自动埋弧焊在压力容器上的焊接工艺应用

王妙芬

（首钢集团 长钢锻压机械制造有限公司，山西 长治 046011）

1 普通焊接过程中出现的问题

首钢长钢锻压机械制造有限公司生产的冶金机械中65 t转炉炉身属于厚壁压力容器，其中钢板的材料为低合金高强度钢16 Mn R，对于此类钢板的拼接有很高要求，曾用CO2气体保护焊焊接，焊接时有过严重的焊接缺陷，导致在卷制的过程中出现焊缝撕裂。

由于埋弧焊在应用过程中具有生产效率高、焊接质量好、劳动条件好等诸多优点，因此在许多行业的焊接生产中得到了广泛应用。随着焊接冶金技术和焊接材料生产技术的发展，埋弧焊所能焊接的材料已从碳素结构钢发展到低合金钢、不锈钢、耐热钢以及一些有色金属材料（如镍基合金、铜合金的焊接等）。鉴于钢板的材质为16 Mn R，而且大多需平焊和角焊，钢板的厚度在50 mm～60 mm左右，适合自动埋弧焊的焊接要求，故采用自动埋弧焊进行焊接试验。

2 埋弧焊的焊接原理及实施过程

2.1 埋弧焊的特点

埋弧焊是以电弧作为热源加热、熔化焊丝和母材的焊接方法。焊接中焊丝端部、电弧和工件被一层可熔化颗粒状焊剂覆盖，无可见电弧和飞溅。焊剂的使用是埋弧焊工艺区别于其他工艺方法的根本特点，焊剂对于焊接电弧稳定性、焊缝质量、焊缝的机械和化学特性、焊缝质量、焊缝的机械和化学特性有着重要的影响。

2.2 埋弧焊的焊接过程

埋弧焊的实施过程由4部分组成：①颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆到焊缝接口区；②焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区；③焊接电源接在导电嘴和工件之间用来产生电弧；④焊丝及送丝机构、焊剂漏斗和焊接控制盘等通常装在一台小车上以实现焊接电弧的移动。

埋弧焊时，连续送进的焊丝在一层可熔化的颗粒状焊剂覆盖下引燃电弧，电弧热使焊丝、母材和焊剂熔化以致部分蒸发，在电弧区便由金属和焊剂蒸汽构成一个空腔，电弧在此空腔内稳定燃烧。空腔底部是由焊丝和母材熔化形成的金属熔池，顶部则是熔融焊剂形成的熔渣。熔池受熔渣和焊剂蒸汽的保护，不与空气接触。随着电弧向前移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成焊缝，熔渣则凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。熔渣除了对熔池和焊缝金属起到机械保护作用外，焊接过程中还与熔化金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的化学成分和力学性能。焊后未熔化的焊剂另行清理回收。

在确定是否采用埋弧焊工艺时，应考虑下列因素：①要求得到的焊缝金属的化学成分和力学性能；②待焊母材厚度；③焊接可达性；④接头长度；⑤接头的焊接姿态；⑥焊接工作量；⑦埋弧焊设备的资金预算。

3 自动埋弧焊应用于压力容器上的焊接要求

3.1 对钢板坡口的要求

在采用同一焊接材料焊接同一钢种时，钢板的坡口形式不同，则焊缝性能各异。钢板普通坡口由半自动切割机割出55°～60°坡口（见图1），有特殊坡口要求的坡口（见图2）经机加工后达到；若无法达到要求的，经技术部门共同协商后做出解决方案，坡口精度、组对间隙等都应严格按图纸要求执行。

3.2 焊接材料的选用

焊接16 Mn R厚板开坡口对接接头时，应用合金成分较高的H08 Mn A或H10 Mn2Si等焊丝与焊剂HJ431组合，焊缝强度大、塑性高，对于焊后经受热卷或热处理的焊件能保证其焊缝在热处理后仍具有所要求的强度、塑性和韧性。在焊接前对焊丝及焊剂进行烘干。补焊时，可用CO2气体保护焊补焊，焊条可选用J506、J507。

图1 普通坡口示意图

图2 特殊坡口示意图

3.3 对钢板施焊前的要求

钢板在施焊前必须预热（我厂采用履带加热），预热可控制焊接冷却速度，减少或避免热影响区中淬硬马氏体的产生，降低热影响区硬度，同时预热还可以降低焊接应力，并有助于氢从焊接接头逸出。预热是防止低合金高强度钢焊接氢致裂纹产生的有效措施。预热温度150°，预热面积与焊缝之间必须保证单边在200 mm以上，焊接过程中也应保证其一定的温度。

3.4 组装焊接要求

组装焊接要求为：①钢板钝边对齐、对平；②组装点焊用CO2气保焊，间距在200 mm左右，手工焊也可以；③用CO2气保焊打底，打底厚度3 mm～4 mm，以埋弧焊烧不透为准。

3.5 埋弧焊在焊接过程中的焊接参数

埋弧焊工艺条件包括焊接电流、焊剂种类及颗粒度、焊接电压、焊接速度、焊丝材料和直径、焊丝伸出长度、焊剂覆盖的宽度及厚度等。焊接参数对生产效率和焊接质量的影响为：

（1）焊接电流小，熔深浅，余高和宽度不足；电流过大，熔深大，余高过大，易产生高温裂纹。

（2）电弧电压和电弧长度成正比。在其他条件不变的情况下，若电弧电压低，熔深大，焊缝隙宽度窄，易产生热裂纹；电弧电压高时，焊缝宽度增加，焊道下凹，脱渣困难，气孔和咬边倾向增加。

（3）通常焊接速度小，焊接熔池大，焊缝熔深和熔宽均较大。焊接速度过小，熔化金属量多，焊缝成形差；焊接速度较大，熔化金属量不足，容易产生咬边。

（4）在焊接开始时最好使焊丝伸出长度大约为焊丝直径的8倍，随着焊接过程的进行，应逐步调整，对于直径Φ4～Φ5 mm的焊丝，其伸长长度约为125 mm。

实际生产中，采用Φ4焊丝要求的焊接参数见表1，采用Φ5焊丝要求的焊接参数见表2。

3.6 焊后焊缝必须缓冷

焊接结束后或焊完一条焊缝后，应采取保温措施，使钢板缓慢冷却，目的是使焊接接头中的氢扩散逸出，这是防止焊接冷裂纹的有效措施之一。

表1 Φ4焊丝焊接参数

表2 Φ5焊丝焊接参数

3.7 焊缝要求

如图1所示单侧焊缝高度在2／3钢板厚之间打底焊接，第一次不能满焊，翻货后背面清根，清根后对焊缝进行磁粉（或着色）探伤，焊接时应从两面交替施焊，防止其向一边弯曲，尽可能多翻几次，以保证焊缝质量。每焊完一层必须清除熔渣及飞溅金属，当没有缺陷并达到技术要求后再继续焊接；若有缺陷，采用碳弧气刨清除后，可用手工补焊，返修次数不得超过3次。钢板全部焊满后进行超声波探伤，必须达到二级焊缝要求。

3.8 焊后处理

对于厚壁压力容器及要求尺寸稳定性的焊接结构，焊后需要进行消除应力处理。消除应力热处理常采用松弛焊接残余应力的方法，将焊件加热到550℃～600℃，保温一段时间后，随炉冷却到300℃～400℃，最后焊件在炉外空冷。

3.9 其他要求

环焊缝、内圆焊最好是上坡焊，起弧焊与中心3 mm～4 mm，外圆焊最好是下坡焊，起弧与上相同。

3.10 焊缝质量检验

按JB／T8609-1997《锻压机械焊接件 技术条件》中的要求对焊缝质量逐项测量检验。其中焊缝的表面缺陷按JB／T5000.15-1998Ⅳ级进行着色探伤检查，重要结构的承载焊缝应逐条检查，检查长度不小于焊缝总长度的20%。如果发现缺陷，应在原缺陷附近扩大检查范围，再次检查，扩大检查长度等于原检查长度。若扩大检查范围后再次发现缺陷，应对整条焊缝进行检查。确保焊缝表面平整、均匀、无裂纹、无明显的弧坑和咬边等现象。对于有特殊要求的结构件应进行超声波探伤，须达到二级焊缝要求，乃属合格品。

4 应用效果

首钢长钢锻压机械制造有限公司主要将埋弧焊技术应用于冶金机械中转炉炉身的厚壁压力容器焊接中。基于其特殊的材料与拼接要求，采用具有针对性的焊接工艺方法，使焊接效果达到了性能要求，克服了利用传统焊接方法易产生的严重缺陷。目前整套工艺方案已在公司的冶金机械焊接中得到广泛应用，其使用效果良好。