双丝气电立焊工艺焊缝成形研究
摘要：68mmEH40 钢板采用双丝气电立焊工艺进行焊接试验时，根部位置易出现未焊透缺陷，同时板厚中心位置出现夹渣、未熔合缺陷。本文通过分析根部间隙及马板厚度对焊缝背面成形的影响规律，发现背面成形宽度对根部间隙的变化非常敏感。当装配采用的马板厚度不足时，根部间隙将发生明显收缩，从而导致背面无法焊透。同时，若正面焊丝在靠近板厚中心位置的停留时间太短，容易出现板厚中心夹渣、未熔合缺陷。
1、引言
随着公司进一步开发万箱级以上超大型集装箱船型，舱口围区域高强度船用钢板将 越来越厚，采用传统的多层多道 CO2 焊接工艺，在质量和效率上远远不能满足公司批 量生产超大型集装箱船的要求。
采用能够承受 400-500KJ/cm 大热输入的大线能量钢板，配合双丝气电立焊技术， 可以实现 68mm 钢板的单道高效焊接，能够有效缩短超大厚度高强度钢板的焊接周期， 提高建造效率和质量。
本文采用宏观金相照片，观察焊缝截面的轮廓，并测量其成形尺寸，包括正面及背 面焊缝宽度等。通过对比不同焊接条件下的宏观照片，研究影响双丝气电立焊过程中， 根部间隙及马板厚度对背面焊缝成形的影响规律，以及焊丝停留时间对板厚中心坡口熔 合的影响。
本文的研究有助于掌握几个关键因素对焊缝成形的影响规律，并制定出相应对策， 可有效保证焊缝质量，有利于实现双丝气电自动立焊工艺的实船应用。
2、关键技术
双丝气电立焊时，两根焊丝的位置见图 1 所示。背面焊丝距离坡口根部 28-30mm， 有利于熔敷金属铺展过去熔化根部，实现焊缝反面成形；正面焊丝距离背面焊丝 20mm， 并向正面摆动 10-12mm，确保板厚中心的熔合及正面焊缝的成形。
当背面焊丝距离坡口根部太远时，根部位置温度太低，熔渣将在此析出，填满根部 间隙，阻碍焊缝反面成形。当背面焊丝距离坡口根部太近时，一方面喷嘴可能与坡口发 生导电，阻碍正常焊接，另一方面当喷嘴上粘附上熔渣时，可能因为间隙太小而阻碍行 走机构向上爬行。
坡口正面开口宽度较大，约 32-33mm，当坡口出现机加工误差时甚至能够达到36mm。为了实现板厚中心位置良好熔合，正面焊丝必须在靠近板厚中心的位置做适当 停留；为了保证正面坡口两侧熔合良好，焊丝必须向正面摆动 10-12mm 的距离，并在 距离正面 8-10mm 处做适当停留。摆动距离不能太小，太小则正面坡口边缘处温度太低， 析出熔渣阻碍焊缝与母材熔合；摆动距离太大，则正面焊丝与背面焊丝距离太远，板厚 中心温度不够，同样会导致未熔合缺陷。
正面铜滑块成形槽宽度为 43mm，太小则熔渣不易漏出，造成焊接过程不稳定；太 大则可能出现熔池塌陷，从滑块下端漏出，使得焊缝无法成形。
3、试验过程
试验分 A、B、C 三组进行（见表 1），其中 A 组改变坡口间隙，B 组改变背面安装 的马板厚度，C 组改变正面焊丝的停留时间。每组试验中只改变一个参数，分析各个参 数对焊缝成形的影响。
3.1A 组试验
对于常规焊接方法，根部间隙是保证背面焊透的主要因素。根部间隙太小，容易导 致未焊透；但根部间隙太大，则使得焊缝填充量大大增加，对于双丝气电立焊工艺，更 意味着焊接热输入大大增加，无法保证焊缝的力学性能。焊材厂家推荐的标准根部间隙 为 8mm，本组试验根据坡口间隙不同分为 A1、A2、A3 三次试验，其中 A1 中坡口间 隙为 7mm，A2 中坡口间隙为 8mm，A3 中坡口间隙为 9mm。
3.2B 组试验
焊接过程中采用合适的工装，通过增加结构的刚性，可有效防止焊接变形。造船厂 中针对对接焊缝，最常见的工装方法即采用马板进行装配，避免根部间隙收缩。常规单 丝气电立焊时，马板厚度为 10-15mm，安装间距为 250mm。本组试验中，B1 中采用 和常规单丝气电立焊时相同厚度的 13mm 马板装配，B2 采用较厚的 20mm 马板进行装 配。两次试验中马板的装配间隔保持一致，均为 250mm，一米长焊缝的背面共安装 3 块马板。
3.3C 组试验
为保证坡口两侧与焊缝熔合良好，正面焊丝必须沿板厚方向进行摆动。摆动时两端 的停留时间，不影响整体的焊接速度。但停留时间的长短，会不会影响板厚中心的熔合， 需要通过试验来确定。C 组试验中根据正面焊丝停留时间不同，分为 C1、C2 两组。其 中 C1 中焊丝在靠近正面时停留 2S，在靠近背面时停留 1.5S；C2 中焊丝在靠近正面时 停留 1.2S，在靠近背面时停留 0.8S。
4、试验结果及分析
4.1A 组试验结果及分析
如图 3 所示，A1 中背面成形宽度为 12mm，A2 中背面成形宽度 15mm，A3 中背 面成形宽度 20mm。随着根部间隙的增大，铺展过来的熔融金属增多，传导过来的热量 同时增加，能够熔化更多的母材，导致背面成形宽度明显增加。
焊缝背面的成形宽度对根部间隙的变化非常敏感：根部间隙发生 1mm 的变化，可 能导致背面成形宽度变化 3-5mm。因此，焊前必须进行严格的装配检查，确保根部间 隙在要求的范围之内。同时，本组试验也验证了——当根部间隙控制在标准间隙的± 1mm 以内，根部均能保证焊透，实现焊缝良好成形。
4.2B 组试验结果及分析
采用 13mm 马板装配时，根部间隙发生明显收缩，由 8mm 变为 4mm，反面无法 成形，同时在靠近根部位置出现未熔合现象。采用 20mm 马板装配时，有效防止了根部 间隙的收缩，反面成形良好，成形宽度 14mm。
常规单丝气电立焊只能焊接厚度在 30mm 以下的钢板，焊接热输入在 100-200KJ/cm；而双丝气电立焊能够焊接厚度为 50-68mm 的钢板，焊接热输入能够达 到 350-500KJ/cm，焊接过程中的热输入相
差 2-3 倍。因此，两种不同工艺过程中，收 缩变形时产生的应力差别非常大。常规单丝气电立焊采用 10-15mm 的马板即可实现刚 性固定，防止收缩变形。而双丝气电立焊必须采用更厚的马板进行装配，才能避免根部 间隙发生明显收缩。
4.3C 组试验结果及分析
由图 8 中宏观照片可知，试验 C1 中焊缝与母材熔合良好；试验 C2 中由于停留时 间较短，在板厚中心位置出现了夹渣、未熔合现象。
当焊丝向正面摆动时，板厚中心位置的熔池温度下降，少量熔渣从坡口边缘析出。 当焊丝向中心位置摆动时，电弧无法直接熔化坡口两侧，只能通过停留一定时间，使得 中心位置的熔池温度升高，从而实现与坡口的良好熔合。若停留时间过短，积累的热量 不足，中心位置的熔池温度太低，坡口边缘的熔渣无法重新熔化，导致板厚中心坡口边 缘出现夹渣，无法与母材熔合良好。
因此，实际焊接过程中必须保证正面焊丝足够的停留时间，尤其摆动到靠近板厚中 心位置时，停留时间太短很容易导致板厚中心出现夹渣、未熔合缺陷。
5、结论
5.1双丝气电立焊时，背面焊缝成形宽度对根部间隙的变化非常敏感，随着间隙的 增大，成形宽度明显增加。
5.2根部间隙控制在 8±1mm 以内，均能实现背面焊缝良好成形。
5.3双丝气电立焊实际应用时，必须采用 20mm 以上的马板进行装配，避免焊接过 程中根部间隙发生明显收缩，导致焊缝背面无法成形。
5.4正面焊丝摆动过程中，尤其在靠近板厚中心位置时，必须保证足够的停留时间，以实现焊缝与母材的良好熔合，避免板厚中心出现夹渣、未熔合缺陷。