烟台大学学报(自然科学与工程版)
Journal of Yantai University ( Natural Science and Engineering Edition)
第34卷第1期
2021年1月
Vol. 34 No. 1oln ．0201
文章编号：1024-8820 (2201 )21-0255-26 doi ：10.13451/j. eCO 37T213/n. 191010
魏杰，应华，邓文杰，张振玉，刘振峰
(烟台大学机电汽车工程学院，山东烟台264025)
摘要：以厚度为25 mm 的DH34型钢板为研究对象，对现有三丝埋弧焊焊接技术进行理 论分析，通过试验的方法与传统单丝埋弧焊工艺作详细对比，开发出一种三丝埋弧焊厚板 焊接新工艺，并对新工艺进行工艺评定。试验结果表明，使用该工艺焊接厚板能大幅度提 高厚板焊接效率，且有效保证焊件焊缝质量， 其熔敷金属各项力学性能均符合行业标准。 该试验可为三丝埋弧焊在厚板焊接中的工艺开发提供一定的参考。
关键词：三丝埋弧焊；厚板焊接；焊接新工艺；焊接试验中图分类号：TG034. 9. 28
文献标志码：A
在船舶海工、核电设备、冶金机械、道桥施工等
卡门涡街效应
插板机众多行业中，耐压容器、箱体、梁柱等重要钢结构的 制作过程中采用的主要焊接技术是埋弧焊[1]0埋 弧焊焊接的技术特点是通过电弧在焊剂层下燃烧,
熔渣保护电弧，焊剂和被焊接金属融化后比例稳定,
具有焊接质量好、生产效率高、少烟尘及无弧光等优 点[2]0随着材料科学的进步，越来越多的新型材料出
现，焊接技术也得到不断改进，出现了许多新的埋弧 焊技术，其中最主要的技术之一就是多丝埋弧焊⑶0
多丝埋弧焊技术以其高效率、大熔深、高焊缝质
量等多方面特点已被越来越广泛的应用，而影响多 丝埋弧焊技术生产效率和质量的最关键因素在于焊 接工艺⑷。近年来，越来越多的船舶与海工行业开
始采用多丝埋弧焊设备，来进一步提高生产效率以 及焊缝质量⑸0
在多丝埋弧焊技术中比较成熟的是双丝埋弧焊 技术⑷，对于三丝埋弧焊技术还有很大的研究空 间。由于三丝埋弧焊用前导的单丝增加熔深，后置
的集成冷丝埋弧焊增加熔敷率，所以采用这种工艺 熔敷率比单丝埋弧焊大幅提高，同时焊接效率也有
极大提升，人力消耗大量减少，提高了生产进度° ] 0
1三丝埋弧焊焊接工艺试验理论依据
如果使用单丝埋弧焊技术焊接厚板，为了提高 焊接速度，必须增加单位焊丝填充量，在不改变材料 参数的情况下，就只能通过加大焊接电流或者电弧
电压的方式加速熔丝熔化。但是由于热量输入量增
大，热循环过程加快，会造成熔敷后金属金相组织粗 大，冲击性能降低的后果。并且熔池中熔化金属
可
能摊开不及时，会形成狭窄焊道，造成焊缝堆叠，成 型粗糙等缺陷⑻。
焊丝的金属熔敷率的大小主要受焊接电流、焊
丝干伸长和焊丝直径等因素影响。在相同焊接热输
入条件下，单丝焊接电流比多丝电流要低，增加焊接 电流，电弧热输入变大，其熔敷率提高° ]，所以在三
丝埋弧焊过程中的热量损耗比单丝埋弧焊热量损耗
要低。与单丝埋弧焊相比，采用三丝埋弧焊能大大
提高焊接熔敷率0
在焊接热输入一定的条件下，提高焊接速度，焊
接电流相应增加，从而焊件上的电弧力也增大，焊接
收稿日期：2219T0-23
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51425416)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2214EEQ224)；烟台市科技发展
计划(2213ZH084)o
通信作者：应华(278497163@qq. com )，副教授，硕士，主要研究方向为计算机辅助制造和机械装备设计制造。
56烟台大学学报（自然科学与工程版）第34卷
熔池变大。在本工作中考虑的焊接条件范围内，焊缝宽度受前导弧的显著影响：10：，而由中弧和尾弧穿透。随着电流的增加，弧柱直径也增大，熔宽也相应的有所增加：11：，焊缝宽度和熔深与相应的实验结果吻合较好。
三丝埋弧焊接时热丝热输入量大，液态金属存在的时间较长，相对于单丝电弧的冷却速度较慢，熔敷金属中的微量元素有较长的时间扩散，冷却度降低使成分偏析现象减少，同时，冷却速度也影响形成的晶粒尺寸，晶粒变细，晶界所占比例变大，偏析程度降低：12：0
2三丝埋弧焊焊接工艺试验21焊接试验准备
试验所用母材为DH36高强度船体用结构钢，厚度25mm，试件屈服强度483MPa，抗拉强度584 MPa，伸长率225%，其主要化学成分见表1o三丝焊接时采用单热丝、双冷丝的组合方式，试验用焊丝牌号为CHW-S3，其熔敷金属机械性能（配合焊剂CHF101）和主要化学成分见表2o试验焊接时先用二氧化碳气体保护焊做打底焊接，焊接坡口背面加陶瓷焊接衬垫，焊从正面焊，双面一次成形。加衬垫可使背面焊缝成型饱满美观，焊迹整齐。采用该方法焊接时电弧稳定，能有效保证焊接质量，极大的改善焊工的工作条件，缩短焊接任务的施工周期。
试验钢板DH36N化学成分
Tab.1Chemical composition of test steel plate DH34N%
表1
元素C Mg Si S P Ce Ni Cu Mo 含量0.12 1.460.170.0060.4100.0240.0060.0070.004
表2试验焊丝CHW-S3化学成分
Tab.2Chemical composition ot tesi wire CHW-S3%
焊丝直径0/mm
元素----------------------------------------
4 1.5
C0.0940044
Mg 1.05 1.07
Sn0.0610042
S0.0040010
P0.0140014
Ce0.022
<0014
Cu0.0420.052
三丝埋弧焊电源类型采用直流反接的形式，前置焊丝倾角为79。，以获得最佳熔深，中间焊丝垂直于
钢板，后置焊丝向前倾斜，倾角为101。，这样可以使焊道表面平滑。焊丝间距为23mm，焊丝干伸长15〜20mm，焊丝间距的布置对焊缝宽度有着重要影响，随着焊丝间距的增大，焊缝宽度会逐渐增加，同时余高有所降低，反之亦然。由于在焊接过程中需要前置热丝提供的热量将其熔化，所以焊丝间距也不宜过大。合理布置焊丝伸长量、焊丝倾角以及焊丝间距，是工艺中不可忽视的重要技术点。同时，试验中采用偏置焊丝倾角以及略大的焊丝间距能够拉长电弧距离，从而有效抑制电弧磁偏吹现象。图2为焊接工序。
2.2焊接试验过程工艺
试验焊接形式为对接平焊，其接头坡口形式如图1o
55。±5。
图1焊接坡口
聚乙二醇辛基苯基醚Fig.1Welding groove di a r a m
陶瓷衬垫
图2三丝埋弧焊焊接工序
Fig.2Diagram of three wire submeged are welding
试验过程一共6层焊道，前2层采用二氧化碳气体保护焊打底焊接，中间3层为三丝埋弧焊填充焊接，最后一层用单丝埋弧焊盖面焊接。二氧化碳气体保护焊打底焊接因较好的焊接稳定性在埋弧焊工艺中较为常见。第4,5层采用三丝埋弧焊接，
层
第-期魏 杰，等：船用DH36厚钢板的三丝埋弧焊工艺开发与研究
47
钢筋塑料垫块
间温度最低34 °C，最高222 °C 0最后一层盖面使用 过程，以获得良好的焊接表面质量。试验过程各项
单丝埋弧焊也是考虑到单丝焊接时更易于控制焊接
参数见表30
表3三丝埋弧焊试验过程参数
Tab. 3 Test process parameters of tUree wire submerned arc welding
注：表格中只有0个冷丝送丝速度。
焊道
焊接方式
冷丝速度"/
(cm • min -1 )焊丝直径焊接电流
77 A 电压〃/V
行进速度"热输入Q/道层温度
T/ C
前
后
1
FCAW - G 1.2172■U8227-2212232222-2224422
2
FCAW - G
1.2
172■U8227-22
1227
2527-222332
3
SAW 222
522-554
24-2734222322-2225
42
2-1
SAW 122522
222722-774
22-23
5127
3221-37221152 -2
SAW 93297222492-70237-3922293527-3222
1255-1SAW 93297222492-70239-21
24223522-3723122
5-2SAW 93
297
222492-722
22-212229
3224-2222222
4-1
SAW 222572-52222-3233232227-31.91224-2SAW 222572-52222-3235212723-2922
1224-3
SAW
222
572-52229-32
3229
自动脱水拖把2222-2929
122
三丝埋弧焊由于使用单热丝、双冷丝进行焊接, 用前导的单丝增加熔深，后置的集成冷丝埋弧焊增
加熔敷率，采用该种工艺焊接金属熔敷率可焦比单
丝埋弧焊约增加3倍，降低焊接变形，更高效率打底 和更平滑盖面，因此可大幅度提高焊接效率，提高生
产进度0
2.2焊件质量分析
焊后焊件的焊区分布如图30对样品件d mm X W mm X 54 mm ）做各项力学性能测试，包括 -22 C 横向V 型冲击试验，拉伸试验,182。2倍径
侧弯试验以及IO 。N 负荷下维氏硬度检测，其所有
数据均符合CCS 标准。部分试验数据见表4—40
表-拉伸试验结果
Tab. 3
TeesUe test results
样品 编号
极限拉伸载荷
Q//N
极限单元压力
F n /MPa
断裂位置TT133722522
母材TT2
33522
514
母材
表5冲击试验结果
Tab. 3 Impaei test results
样品编号
位置吸收能量A//
1
52
A 组
2焊缝中心125
31221
222
B 组
2
熔合线2233
222
1
231
C 组
2
距熔合线2 mm 2133
219
1
222
D 组
2
距熔合线5 mm 2233
222
1
124
F 组
2
距底面2 mm 1253
122
54烟台大学学报（自然科学与工程版）第34卷
表5维氏硬度试验结果
Tab.2Haregess test resulta
组
序号
12345673417111217141717171717
A1711711717317517522322177ll m177173177177173174177177 B177175175173177177177171173175175173133171174174177177174
图3焊接分区
Fig.3Welding areas
焊后对样品件做金相组织分析。母材区如图材料晶粒尺寸统一，组织均匀，以铁素体为主，通过6选取母材中的10个部位进行观察。如图5，母材截线法可得晶粒尺寸约为10pm。
图4宏观组织概貌
Fig.2Overview of macre oreanization
图5母材金相照片
Fig.3Metanovraphy of bass metal
焊接区域1组织出现如图6所示的黑夹杂将会降低DH36钢的力学性能（屈服强度，韧性）。区域3、4、6组织状态与区域1相似。图7焊接区域2组织仍以铁素体为主，晶界尺寸明显增大并且出现了沿晶界向内生长的板条状铁素体。
图3，区域5的组织主要以粗大铁素体和细小板条状铁素体为主。出现原因是焊接过程在区域5的能量密度较大，导致DH36钢出现了组织优化，但是冷却速度的影响导致晶粒尺寸不一，部分区域组织细化。图4区域7与区域5金相图分析结显示区域7组织状态明显优于区域5。
观察区域4的金相组织图片，区域7和区域
4
第1期魏杰，等：船用DH36厚钢板的三丝埋弧焊工艺开发与研究59
图6区域1金相照片
图8区域5金相照片
Fig.8Metallography of area5皮革涂饰剂
6三丝埋弧焊与单丝埋弧焊工艺对比对于25mm厚度的DH36钢板，如果仅靠单丝埋弧焊焊接，其焊接工艺要复杂得多。图1为其中一种单丝埋弧焊焊接厚板的焊接顺序示意图。该焊接过程使用了与三丝埋弧焊过程相同规格的母材、相同的焊丝、焊剂，其试验过程各项参数见表7，该试件另一面试验过程各项参数见表8。
图9区域7金相照片
Fig.8Metallography of area7
从表7和表8可以看出，使用单丝埋弧焊技术在焊接厚钢板时，采用了双面开坡口焊接的方式以减少焊
道数量、提高焊接速度。尽管如此，其工序仍比三丝埋弧焊复杂。双面焊接所得焊件的表面质量不如单面焊接，且坡口的加工也要花费更多的工时来完成。目前双面坡口焊接需要碳弧气刨、清根处理以达到所需焊件质量，其焊接工艺复杂且不够成熟。
图10单丝埋弧焊焊接工序
Fig.10Schematic diapram of submerged are welding
另外，三丝埋弧焊过程中热丝的热输入要比单丝埋弧焊略高，因为三丝埋弧焊中的2根冷丝不接入电流电压，需要热丝释放的热量将其熔化进行熔敷，由于冷丝的存在使在相同焊缝填充量时，其整体焊接热输入大幅度减少，比单丝焊接时热输入要小很多。即使焊接过程中焊行走速度略低于单丝埋弧焊，因2根冷丝也在不断吐丝其熔敷速度仍然高出单丝焊接很多。在一根热丝间增加冷丝可以起到稳定熔池的效果，使焊接更稳定；既保证了焊接熔深又增加了熔敷速度。三丝埋弧焊的熔敷速度较单丝能提咼1倍以上
。
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