焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接根焊方法

朱 亮，李宗志，馮志鵬

(蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

焊接工藝

焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接根焊方法

朱 亮，李宗志，馮志鵬

(蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

超窄間隙焊接在對接焊接中有著獨特的優(yōu)勢。在實際焊接工程中，對接焊有時要求采用單面焊雙面成型的方法進行根焊。采用焊劑帶約束熔化極電弧超窄間隙焊接的方法，結合在工件背面襯墊焊劑，并用銅板對焊劑加以支撐的背面焊縫強制成型方法進行熔化極電弧根焊試驗。結果表明，通過焊劑帶約束熔化極電弧，選擇合適的焊接電壓、焊接電流可以使坡口根部有效熔合；在銅板的快速散熱作用下，阻止了工件背面焊劑因熱量集中而過量燒損，使熔池下方有焊劑的襯墊而不發(fā)生脫落的現象，保證了焊縫背面成形良好。最終實現了焊劑帶約束熔化極電弧超窄間隙焊接單面焊雙面成形。

超窄間隙焊接；單面焊雙面成形；根焊；焊劑帶約束電弧

0 前言

與常規(guī)窄間隙焊接技術相比，超窄間隙焊接更加節(jié)能省材，生產效率顯著提高，焊接熱輸入大大降低[1]。將焊劑帶約束熔化極電弧用于坡口間隙為4 mm的超窄間隙焊接，取得了一定的進展[2]。這種方法將特制的焊劑帶送入坡口兩側壁，通過對電弧的約束抑制電弧在坡口兩側壁的攀升，進而有效控制電弧在坡口中的加熱區(qū)域，使坡口根部進行有效的熔合[3]。已經對焊劑帶約束的電弧在超窄間隙中的行為[4]、熔池的形成機制[5]、電弧電壓和電流波形的特性[6]等基礎問題進行了研究。

超窄間隙焊接在對接焊中有著獨特的優(yōu)勢，除了提高生產效率以外，還能調整焊縫的應力狀態(tài)。在實際的對接焊工程中，根焊質量是整個對接焊質量的關鍵，有時要求采用單面焊雙面成型的方法實現根焊，所以對超窄間隙焊接根焊方法的研究是將超窄間隙焊接應用到對接焊接中的重要環(huán)節(jié)。文獻[7]中采用TIG焊接方法在12 mm厚的工件組成的寬度為4 mm的I型坡口內施焊，并在坡口根部實現單面焊雙面成型。同時發(fā)現，減少熔覆金屬可降低熱輸入，增加了焊縫中的壓應力。焊劑帶約束熔化極電弧超窄間隙焊接的方法在對接焊根焊方面上的應用技術并沒有得到相應的開發(fā)；而常規(guī)的根焊方法，如TIG打底焊、纖維素焊條電弧焊、STT根焊等技術[8]并不適用于在焊劑帶約束熔化極電弧超窄間隙坡口中施焊。因此有必要對焊劑帶約束熔化極電弧超窄間隙焊接的根焊工藝方法進行研究。

在此采用焊劑帶約束熔化極電弧，結合在工件背面襯墊焊劑并用銅板加以支撐的背面焊縫強制成型方法進行根焊試驗，研究超窄間隙焊接單面焊雙面成型方法。

1 焊接試驗

焊劑帶約束熔化極電弧超窄間隙焊接試驗裝置如圖1a所示。焊劑帶主要成分是CaCO3和CaF2，以硅溶膠為粘結劑按一定比例混合均勻后，壓涂在金屬絲網上，經過烘干后即可用于焊接。將制作好的焊劑帶放置在根焊坡口內，坡口形式如圖1b所示。焊絲通過專用的超窄間隙焊槍[9]等速送入坡口底部形成電弧。電弧在坡口內的移動過程中，不斷熔化進入電弧區(qū)的焊劑帶，形成熔渣和氣體保護電弧以及熔覆金屬。間隙側壁的焊劑帶在熔化的同時，對電弧產生一定的約束作用。

在進行焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接根焊試驗時，采取了兩種焊縫背面強制成型的方法：一是在試樣下面鋪墊焊劑HJ431，用來保護焊縫背面的成形，如圖2所示；二是在試件下面鋪墊一定厚度的焊劑HJ431，并在焊劑下面鋪墊銅板加以支撐來保護焊縫背面成型，如圖3所示。

焊接時采用平特性電源，直流反接，焊接電流200～220 A，焊接電壓20～24 V，焊接速度10 mm／s；焊劑帶厚度為0.8 mm；使用常規(guī)的CO2焊用焊絲，牌號為H08Mn2Si，焊絲直徑φ 1.6 mm；焊接工件材料為厚14 mm的X70管線鋼。觀察不同的焊接參數下焊后試件的焊縫截面形態(tài)和背面焊縫成形，對比觀察了兩種不同的保護方法所得試件的背面焊縫成形。

圖1 試驗裝置及坡口型式

圖2 工件下方鋪墊焊劑

圖3 工件下方鋪墊焊劑和銅板

2 試驗結果

首先采用第一種背面焊縫強制成型方法，即在工件背面只襯墊焊劑，在超窄間隙焊接根焊坡口中進行熔化極電弧根焊試驗。分析焊接電壓、焊接電流以及其他一些因素對焊縫背面成形的影響。

焊接電壓對實現焊劑帶約束超窄間隙焊接單面焊雙面成型有著重要的影響。圖4是焊接電壓分別為20 V、22 V和24 V施焊后的焊縫截面，其中黑色虛線表示焊接前原始坡口形狀。通過腐蝕能夠清楚地顯示出焊縫截面的形狀，坡口側壁以及根部熔合良好，背面成形也比較成功。仔細觀察焊縫截面和背面焊縫尺寸，可以發(fā)現不同的焊接電壓會引起整個焊縫的形狀發(fā)生變化。最為明顯的是，隨著焊接電壓的增加，背面焊縫的寬度顯著增加。

圖4 焊接電壓對焊縫形狀的影響

在其他焊接參數確定的情況下，焊接電流增加，送絲速度也相應的成比例增加，因而單位時間內焊絲填充量增多，使熔池表面張力變大而不容易脫落。但焊絲填充高度一般應控制在3.5～4.5 mm，所以焊接電流也不宜太大。電流過小，容易出現未焊透、熔合不良的現象。通過實驗可知，當焊接電流在200～220 A時，可以保證焊縫較好的熔透性。

另外，當焊絲垂直或者傾斜較小角度時，焊接過程中熔池前沿會出現一個大于坡口寬度1～2 mm的熔孔，而且該熔孔在施焊完畢后依然存在于焊縫末端。將焊絲向后傾斜一定角度，能夠減小熔孔尺寸，在后傾角度為60°左右時可以消除熔孔。

鋪墊在工件下方的焊劑顆粒度大小也對焊縫成形有著一定的影響。焊劑顆粒度太小，在焊接過程中會導致工件下方氣體來不及逸出，形成氣孔。當焊劑顆粒度大于9目時，可以解決氣孔問題。

在合理匹配的焊接規(guī)范下，采用在工件背面只襯墊焊劑的試驗方法，盡管實現了單面焊雙面成形，但是背面焊縫只能在一定距離內保持良好的成形。當焊接進行到一定距離之后，背面焊縫會發(fā)生熔池脫落，并有氣孔產生的現象，而且整個焊縫背面變寬，如圖5a所示。觀察焊后工件背面所墊焊劑的燒損量，發(fā)現焊劑的燒損量是隨著熔池的向前推進不斷增加的，在背面焊縫發(fā)生脫落的部分所對應的焊劑燒損量比較多，而成形良好的背面焊縫所對應的焊劑燃燒厚度基本維持在2 mm左右。分析其原因，在焊接進行到一定距離的時候，工件下方焊劑內部熱量聚集的越來越多而不能快速地揮發(fā)出去，熔化后的焊劑不能很快的冷卻，而向前方未熔化的焊劑滲透，從而焊劑的熔化量越來越多，這樣使熔池前方的焊劑在熔池未到達上方時便已經熔化。由于顆粒狀的焊劑熔化后體積變小，焊劑與工件之間的距離s會隨著焊劑的熔化量增多而不斷增大，如圖5b所示。當s增大到一定程度時，會導致熔池下方沒有焊劑的襯墊而發(fā)生脫落現象，并產生了氣孔。

圖5 只鋪墊焊劑時焊后背面焊縫成形

采用第二種背面焊縫強制成型方法，即在工件下方襯墊2 mm厚度的焊劑，并用銅板加以支撐的方法在匹配的焊接規(guī)范下施焊。在焊接進行了較長距離之后并沒有出現背面焊縫脫落的現象，而且整個背面焊縫寬度比較均勻，如圖6a所示。工件焊縫背面2 mm厚的焊劑基本上燒光形成熔渣，熔渣與銅板直接接觸。

圖6 鋪墊焊劑—銅板時背面焊縫成形

對第二種方法成功實現單面焊雙面成型的原因進行分析，可知焊接過程中高溫熔池加熱2 mm厚度的焊劑使其熔化，而支撐焊劑的銅板能將焊劑內部熱量快速發(fā)揮出去，使液態(tài)焊劑快速冷卻凝固形成熔渣。阻止了熔化的焊劑向前方未熔化的焊劑滲透，有效地避免了熔池脫落的現象發(fā)生，如圖6b所示。

采用焊劑帶約束熔化極電弧超窄間隙焊接的方法在14 mm厚的X70管線鋼工件組成的超窄間隙坡口內實施了完整的焊接，焊縫剖面如圖7所示。根焊是結合在工件下方襯墊2 mm厚度的焊劑，并用銅板加以支撐的背面焊縫強制成型方法施焊，焊層高度大約為4 mm左右，所用焊接電壓22 V，焊接電流220 A，焊接速度9 mm／s，焊劑帶厚度0.8 mm。對根焊道表面進行清渣、打磨之后，依次進行了兩層填充焊，每層填充焊填充高度大約為4 mm左右。與根焊相比較，填充焊所用焊接參數較大，焊接電壓25 V，焊接電流250 A，焊接速度10 mm／s，焊劑帶厚度為0.8mm。填充焊完畢之后，由于坡口深度只剩下2 mm左右，無法繼續(xù)采用焊劑帶約束電弧的方法施焊，所以蓋面焊采用常規(guī)CO2焊施焊。蓋面焊所用焊接電壓為20V，焊接電流200A，焊接速度7.5 mm／s。

圖7 超窄間隙對接焊焊縫截面

3 結論

(1)采用焊劑帶約束熔化極電弧超窄間隙焊接的方法可以實現根焊的單面焊雙面成型。

(2)針對本試驗所設計的坡口形式，要達到單面焊雙面成型的效果，需要采用以下焊接規(guī)范：焊接電流200～220 A；焊接電壓20～24 V；焊絲后傾角度60°；焊劑HJ431顆粒度較小，鋪墊厚度控制在2 mm左右，并用銅板加以支撐。

(3)工件背面襯墊薄焊劑，并用銅板加以支撐的背面焊縫強制成型方法可以使焊劑在熔化后及時冷卻形成熔渣保護背面焊縫成形，避免了在工件背面只襯墊焊劑施焊時，焊接后期由于焊劑與工件之間的距離增大而造成的熔池脫落，從而避免了氣孔的產生。

[1]ITO R，HIRAOKA K，SHIGAL C.Softening characteristics in ultra-narrow gap GMA welded joints of ultra-fine grained steel[J].Science and Technology of Welding and Joining，2005，10(4)：468-474.

[2] Zhu L，Zheng S X，Chen J H.Development of ultra-narrow gap welding with constrained arc by flux band[J].China Welding，2006，15(2)：44-49.

[3]朱 亮，黃斌維，金 將，等.焊劑帶控制超窄間隙坡口內電弧加熱區(qū)域的機制[J].焊接，2008(2)：19-22.

[4]鄭韶先，朱 亮，張旭磊，等.焊劑帶約束電弧特性的試驗分析[J].焊接學報，2007，28(8)：57-61.

[5]朱 亮，金 將，苗紅麗，等.焊劑帶約束超窄間隙焊接母材的熔化及熔池的形成[J].焊接學報，2010，31(9：9-12.

[6]朱 亮，苗紅麗，金 將，等.超窄間隙中焊劑帶約束電弧電壓電流波形的特征[J].焊接學報，2010，31(8)：85-88.

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[8]尹長華，薛振奎，劉文虎.國內外長輸油管道常用焊接工藝基本情況綜述[J].石油工程建設，2010，36(1)：42-47.

[9]朱 亮，張旭磊，鄭韶先，等.焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接的實現[J].蘭州理工大學學報學報，2007，33(3)：27-30.

Root welding of ultra-narrow gap welding with arc constricted by flux strips

ZHU Liang，LI Zong-zhi，FENG Zhi-peng
(State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Ultra-narrow gap welding has unique advantages in the butt welding.Root welding is generally required to complete by using the method of one-side welding both sides formation.By using ultra-narrow gap welding with arc constricted by flux strips，experiments of root welding with flux backing laid on the copper plate were carried out.By choosing reasonable matching of voltage and current，welding groove roots could be fused effectively with arc constricted by flux strips.Flux could be prevented from excessive burning loss because of heat concentrated with fast cooling of copper plate，and then made the molten pool not fall off to ensure good seam formed of back by flux backing.One-side welding both sides formation could be achieved by use of constricting arc with flux strips in ultra-narrow gap.

ultra-narrow gap welding；one-side welding both sides formation；root welding；arc constricted by flux strips

TG441.3

A

1001-2303(2011)09-0001-04

2011-01-19

國家自然科學基金資助項目(50775105)

朱 亮(1964—)，男，甘肅高臺人，博士，教授，博導，主要從事焊接工藝及設備、金屬材料變形及斷裂的研究工作。