〔摘要〕 通过对普通埋弧焊工艺参数的优化组合试验，使优化后的焊接工艺能在改进的埋弧焊设备上成功地进行厚壁容器窄间隙环缝焊接，使厚壁容器环缝焊接的生产效率明显提高，焊接材料和能源消耗大大降低，综合生产成本显著下降。

埋弧焊焊接工艺是一种焊接生产效率较高的焊接方法。经过长期的发展，工艺相对比较成熟，能适合于各种钢铁材料的焊接。另外，其焊接工艺特点决定了焊接电弧稳定、焊接区域能够得到良好保护等优势，即焊缝金属致密，力学性能良好，焊缝外观成形平整光滑，焊接质量稳定，而且焊接过程中无明弧光的刺激，劳动条件较好，对焊工技能水平的依赖性小，焊接过程易实现自动化。现正在造船、锅炉、压力输送管道以及压力控制装置等装备制造业中广泛应用。

近年来，随着装备制造业的发展，焊接工件的厚度越来越大，对焊缝的质量要求越来越高。采用传统的埋弧焊工艺，显然不能适合当前形势发展的需要。窄间隙埋弧焊焊接技术的出现，解决了大厚度工件焊接的技术问题。但由于窄间隙埋弧焊设备的一次性投资成本较大，从而影响到该工艺的推广应用。本文通过对导电杆、导电嘴及焊剂料斗的改进，以及对工艺参数的优化，使厚壁容器环缝焊接在原有的埋弧焊设备上实现窄间隙埋弧焊，从而提高焊接的生产效率。

1. 窄间隙埋弧焊工艺特点及技术难点
（1）窄间隙埋弧焊工艺特点 窄间隙埋弧焊是一种以变通埋弧焊工艺为基础而发展起来的焊接工艺方法。窄间隙埋弧焊的焊接坡口窄，焊缝截面积小，填充金属量少，可节省焊接材料和能源的消耗，提高焊接生产率。窄间埋弧焊的后层焊道对前层焊道的重复加热，起到了对前层焊道的回火作用；焊接坡口变窄，焊接接头总的焊接热输入量低，焊接接头热影响区域减小，因此焊接接头的力学性能得到了改善，特别是对提高焊接接头的抗裂性能和冲击韧度效果比较显著；由于熔敷金属量减少，焊接接头中氢含量有所下降，焊接接头的应力水平和变形量也有所降低。

（2）窄间隙埋弧焊技术难点 为了使窄间隙埋弧焊技术在原有的埋弧焊设备上进行厚壁容器环缝的焊接，除了通过对导电杆、导电嘴及焊剂料斗进行改进外，尚需解决以下技术难点：首先，要选择适合普通焊接设备的焊接坡口形式； 其次，选择合适的焊道排列形式； 再次，就是选择优良脱渣性能的焊剂，保证环缝焊接过程的连续性和优质焊缝；最后，选择合适的焊丝材料和直径及合理的焊接工艺规范参数，确保焊缝的焊接质量。

2. 窄间隙埋弧焊工艺试验
（1）焊接坡口形式的选择 普通埋弧焊焊接坡口一般设计为单面V形，如图1所示。该焊接坡口对于厚度在30mm以下的工件是比较合适的，但随着工件厚度的增加，单面V形坡口的截面积增加的幅度就更大，焊接工作量相应增加很大。因此对于大厚件工件的焊接，为了减少焊接工作量，其焊接坡也有采用双面V形的，如图2所示。 [p=30, 2, center]http://bbs.toweld.com/attachment/month_1008/1008081550be1f5a87d071600a.gif?32 [/p][p=30, 2, center]http://bbs.toweld.com/attachment/month_1008/1008081550fa1c182c7105347d.gif?17 [/p][p=30, 2, left]

虽然以上两种焊接坡口形式能够满足普通埋弧焊设备的焊接要求，但大厚度管道环缝采用双面V形焊接坡口时，接工作需要在管道的内、外壁进行双面焊接；小直径管道环缝采用双面焊接时，焊接设备及焊工进入筒体进行施焊就比较困难。这种工艺不仅增加了焊接的难度，还恶化了焊接环境。所以为了改善焊接条件，减小焊接工作量，需要将V形或双V形焊接坡口形式改进为窄间隙焊接坡口形式。
为了能在现有的设备上进行厚壁容器环缝焊接，同时又要有高的生产效率，我们改进了焊接坡口，以达到窄间隙焊接的目的。
改进后的焊接坡口如图3所示。由于焊缝变窄，坡口角度变小，使填充的熔敷金属量明显减少。经比较计算，大约可减少30％～50％的焊接工作量，尤其是在厚板焊接时更为明显。因为窄间隙埋弧焊是利用原有埋弧焊设备进行焊接，在焊接坡口变窄的情况下，需要对焊接设备的导电杆、导电嘴及焊剂料斗进行改进，使导电杆、导电嘴及焊剂料斗能进入焊接坡口，满足窄间隙埋弧焊工艺的要求。[/p][p=30, 2, center]
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（2）焊道排列形式的选择 窄间隙埋弧焊焊道排列主要有三种形式，即每层单道焊、每层双道焊（如图4所示）及每层三道焊（很少采用）。
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每层单道焊只能焊接很窄的焊接坡口，但对焊接设备的要求高，对焊剂的脱渣性能要求更为苛刻。由于其工艺性能差，极易引起坡口侧壁的未熔合、夹渣和咬边等焊接缺陷。

每层双道焊适合中等厚度钢板的焊接坡口，对焊接设备的要求有所降低，对焊接设备的要求有所降低，对焊剂的脱渣性能要求也有所降低，焊接工艺性能大为改善，铡壁未熔合、夹渣、咬边等焊接缺陷明显下降。因此，每层双道焊焊道排列形式被广泛应用于中等厚度钢板的焊接。
每层三道焊适合超厚度板较宽的焊接坡口，对焊接设备的要求更低，对焊剂的脱渣性能要求也更为降低，焊接工艺性能大为改善，但填充的熔敷金属量明显增加，因此该焊道排列形式在窄间隙埋弧焊中很少采用。
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在厚壁容器环缝的窄间隙埋弧焊焊接工艺试验中，我们对每层单道焊和每层双道焊的焊道排列形式进行了试验（见表1）。试验结果表明，在窄间隙埋弧焊焊接工艺中宜采用每层双道焊的焊道排列形式。

（3）焊剂的选择 焊剂的优良工艺性能，尤其是脱渣性能是影响埋弧焊焊接质量的的关键因素。这主要是由于埋弧焊焊缝焊后形成的焊渣两侧边缘咬进了焊接坡口的侧壁面，致使焊渣难以从焊接坡口中脱落，从而影响环缝的连续焊接。一旦焊渣清除不干净，极易形成焊缝夹渣等焊接缺陷，这是影响窄间隙埋弧焊焊接质量的关键。
压力管道的焊缝不仅有强度要求，而且还有冲击韧度（特别是低温冲击韧度）要求。为了确保焊缝金属综合性能指标达到标准要求，焊剂一般选择为碱性的烧结型焊剂。而焊剂碱度是影响焊后脱渣性能的主要因素，碱度越高，其熔敷金属的粘度越高，熔敷金属的表面张力越大，此时形成的熔敷金属的表面形状为中间凸起，两边凹陷。此种表面形状极易使焊渣嵌入两边的凹陷处，致使焊渣与两边凹陷处咬合得比较紧，造成焊后脱渣困难，所以要选择碱度合适的焊剂，确保焊渣的脱渣性能良好。

我们通过对以下几种碱性烧结型焊剂（进口OP121TT，CHF101和CHF105）进行了焊后脱渣性能及电弧稳定性的工艺试验，见表1。试验结果表明：采用每层单道焊的焊道排列形式，其焊后脱渣性能较差，很难应用于窄间隙埋弧焊；而采用每层双道焊的焊道排列形式，焊后脱渣性能有了明显的改善，且国产焊剂基本都能满足每层双道焊的焊道排列形式的焊接。从焊后的脱渣性能和经济性方面考虑，决定选用较CHF101和CHF105焊剂。在焊接接力学性能方面，将对焊丝与焊剂的匹配做进一步的工艺试验。

（4）焊丝直径的选择 在窄间隙埋弧焊焊接中，焊丝一般选用为大直径（ф4.0mm）。采用大直径的焊丝可获得较大的熔敷效率，提高焊接生产率。但大直径焊丝刚性大，在原有埋弧焊设备上不利于每层双道焊的人工焊道排列。因为每层双道焊接时，焊接导电杆的头部导电嘴需要靠人工调节，实现每层双道焊的排列形式，来保证两侧壁的熔合。而且采用大直径焊丝，其刚性较大，容易造成导电嘴的过度磨损，从而影响焊接是丝与侧面距离，影响焊接电弧的稳定性和焊后的渣性。因而，从保证焊接质量的角度考虑，对于在原有埋弧焊设备上进行的窄间隙埋弧焊，采用每层双道焊的焊道排列形式，焊丝直径选用2.4mm为宜。

（5）焊接参数 焊接参数选择的正确与否，是影响窄间隙埋弧焊焊接质量的关键。所以合理地选择焊接参数，才能确保窄间隙埋弧焊焊接过程的稳定。
第一，焊接电流。焊接电流主要是根据焊丝直径及焊接坡口的形式选定的。焊接电流过大，有利于提高焊接熔敷效率，增加焊缝金属的熔深，但对焊后脱渣性能有一定的影响，特别是对焊缝金属的低温冲击韧度影响较大，所以不宜选用过大的焊接电流；焊接电流过小，对焊后的脱渣性能也有一定的影响。所以选择合适的焊接电流对窄间隙埋弧焊的焊接至关重要。以ф2.4mm焊丝为例，其焊接电流一般应控制在400A以下为宜。
第二，电弧电压。电弧电压是影响焊缝金属的熔深和熔宽的主要参数。对于窄间隙焊接坡口的焊道应采用较低的电弧电压。但电弧电压过低时，易产生侧壁未熔合的焊接缺陷；电弧电压过高时，易产生侧壁咬边的焊接缺陷，焊后的脱渣性能变差，影响环缝的连续焊接。为了获得良好的焊缝质量，对每层双道焊焊接工艺，以ф2,4mm焊丝为例，其电弧电压一般控制在30～36V为宜。
第三，焊接速度。焊接速度应与焊接电流和电弧电压相匹配。当焊接电流一定时，过高的焊接速度会产生焊缝的未焊透及焊缝表面粗糙，焊渣不宜脱落；过低的焊接速度会造成焊缝的余高和熔宽过大，同样会使焊渣不易脱落。焊接电流在400A以下时，窄间隙埋弧焊的焊接速度一般控制在25m/h左右。
（6）窄间隙埋弧焊焊接工艺评定试验 根据已确定的焊接参数，我们对15MnNiDR的材料，分别采用国产焊丝H10Mn2和H08MnA，焊丝直径为2.4mm，与国产焊剂CHF101和CHF105组合匹配进行焊接工艺性能试验和焊接工艺评定试验。根据焊接工艺性能试验的情况及焊接接头的力学性能试验数据，最终确定最佳的焊丝、焊剂组合匹配。根据材料标准及设计要求，15MnNiDR的抗拉强度σb≥460Mpa；－40℃横向冲击功Akv≥27J。焊接工艺性能试验及焊接工艺评定试验结果见表2。
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通过焊接工艺性能试验及焊接接头力学性能试验，试验所选用的国产焊剂CHF105与国产焊丝H10Mn2的组合匹配，满足了15MnNiDR窄间隙埋弧焊焊接工艺的要求，焊接接头的力学性能能够满足标准及设计要求。



通过焊接工艺性能试验，焊接接头的硬度<22HRC，符合《NACE StandardMR0175－2002item No.213042ZGU》标准的5.3.1.2条款规定；采用CTOD试验评定焊接接头的断裂韧性，试验证明该焊接接头的焊接应力较小，可以在不进行焊后热处理的情况下使用。
（7）窄间隙埋弧焊焊接工艺在厚壁容器焊接时的注意事项 通过对窄间隙埋弧焊焊接工艺试验及焊接工艺评定试验所确定的最佳焊丝、焊剂匹配组合，其焊接接头的力学性能满足了材料标准及设计的要求，但这仅是一个开始，对于以后的产品环缝焊接，应灵活应用，并正确地掌握和选择焊接工艺参数，以获得优质焊接质量。窄间隙埋弧焊焊接时除了必须严格遵守焊接作业指导书规定的操作要求外，还应注意以下几点：①由于高碱度的烧结焊剂容易吸潮，因此在焊接前对焊剂应严格按说明书规定的要求进行烘干。②焊接前应对焊接坡口表面进行严格的清理，特别要去除油污、锈斑等污物。③焊接坡口的制备必须严格按照工艺及图样设计的要求进行。

3. 结语
通过对埋弧焊工艺参数的优化组合试验，不仅实现了埋弧焊设备施焊厚壁容器窄间隙环缝，而且使厚壁容器环缝焊接的生产效率明显提高，焊接材料和能源消耗大大降低，综合成本显著下降。