲埋弧焊由于焊接線能量相對較大，應(yīng)充分考慮線能量對母材的影 響，應(yīng)用于對了輸入敏感性不大或韌性較好的母材焊接上，同時(shí)應(yīng)合理安排 三絲埋弧焊的焊道分布； 3）通過采用合適的焊接材料，能有效提高三絲埋弧焊接頭的強(qiáng)度和韌性， 有效避免焊接過程中結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生，確保三絲埋弧焊焊縫質(zhì)量穩(wěn)定并滿足 規(guī)范要求； 4）大量接頭的三絲埋弧焊厚板焊接實(shí)踐證明，只要選擇合適的電源組合、 合理的焊接工藝與參數(shù)，采用相配套的焊接材料，三絲埋弧焊的焊縫質(zhì)量穩(wěn) 定，焊接接頭的強(qiáng)度和韌性是能夠滿足母材的匹配要求，以達(dá)到厚板高效、 高質(zhì)量的焊接要求。 謝謝大家 !