埋弧焊焊接質(zhì)量控制的四大基本要素

高玲麗，高　良

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興312030）

埋弧焊焊接質(zhì)量控制的四大基本要素

高玲麗，高良

（浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興312030）

針對鋼結(jié)構(gòu)工廠大量采用埋弧焊（SAW），又常常岀現(xiàn)質(zhì)量問題的實(shí)際，從埋弧焊（SAW）的工藝研究開始，闡述影響埋弧焊（SAW）的四大基本要素——焊接電流、焊接電壓、焊接速度以及埋弧焊劑的選用原則、注意事項(xiàng)和采購標(biāo)準(zhǔn)約定，對防止埋弧焊質(zhì)量通病有重要的參考價值。

埋弧焊；四大要素；鋼結(jié)構(gòu)

0　前言

在建筑鋼結(jié)構(gòu)制作工廠中，埋弧焊（SAW）是最主要的焊接技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，一個普通的鋼結(jié)構(gòu)制作工廠其80％以上焊接工作量是由埋弧焊（SAW）完成，因此，抓好埋弧焊工藝對鋼結(jié)構(gòu)制作工廠有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

埋弧焊與其他焊接方式的區(qū)別：

（1）稀釋率高。在不開坡口對接縫單道焊或雙面焊以及開坡口對接縫的根部焊道焊接時，由于埋弧焊焊縫熔透深度大，母材大量熔化，混入焊縫金屬，稀釋率可高達(dá)70％。

（2）熱輸入高。埋弧焊是一種高效焊接方法，為獲得更高的熔敷率，人們?nèi)菀族e誤的選用大電流焊接，因此，焊接線能量增加，焊接過程中產(chǎn)生了高的輸入熱量，結(jié)果降低了焊縫金屬和熱影響區(qū)的冷卻速度，延長了t8/5，降低了焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。

（3）焊接速度快。埋弧焊一般的焊接速度為25 m/h，最高焊接速度可達(dá)到100 m/h。

在這種情況下，焊縫良好的成型和綜合性能不僅取決于焊接參數(shù)的合理配比，而且也取決于焊劑的特性，這是埋弧焊（SAW）與其他焊接方式不同之點(diǎn)。

根據(jù)上述特點(diǎn)，焊接工藝參數(shù)的制定應(yīng)以相應(yīng)的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果或焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)。

埋弧焊工藝參數(shù)分主要參數(shù)和次要參數(shù)。主要參數(shù)是指直接影響焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率的參數(shù)，它們是焊接電流、電弧電壓、焊接速度、電流種類及極性和預(yù)熱溫度、焊劑的配伍及質(zhì)量等。對焊縫質(zhì)量產(chǎn)生有限影響或無明顯影響的參數(shù)為次要參數(shù)，它們是焊絲伸出長度、焊絲傾角、焊絲與工件的相對位置、焊劑粒度、焊劑堆散高度和多絲焊的絲間距離等。有關(guān)操作技術(shù)的參數(shù)有引弧和收弧技術(shù)、焊接襯墊的壓緊力、焊絲端的對中以及電弧長度的控制等。

1　焊接電流

焊接電流是決定焊絲熔化速度、熔透深度和母材熔化量的最重要的參數(shù)。焊接電流對熔透深度影響最大，焊接電流與熔透深度幾乎是直線正比關(guān)系。I形對接焊和Y形坡口對接焊時，焊接電流和熔透深度的關(guān)系曲線如圖1所示。數(shù)學(xué)式表示為

式中H為熔透深度；Km為熔透系數(shù)；I為焊接電流（單位：A）。

圖1　焊接電流與熔透深度的關(guān)系

熔深系數(shù)Km取決于焊絲直徑和電流種類。對于φ2 mm直徑的焊絲，Km=1.0～1.7；對于φ5 mm焊絲，Km=0.7～3；采用交流電埋弧焊時，Km一般為1.1～1.3。

焊接電流對焊縫截面形狀和熔深的影響如圖2所示，即在其他參數(shù)不變的條件下，隨著焊接電流的提高，熔深和余高同時增大，焊縫形狀系數(shù)變小。為防止燒穿和焊縫裂紋，焊接電流不宜選的太大，但電流過小也會使焊接過程不穩(wěn)定并造成焊透或未熔合，因此，焊接電流對于不開坡口對接焊縫，按所要求的最低熔透深度來選定即可，對于開坡口焊縫的填充層，焊接電流主要按焊縫的最佳成形為準(zhǔn)則來選定。此外，焊絲直徑?jīng)Q定了焊接電流密度，因而也對焊縫橫截面形狀產(chǎn)生一定的影響，采用細(xì)焊絲焊接時，形成深而窄的焊道，采用粗焊絲焊接時，則形成寬而淺的焊道。

H—熔深；B—焊縫寬度；a—余高。圖2　焊接電流對焊縫橫截面形狀和熔深的影響

2　電弧電壓

電弧電壓與電弧長度成正比關(guān)系。在其他參數(shù)不變的條件下，隨著電弧電壓的提高，焊縫的寬度明顯增大，而熔深和余高則略有減小。電弧電壓過高時，會形成淺而寬的焊道，從而導(dǎo)致未焊透和咬邊等缺陷的產(chǎn)生。此外焊劑的熔化量增多，使焊波表面粗糙，脫渣困難。降低電弧電壓，能提高電弧的挺度，增大熔深。但電弧電壓過低，會形成高而窄的焊道，使邊緣熔合不良。電弧電壓對焊縫形狀的影響如圖3所示。

H—熔深；B—焊縫寬度；a—余高。圖3　電弧電壓對焊縫形狀的影響

為獲得成形良好的焊道，電弧電壓與焊接電流應(yīng)相互匹配。當(dāng)焊接電流加大時，電弧電壓應(yīng)相應(yīng)提高。

3　焊接速度

焊接速度決定了每單位焊縫長度上的熱輸入能量，在其他參數(shù)不變的條件下，提高焊接速度，單位長度焊縫上的熱輸入能量和填充金屬量減少，因而使熔深、熔寬及余高都相應(yīng)地減小，如圖4所示。

焊接速度太快，會產(chǎn)生咬邊和氣孔等缺陷，焊道外形惡化；焊接速度太慢，可能引起燒穿。如果電弧電壓同時較高，則可能導(dǎo)致橫截面呈蘑菇形焊縫。而這種形狀的焊縫對人字形裂紋或液化裂紋敏感。這種焊縫中產(chǎn)生的典型凝固裂紋如圖5所示。此外，還會因熔池尺寸過大而形成表面粗糙的焊縫。為此，焊接速度應(yīng)與所選定的焊接電流、電弧電壓適當(dāng)匹配。

H—熔深；B—焊縫寬度；a—余高。圖4　焊接速度對焊縫形狀的影響

圖5　橫截面為蘑菇形焊縫及裂紋分布部位

4　埋弧焊（SAW）焊接參數(shù)實(shí)例

（1）焊材選配與準(zhǔn)備。焊絲、焊劑等焊接材料與母材的匹配應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661-2011的規(guī)定（見表1），焊劑在使用前應(yīng)按其產(chǎn)品說明書及焊接工藝文件的規(guī)定進(jìn)行烘焙和存放。

表1　常用結(jié)構(gòu)鋼埋弧焊焊接材料的選配

（2）焊接工藝評定試驗(yàn)。按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661-2011的規(guī)定實(shí)施，由具有國家技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督部門認(rèn)證資質(zhì)的檢測單位進(jìn)行檢測試驗(yàn)。

（3）埋弧焊工藝參數(shù)可參考表2～表5。

表2　鋼板對接工藝參數(shù)

表3　龍門單絲埋弧焊接參數(shù)

表4　龍門雙絲埋弧焊接參數(shù)

表5　角焊縫焊接參數(shù)

5　埋弧焊劑的選用原則、使用注意事項(xiàng)及采購標(biāo)準(zhǔn)約定

5.1焊劑的選用原則

（1）焊接低碳鋼時，一般選用高錳高硅焊劑。若采用含錳的焊絲，則應(yīng)選擇中錳低錳或無錳型焊劑。

（2）焊接低合金高強(qiáng)鋼時，可選擇中錳中硅或低錳中硅等堿性焊劑。為得到更高的韌性，可選用堿度高的熔煉型或燒結(jié)型焊劑，尤以燒結(jié)型為宜。

（3）焊接低溫鋼時，宜選擇堿度較高的焊劑，以獲得良好的低溫韌性，若采用特制的燒結(jié)焊劑，它向焊縫中過渡Ti、B元素，可獲得更優(yōu)良的韌性。

（4）耐熱鋼焊絲的合金含量較高時，宜選用擴(kuò)散氫含量低的焊劑，以防止產(chǎn)生焊接裂紋。

（5）焊接奧氏體等高合金鋼時，應(yīng)選用堿度較高的焊劑，以降低合金元素的燒損，故熔煉焊劑以無錳中硅高氟型為宜。

5.2SAW焊劑使用注意事項(xiàng)

為了有效防止熱裂紋和各種焊接缺陷（缺欠），SAW焊劑必須保證以下性能：

（1）焊縫金屬具有符合要求的化學(xué)成分和力學(xué)性能；（2）電弧穩(wěn)定燃燒，焊接冶金反應(yīng)充分；（3）焊縫金屬內(nèi)不產(chǎn)生裂紋和氣孔；（4）焊縫成形良好；（5）熔渣的脫渣性良好；（6）焊接過程有害氣體析出最少。

5.3焊材SJ101（埋弧焊劑）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表6。

5.4焊材HJ431（埋弧焊劑）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表7。

5.5采購HJ431埋弧焊焊劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

HJ431配H08A（F4A2）焊劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5293-1999《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》，具體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如下：

（1）焊劑顏色呈棕紅色的玻璃狀顆粒。

表6　SJ101技術(shù)要求

表7　HJ431技術(shù)要求

（2）焊劑顆粒度要求8～40目，見表8。

表8　粒度要求

（3）焊劑含水量不大于0.10％。

（4）焊劑中機(jī)械夾雜物的質(zhì)量百分含量不大于0.30％。

（5）焊劑中的w（S）≤0.06％，w（P）≤0.08％。

（6）熔敷金屬力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度σb≥415 MPa；屈服強(qiáng)度σs≥330 MPa；伸長率δs≥22％；熔敷金屬沖擊吸收功AKV≥27 J（-20℃）。

（7）焊接工藝性能應(yīng)達(dá)到：電弧非常穩(wěn)定，焊接過程中無雜質(zhì)，電弧柔和；脫渣容易會自動整塊脫落；焊接時沒有氣孔、壓坑出現(xiàn)；焊道與焊道之間、焊道與母材之間過渡平滑，焊縫金屬與母材金屬熔合良好，無凹陷；焊道表面平整光滑，無麻點(diǎn)，成形美觀。

5.6采購SJ101埋弧焊焊劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

SJ101配H10Mn2（F5A2）焊劑質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5293-1999《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》，具體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)如下：

（1）焊劑顏色呈淺灰色的球形顆粒。

（2）焊劑顆粒度要求10～60目，見表9。

表9　粒度要求

（3）焊劑含水量不大于0.10％。

（4）焊劑中機(jī)械夾雜物的質(zhì)量百分含量不大于0.30％。

（5）焊劑中的w（S）≤0.06％，w（P）≤0.08％。

（6）焊劑中的堿度大于等于1.8。

（7）熔敷金屬力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度σb≥480 MPa；屈服強(qiáng)度σs≥400 MPa；伸長率δs≥22％；熔敷金屬-20℃沖擊吸收功大于等于27 J。

（8）焊接工藝性能應(yīng)達(dá)到：電弧非常穩(wěn)定，焊接過程中無雜質(zhì)，電弧柔和；脫渣容易會自動整塊脫落；焊接時沒有氣孔、壓坑出現(xiàn)；焊道與焊道之間、焊道與母材之間過渡平滑，焊縫金屬與母材金屬良好熔合，無凹陷；焊道表面非常平整光滑，無麻點(diǎn)、毛刺整齊，成形美觀。

Four basic elements of quality control for submerged-arc welding

GAO Lingli，GAO Liang
（Zhejiang Jinggong Steel Structure Group Co.，Ltd.，Shaoxing 312030，China））

For the quality problem often appearing in submerged arc welding（SAW）used in great quantities in the steel structure factory, the selection principle,matters need attention and purchasing standard of four basic elements of SAW including welding current,welding voltage,welding speed and welding flux are studied.This paper has very important reference value for preventing the common quality problems ofSAW.

submerged arc welding；four elements；steel structure

TG445

B

1001－2303（2016）05－0067-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.15

2015-12-22

高玲麗（1982—），女，學(xué)士，主要從事大跨度、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的研究工作。