（材料加工工程专业论文）ycjeg50气电立焊药芯焊丝的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气 体保护电弧焊方法。目前气电立焊焊接材料主要采用( 金属芯) 药芯焊丝，其 特点是：生产效率高、成本低。气电立焊属于窄间隙焊，与其它窄间隙焊的主 要区别是焊缝一次成型，而不是多道多层焊。所以其焊接效率及焊接质量均较 高，主要应用于船舶的外壳板的中厚板焊接，也可应用于相应尺寸的桥梁箱式 梁腹板及大型储罐侧板的中厚板的焊接。目前通过船级社认可的c 0 2 气电立焊 药芯焊丝全部为国外厂商，而国内研究生产的焊丝常常出现焊接力学性能不稳 定的情况，不能满足国内客户的需求。所有气电立焊药芯焊丝的使用全都依赖 进口，而国内目前应用最多的是日本神钢生产的d w s - 4 3 g 和d w s - 1 l g 两种气电 立焊药芯焊丝。 为了改变船体厚板气电立焊药芯焊丝全部依赖进口的现状，实现焊接材料 国产化，我们研制了适用于厚板焊接的气电立焊药芯焊丝，牌号为y c j e g 5 0 。通 过分析气电立焊大线能量、焊缝金属力学性能，特别是韧性难以达标的焊接工 艺特点，分析了熔渣中各种化学成分及含量对焊接工艺性能的影响；通过金相 分析、微区能谱成分分析及显微硬度测试，分析了合金元素对熔敷金属组织和 力学性能的影响。最后通过药芯焊丝生产试验，保证下粉容易，拉拔成型的工 艺性能。实验结果表明：渣系应采用c a o - - m g o - - s i 0 2 型渣系。c a f 2 有良好的脱 氢效果，而且是主要的造渣剂和稀渣剂，并与s i 0 2 、t i 0 2 、m g o 和a 1 2 0 3 共同 作用，改善熔渣性能。合金系统确定为m n n i t i 系的药芯焊丝，焊接工艺性能 和焊缝熔敷金属的力学性能良好。在药芯焊丝粉芯中加入了适量的金属粉和合 金粉，如t i - - f e 、一f e 、镍粉和还原铁粉它们除了起渗合金和脱氧、脱硫磷 的作用，还能提供电子，对稳弧和减少飞溅有一定作用。它们的氧化产物可进 入熔渣参与冶金反应，影响熔渣特性。焊缝金属组织和性能的研究表明：焊缝 组织细小，均匀，因而使得其拉伸断口中的韧窝细小均匀，冲击断口中出现大 量的撕裂痕，表明焊缝韧性良好；金相显微分析h a z 较窄( 4 m m 以下) ，并且粗 晶区较少，说明热影响区的性能也得到提高和改善。针对药芯焊丝生产过程中 下粉难的问题，通过大量造渣成分配比试验和粉料造粒处理工艺，最后确定减 少矿物粉含量，不加水玻璃，也不对粉料进行熔炼。解决了粉料下粉问题。粉 武汉理工大学硕士学位论文 料混合均匀，成型拉拔工艺较好。 最后，经过c c s 船用试验和上船性能试验，各项性能均满足国家船用标准， 部分性能甚至优于日本神钢的d w s 4 3 g 气电立焊药芯焊丝。 关键词：气电立焊，药芯焊丝，渣系，合金系统，力学性能，显微组织 i l 亟堡里三盔堂塑主堂鱼迨銮 一 a b s t r a c t e l e c 呐g a sw e l d i n gi sd e v e l o p m e n tf r o mac o m m o n m i gw e l d i n ga n de l e c t r o s l a g w e l d i n g ，a n dw h i c _ hi so n eo fm i ga r cw e l d i n gm e t h o d s n o w , m a t e r i a l so ft h e e l e 咖g a sw e l d i n ga r em a i n l y ( m e t a lc o r e ) f l u x c o r e dw i r e ，i t s f e a t u r e sa r e ：h i g h e f f i c i e n c ya n dl o wc o s t e l e c t r o g a sw e l d i n gf o rv e r t i c a l i san a l t o w 。g a pw e l d l n g ， w h i c hi sm a i l l l yd i f f e r e n tf r o mo t h e rn a r r o w g a pw e l d i n g , t h em a i n l yd i f f e r e n c ei s t h a tas h a p er a t h e rt h a nt h em u l t i - c h a n n e lm u l t i p a s sw e l d i n g t h e r e f o r e ，t h ew e l d i n g e ：f f i c i e n c va l l dw e l dq u a l i t ya r eh i g h ，e l e c t r o g a sw e l d i n g i sm a i n l yu s e di nt h ew e l d i n g o ft h e 觚p ss h e l lp l a t e s ，a n dc a na l s ob ea p p l i e dt ot h ec o r r e s p o n d i n g s i z eo ft h e b r i d g eb o x - t y p eb e a mw e b sa n dl a r g e - s c a l es t o r a g et a n ks i d eo f t h ep l a t ew e l d i n g c u r r e n t l y , t h ef l u x c o r e d w i r e sf o rv e r t i c a lc 0 2e l e c t r o g a sw e l d i n gw h i c ha r e a v a i l a b l et h r o u g ha u t h o r i z e d c l a s s i f i c a t i o ns o c i e t i e s a r ec o m ef r o mf o r e i g n m a 】a u f h 嘶e r s w h i l e ，t h ew e l d e dw i r e sw h i c ha r er e s e a r c h e d a n dp r o d u c e db y d o m e s t i cm a i n l ya p p e a r e du n s t a b l e ，a n du n a b l et om e e tt h ed o m e s t i cc u s t o m e r s a l l t h ef l u x o o r e dw i r ef o rv e r t i c a le l e c t r o g a sw e l d i n gd e p e n d s o ni m p o r t s i np r e s e n t ，t h e j a p a n e s eg o do fs t e e ld w s 4 3 ga n dt h ed w s - 1 l g , w h i c ha r et w ok i n g d so f f l u x c o r e dw i r ef o rv e r t i c a le l e c t r o g a sm o s tw i d e l y u s e di nw e l d i n gi nc h i n a mo r d c rt oc h a n g et h es i t u a t i o nt h a tt h ef l u x c o r e d w i r eu s e df o rv e r t i c a l e l e c 仃o g a sw e l d i n gt o t a l l yd e p e n d s o ni m p o r t s ，a n dt oa c h i e v el o c a l i z a t i o no fw e l d i n g m a t e r i a l s w eh a v ed e v e l o p e dak i n do ff l u x c o r e dw i r e f o rv e r t i c a le l e c t r o g a s w e l d i n gw h i c hi su s e df o rt h i c kp l a t ew e l d i n g ，b r a n do f y c j e g 5 0 t h r o u g ha n a l y z i n g t h ee l e c t r i c g a sv e r t i c a lp o s i t i o nw e l d i n g ，l a r g eh e a ti n p u t , w e l dm e t a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yt h et o u g h n e s so f t h ew e l d i n gp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i f f i c u l t t or e a c h m ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dc o n t e n to fs l a go nw e l d i n gp r o c e d u r ew e r e a n a l y z e d t h r o u g hm e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，e d sc o m p o s i t i o na n a l y s i so f m l c r o _ a r e a a n dm i c r o h a r d n e s st e s t i n g ，e f f e c t so fa l l o y i n gd e m e n t so nm e c h a n i c a lp r o p e r t l e s w e r ed i s c u s s e d f i n a l l y , t h r o u g ht h ef l u x c o r e dw i r ep r o d u c t i o nt e s t ，i tc a nb ee n s u r e t h a tp o w d e rf l o w ，d r a w i n gf o r m i n gp r o c e s sp e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c a o m g o - - s i 0 2 t y p es l a gs y s t e ms h o u l db eu s e d c a f 2h a sag o o dd e h y d r o g e n a t l o n 硪e c t ，a n di ti sa l s ot h em a i n l ys l a gc o m p o s i t i o na n dt h i ns l a gc o m p o s i t i o n m o r e o v e r , c a f 2t o g e t h e rw i t hs i 0 2 ，t i 0 2 ，m g oa n da 1 2 0 s c a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs l a g 1 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a l l o ys y s t e mi sd e t e r m i n e dt ob em n - n i t is y s t e m ，w e l d i n gp r o c e s sp e r f o r m a n c ea n d d e p o s i t e dw e l dm e t a lm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei sg o o d a p p r o p r i a t ea m o u n to f p o w d e rm e t a la n da l l o ya r ea d d e d i nt h ef l u x c o r e dw i r e ，s u c ha st h et i - f e ，m n - f e ，n i p o w d e ra n dr e d u c e di r o np o w d e r d e o x i d a t i o n , b e s i d e st h e yc a ni n f i l t r a t ea l l o y , a s t h er o l eo fd e s u l p h u r i z a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o n ，a l s op r o v i d ee l e c t r o n i c s ，m a k ea r c s t a b i l ea n dr e d u c et h es p l a s h i n g t h e i rp a r t i c i p a t i o ni no x i d a t i o np r o d u c t sc a ne n t e r t h es l a gm e t a l l u r g i c a lr e a c t i o n s ，a n da f f e c ts l a gc h a r a c t e r i s t i c s t h es t u d i e so fw e l d m e t a ls t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sh a v es h o w nt h a t ：w e l do r g a n i z a t i o ni sm a l l ，u n i f o r m ， t h u sm a k i n gi ts t r e t c h e do f ft h em o u t ho ft h es m a l ld i m p l e se v e n l y , t h ei m p a c to f t e a r i n go f ft h em o u t ho fal a r g en u m b e ro fm a r k s ，i n d i c a t i n gt h a tag o o dw e l d t o u g h n e s s ；m e t a u o g r a p h i cn a r r o w e rh a zm i c r o a n a l y s i s ( 4 m mo rl e s s ) ，a n dt h el e s s c o a r s eg r a i nz o n e ，i n d i c a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fh e a t - a f f e c t e dz o n eh a v ea l s ob e e n u p g r a d e da n di m p r o v e d f o rt h ed i f f i c u l tp r o b l e mo fp o w d e rf l o wi nt h ef l u x - c o r e d w i r ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h r o u g hal a r g en u m b e ro f s l a gg r a n u l a t i o np o w d e rc h e m i c a l c o m p o s i t i o nt e s t sa n dp o w d e rg r a n u l a t i o np r o c e s s ，a tl a s t ，w ee n s u r et h a t ：r e d u c et h e m i n e r a lc o n t e n to ft h ef i n a l i z a t i o no fp o w d e r , w i t h o u ts o d i u ms i l i c a t e ，a n dm e l t i n go f t h ep o w d e r w h i c hs o l v et h ep r o b l e mo fp o w d e rf l o w , p o w d e rm i x i n g , f o r m i n ga g o o dd r a w i n gp r o c e s s f i n a l l y , a f t e rt h ec c s t e s ta n ds h i p sp e r f o r m a n c et e s t ，t h ep e r f o r m a n c ec a nm e e t t h en a t i o n a ls t a n d a r d s s o m eo ft h ep e r f o r m a n c ee v e nb e t t e rt h a nt h ej a p a n e s eg o do f s t e e ld w s 一4 3 g k e yw o r d s ：e l e c t r o g a sw e l d i n g , d r u gc o r es o l d e r ，s l a gs y s t e m ，a l l o ys y s t e m ， m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，m i c r o s t r u c t u r e i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：童 叠 日期：丝望：坚：垒 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢引鹤) 引剔一叫弘 一 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 1 1 1 药芯焊丝国内外发展 随着科学技术，焊接技术的发展，新型材料的不断出现，焊接材料也在不 断发生着变化。近年来，药芯焊丝作为新一代的焊接材料，兼具气体保护实芯 焊丝、埋弧焊丝的高效率、自动化和品种多、适应面广、焊接工艺性能好等多 方面的优点，现已成为当今最具发展潜力的焊接材料，引领当代焊接材料的发展 方向。药芯焊丝以其生产效率高，焊接质量好，综合成本低，操作简便等无可 比拟的技术性和经济性，也受到国内外焊接界的极大重视。目前药芯焊丝已被 广泛应用于造船、桥梁、汽车、压力容器、铁路运输、海洋工程、管道、电站 建设、采矿、石化、重型机械、建筑机械、高层建筑等行业部门。纵观药芯焊 丝的发展史，从8 0 年代以来，药芯焊丝在日本，美国和欧洲就得到了迅猛发展。 日本从8 0 年代至l j 9 0 年代，1 5 年左右的时间药芯焊丝产量猛增了2 0 多倍，韩国、 美国药芯焊丝产量也迅速发展，有势不可挡之势。在日本，8 0 年代后期药芯焊 丝发展迅速，自从1 9 8 1 年首先将药芯焊丝收入造船业，近年来造船用药芯焊丝 已占气体保护焊用焊丝的9 0 ，只有1 是实芯焊丝，至i u l 9 9 0 年已增加到和美国同 一水平。在美国药芯焊丝消耗量已占总的焊接材料消耗量的1 7 。而对于气电立 焊药芯焊丝，据不完全统计，目前通过我国船级社认可的c 0 2 气电立焊药芯焊丝 见下表1 1 ，全部为国外厂商，国内目前应用最多的是日本神钢的d w s - 4 3 g 和 d w s 一】i g 表1 1 通过我国船级社认可的气电立焊药芯焊丝一览表 武汉理工大学硕士学位论文 我国从二十世纪六十年代末期开始研制药芯焊丝，一直到八十年代末期近 二十余年间，相继有十余个研究院所和企业进行了药芯焊丝的生产设备、生产 工艺和产品研究，由于当时国内与之配套的焊接设备和原材料条件的限制及技 术水平等原因，造成研究工作未取得实质性成果。国产药芯焊丝真正生产始于 1 9 8 7 年北京焊条厂从英国c p v 公司的c o r w i r e 工厂引进一条全连轧式药芯焊丝生 产线，但是直到1 9 9 5 年，药芯焊丝国产量一直很小。 近年来，国产药芯焊丝作为新型高技术焊接材料在国内迅速发展，我国药 芯焊丝的产量从1 9 9 6 年的不足千吨，发展到2 0 0 6 年十几万吨。2 0 0 6 年，我国 钢铁产量和钢材消耗量的总和达到4 亿吨时，焊材的产量达到3 0 0 万吨，国产 药芯焊丝的总产量也将快速增长，初步估计3 5 年后市场需求量将达到3 0 万 吨。十年时间增长了十几倍，但还有很大的发展空间。国内药芯焊丝与先进国 家仍存在较大差距【l 】： 一、从药芯焊丝生产产量的方面看，国内药芯焊丝企业比较分散，而且规 模小，大多数只有一两条药芯焊丝生产线。拥有多条生产线年产量达到5 0 0 0 t 的企业很少。现在，日本神户、美国林肯、韩国现代和欧洲厂家都积极拓宽药 芯焊丝在我国内的市场范围。 二、从药芯焊丝的质量来看，国内还没有世界级产品在国内外畅销。所以， 我们必须从药芯焊丝的原材料、生产装备、生产工艺和企业管理水平等方面进 行细致全面的工作，努力研究生产出具有特色的药芯焊丝，在药芯焊丝产量和 质量方面缩小与国外的差距。 三、我国是世界焊接材料生产大国，但不是焊接材料强国。 我国造船行业从2 0 世纪8 0 年代中期崛起开始，到目前为止，我国船舶建 造行业所需的焊接材料基本实现了自给自足。焊接材料的应用领域也从造船、 海洋结构行业逐步扩大到建筑、桥梁、重型机械、锅炉、压力容器、输送管道、 钢结构等多个行业。但像气电立焊药芯焊丝等依然依赖进口，这主要是其研制 技术难度太大，虽有单位涉及，但不能形成工业化批量产品。 焊接材料的研究和发展是与国家能源、电力、制造、建筑等相关金属制品 产业的发展息息相关的，目前我国正处于经济飞速发展的阶段，各类产业都进 入了飞速发展的黄金时期。在能源方面，国内在建的项目有西气东输工程、中 国石油储备战略；在电力方面，随着国内夏、冬季电力供应越来越紧张，国家 对电力供应结构也将做出重大调整，各地火电站建设纷纷上马，使得与之相关 的管道与压力容器的生产兴旺；在制造业方面，由于受中国进出口贸易稳步增 2 武汉理工大学硕士学位论文 长的影响，未来较长的一段时间内我国的造船业都将是满单生产，而且集装箱 产销量连续多年居于世界首位，同时世界各大汽车制造公司均有在我国投资建 厂的计划和行动；在桥梁、水利等基础设施建设方面，也可以预见我国在基础 项目建设上的投入仍然会不断加大。从微观上看国内经济发达地区为了提升城 市品位，改善居民生活质量，高层大跨度的钢结构设施的建设渐渐成为了一种 潮流。为了辅助以上产业的发展，国外许多先进的金属材料与生产工艺不断被 应用，这些都对国内焊接材料的研究提出了新的要求。 1 1 2 气电立焊发展概况 随着社会的进步、国民经济和科学技术的发展，焊接技术必然向着优质、 高效、节能和生产合理化、自动化的方向发展。目前我国已经成为世界级钢铁 产量大国，我国冶金高炉的建设和改造扩建规模已经越来越大，高炉的体积从过 去的几百立方米到现在的几千立方米，炉体的钢板也越来越厚，直接导致焊接的 工作量的增大。而且大型厚船板的焊接也相当耗时耗力。我国传统的冶金建设 施工均采用焊条电弧焊或c 0 2 半自动焊，劳动强度很大，而且远远满足不了施工 进度和建设质量的要求。针对冶金高炉的施工特点，气电立焊技术得到广泛的 应用。气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极 气体保护电弧焊方法。目前气电立焊焊接材料主要采用( 金属芯) 药芯焊丝， 其特点是：生产效率高、成本低。气电立焊属于窄间隙焊，与其它窄间隙焊的 主要区别是焊缝一次成型，而不是多道多层焊，效率很高。气电立焊的焊接技术 与电渣焊类似，依靠气体保护和电弧加热，但不像电渣焊采用电阻热加热，且 能量密度比电渣焊更高且更加集中，在焊接电弧和熔滴过渡方面，气电立焊类 似于普通熔化极气体保护焊( 如c 0 2 焊) ，而在焊缝成型和机械系统方面类似于 电渣焊，通常采用外加单一气体( 如c 0 2 ) 保护或混合气体( 如触4 - c 0 2 ) 保护， 它利用类似于电渣焊所采用的水冷铜块挡住熔融焊缝金属，使之强迫成型，以 实现立焊位置的焊接。由于其焊接效率及焊接质量均较高，所以主要应用于船 舶的外壳板的中厚板焊接，也可应用于相应尺寸的桥梁箱式梁腹板及大型储罐 侧板的中厚板的焊接。 焊接在船舶制造行业中是一项基本的加工手段，焊接成本占整个船舶制造 成本的3 0 左右，其中工时成本就占了焊接成本的一半以上。因此，在造船行 业提高焊接生产效率具有极其重要的意义，所以气电立焊有着很大的发展潜力， 但随之而来的也有一些问题亟待解决。随着现代焊接技术的飞速发展，多丝埋 3 武汉理工大学硕士学位论文 弧焊、气电立焊等高效焊接方法的采用，焊接热输入大大增加，高热输入焊接 时热影响区韧性下降的问题也日益受到关注。 根据厚板焊接的施工特点，推出了气电立焊，实现了厚板立缝的一次焊接成 形。气电立焊( 英文简称e g w ) 技术从2 0 世纪8 0 年代中期才引进我国，气电立 焊是一种全自动控制上升系统，配用专门的药芯焊丝，以二氧化碳气体保护进 行立体对接焊【2 】。气电立焊与电渣焊相比，除焊接方法和保护方式的变化外，气 电立焊显著的特点是采用了小的坡口角度和实现了更快的焊接速度，从而有效 地降低了焊接线能量，为焊接接头性能的提高提供了保证。焊接参数和坡口形 式同普通焊条电弧焊差别很大。焊接时，电弧轴线方向与母材熔深方向成直角， 熔化的焊丝金属堆积迭加，熔池不断水平上移，形成焊缝，其熔深产生所需热量 的传递方式与其它电弧焊有所不同，在焊缝的正面采用水冷铜滑块，焊缝的背面 采用水冷档排( 或衬垫) ，药芯焊丝送入焊件和衬垫以及铜滑块形成的凹槽中，熔 池四面受到约束，实现单面焊双面一次成形【3 】。气电立焊单面焊双面强制成形焊 接是一种高效率、高质量的焊接方法。这种焊接方法已经广泛应用于贮罐、船 体立缝的焊接当中。气电立焊的焊接效率是手弧焊的2 5 3 0 倍，且焊接成形美观， 质量优良。对于板厚范围在l o m m , 6 0 m m 的立缝采用气电立焊具有很大的优越 性。该技术在大直径厚壁桩管环缝焊接中收到了良好的效果【4 】。 对于气电立焊，过去我国整套设备都要从国外引进，也包括焊丝。主要应 用于石油天然气的储油罐建设。这些设备虽然操作简便且使用性能良好，但价 格十分昂贵，使国内一些中小企业无力购买。由于进口设备价格问题和国内生 产的药芯焊丝不达标的影响，气电立焊技术的应用范围和发展受到了一定程度 上的限制。 我国从2 0 世纪9 0 年代开始自行研制开发气电立焊机，并获得成功，完全为 自主知识产权。近几年来在工程中的推广应用取得良好效果。并在高效气电立 焊技术的理论和气电立焊的机理方面进行了深入的研究。研究成果对制定合理 的焊接工艺，避免焊接缺陷，获得优良的焊缝质量具有重要指导意义。由于其 焊接质量好，熔敷效率高，综合成本低。这些综合优点为这种高效自动化焊接 技术及设备的推广应用提供了广阔的前景。 当然气电立焊机要广泛推广，药芯焊丝的自行研发提上日程。只有随着我 国气电立焊药芯焊丝生产工艺的成熟和批量生产，气电立焊的应用才能得到迅 速的发展，其高效率、高质量的优点才能得到充分的体现。1 9 6 1 年，气电立焊由 普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护弧焊方法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 我国自行研发气电力焊焊机成功之后，适合气电立焊的药芯焊丝的研发已经提 上了国内药芯焊丝的研发日程，尤其是在国内造船产量大幅度提高的情况下， 研制国内自己的适合船用厚板气电立焊的药芯焊丝，减少焊丝进口成本，保证 焊接质量，已经成了国防科工委的研究专题之一。 随着我国造船产量不断上升，大型化、高效化是现代船舶建造的特点，更高 效率更高质量的c 0 2 气体保护垂直气电焊工艺在船体装焊中频繁使用，垂直气电 焊比手工焊、半自动焊更适宜厚板焊接已成为船体装焊的共识：焊缝成型好、性 能高且均匀、焊接效率高气电立焊在船舶焊接主要应用是： ( 1 ) 船侧大接头垂直焊缝对接自动焊 ( 2 ) 槽型隔壁垂直对接自动焊 ( 3 ) 舷侧双壳隔壁垂直对接自动焊 ( 4 ) 气电立焊超厚板单面焊 ( 5 ) 气电立焊角焊 在船舶制造领域引用如此广泛。但是气电立焊的大线能量对其配套焊接材 料提出了极高的要求，其难点是大线能量下焊接金属的韧性难以达标到目前为 止，我国船舶建造所需的焊接材料基本上实现了国产化，但像气电立焊用药芯焊 丝等仍然依赖进口，这主要是其研制技术难度太大，虽有单位涉及，但不能形成 工业化批量产品。 在气电立焊药芯焊丝的研究发展过程中，为了在大线能量焊接的情况下获 得良好的焊缝力学性能，对药芯焊丝的成分要有严格的要求，在焊丝配方中加 入了大量的合金成分，以在焊接过程中细化晶粒，提高焊缝以及熔合线区域的 力学性能，减少气孔、夹渣、飞溅的几率，为了在焊接过程中获得较高的熔敷 效率，需要提高药芯粉末的填充率，填充率越大，焊丝的熔敷效率也就越高。 同时也要注意配套的焊接工艺，坡口角度和间隙，焊接电流和电压，焊丝摆动 幅度和停留时间及焊丝伸出长度对焊缝性能的影响。气电立焊药芯焊丝的研发， 具有重要的技术性和经济性。 1 2 本课题主要研究内容及意义 本项目是武汉铁锚焊接材料有限公司关于“垂直气电立焊药芯焊丝的研制 专题所设立的一个研发项目，气电立焊虽然适用范围广，焊接效率高，但它的 大线能量对其配套焊接材料提出了极高的要求，其难点是大线能量下焊接金属 5 武汉理工大学硕士学位论文 的韧性难以达标，目前国内采用的气电立焊药芯焊丝全部从国外进口。本课题 的研究目标是在对大线能量韧化机理的掌握下，结合金属芯药芯焊丝研究特点， 针对耐大线能量船体厚板，研制出与之相配套的气电立焊药芯焊丝，并辅以相 应的焊接操作工艺参数，通过生产试验研究，提高焊缝以及热影响区在气电立 焊大线能量下的焊接力学性能，改善其组织成分。通过本项目所开展的研制工 作，实现船用气电立焊药芯焊丝的国产化，从根本上解决目前船用垂直气电药 芯焊丝绝大部分依赖进口的现状。 在本课题中确定所研制的气电立焊药芯焊丝牌号为y c j e g 5 0 。 其主要研究内容如下： ( 1 ) 气电立焊药芯焊丝配方及渣系的研究。通过对焊丝配方的优化设计，研 制出适合船舶建造所需的自动焊用药芯焊丝的最佳配方。 ( 2 ) 对焊接试样进行化学成分及力学性能分析，调整配方合金体系及含量， 保证焊丝在焊接过程中具有耐大线能量的功能，保证焊缝的晶粒组织与力学性 能。 ( 3 ) 焊缝金属组织和性能对比研究，采用金相、电子显微技术、微区能谱分 析等手段，测试和研究在大线能量下，高强度船板用气电立焊药芯焊丝焊接接 头显微组织转变、合金化、韧化机理分析、机械性能变化等。 ( 4 ) 气电立焊药芯焊丝生产工艺研究。通过焊接工艺试验来验证所研制药芯 焊丝配方的合理性及可行性，并分析焊接规范参数和工艺因素对焊缝成形和力 学性能的影响规律。 ( 5 ) c c s 船用试验和船厂性能试验避免焊接缺陷，制定合理的焊接工艺，并 完善使之满足可行性报告批复的要求。 本课题研发的垂直气电焊药芯焊丝作为一种新型的高效焊接材料，能研制 成功，拥有巨大的经济效益和社会效益。 近年来，随着全国造船业的迅速发展，造船企业在各类钢制船舶及钢制结 构的加工制作过程中，存在着大量的垂直及大曲率的焊缝需要进行焊接，传统 焊接方式是采用手工电弧焊来进行焊接，而使用手工电弧焊作业生产效率低下， 劳动强度大且对焊工操作技术要求高，焊接质量不稳定，这就需要使用具有高 自动化以及高效率的气电立焊药芯焊丝来进行焊接。我国造船行业从2 0 世纪8 0 年代中期开始应用c 0 2 气电垂直自动焊工艺，其焊接生产效率比常规手工焊高 数十倍，焊接质量稳定，焊接飞溅少，容易实现焊接的自动化和机械化。船用 气电立焊药芯焊丝如果能研制成功，可以填补国内焊接材料生产企业在气电立 6 武汉理工大学硕士学位论文 焊药芯焊丝研发以及生产上的巨大空白。这种药芯焊丝的成功研制从某种意义 上将会成为日本神钢d w s 4 3 g 气电立焊药芯焊丝的替代品，打破国内气电立焊 药芯焊丝的性能不稳定而一直依赖国外进口的现状，缓解国外船用气电立焊药 芯焊丝在国内形成的垄断，价格高昂的不良局面。 7 些堡翌三丕兰堡主堂堡丝兰 第2 章气电立焊基本理论 21 气电立焊原理 气电立焊技术是一种较为先进的熔化极气体保护电弧垂直对接施焊方法，采 用药芯焊丝作为熔化极，用能自动控制的焊接小车携带焊枪进行连接焊接，在水 冷滑块的强迫成形作用下以c 0 2 气体保护实现单而焊双面成型。工作原理图见图 2 - l 嗍。 自j 自 图2 - 1 气电立焊原理图 气电立焊施焊过程及原理： 焊前的准备工作，首先将两块铜板清理坡口，确定焊缝间隙点焊固定，要在 焊接接头的坡口反面安装陶瓷衬垫或水冷挡块，坡口j 下面安装一块可随焊枪一 起作同步运动的水冷铜滑块，在焊接中起强制成型和冷却作用。焊接时，药芯焊 丝和母材被电弧熔化形成熔池，并被限制在前后两块及未熔化的母材中问这样 溶池上部受到c 0 2 气体及熔渣的保护，药芯焊丝熔化后产生的部分熔渣渗入到溶 池与水冷滑块、陶瓷衬垫接触面之间，对熔池起保护作用，同时也避免了铜滑块 被熔池铁水粘接，从而保证了焊接接头的质量。熔池下部被水冷滑块冷却凝固形 武汉理工大学硕七学位论文 成焊缝。随着焊缝的形成，焊接小车带动焊枪和水冷滑块沿垂直导轨自动向上移 动，并保持距熔池的相对位置不变，以保证焊接过程的连续稳定。气电立焊实际 情况如图2 2 和图2 3 ，为气电立焊实物图。 图2 2 气电立焊安装图“图2 3 气电立焊现场焊接图“” 在焊接过程中，气电立焊的熔池深度是一个重要参数，控制熔池深度可达 到控制熔深，熔深反映了坡口两侧母材的熔化量直接决定了焊接质量，避免了 焊接缺陷的形成。电弧焊母材熔深的产生途径主要是熔池液态金属对流热传递 实现，熔池深度为1 5 一1 7 m m ，但对熔池形成过程起辛要作用的熔深深度只有上 表面的5 m m 左右，其下面熔池液态金属由于过热度逐渐减少，对熔深的形成所 起的作用很小。当铜板的厚度比较太，坡口温度较低时，母材会由于得不到足 够的热量熔化，而造成未熔合或未焊透等缺陷。厚板的坡口截面较大，焊接速度 慢，熔渣较多，且不易排出。熔渣多造成飞溅大，长缝焊接难度更大。为了获得一 定的熔深和保证焊枪在坡口内的正常运动，一般坡口削隙设计为：背面5 m m 、 正面1 7 m m ，而不随板厚的大小改变，焊接后获得的焊缝尺寸一般为：背面8 1 5 m m 、正面2 0 2 5 m m ，焊缝表面成型美观，背面熔透良好。为保证良好的熔 透性，可加入焊枪摆动；为控制熔深的大小，可控制水冷的流速和温度。 22 气电立焊设备组成 我国自行研发的气电立焊设备的组成主要有”3 ： ( 1 ) 携焊接机头升降系统 ( 2 ) 高速送丝系统( 由微电腩数字控制) ( 3 ) 冷却循环强迫成型系统( 包括循环冷却水系统、铜滑块、背面的陶瓷衬 武汉理工大学硕士学位论文 垫) ( 4 ) 焊接电源及供保护气系统( c 0 2 供气系统) ( 5 ) 焊枪及焊枪摆动及控制系统 ( 8 ) 焊接自动控制器( 用于参数设定及调整) 气电立焊设备整体简图见下图2 4 l 焊接小车及轨道：2 焊枪摆动器；3 一焊接自动控制系 统；4 循环冷却水系统；5 一气电立焊操作车；6 一焊接送丝 系统；7 保护气供气系统；8 焊接电源 图2 4 气电立焊机的组成示意图“1 a 携焊接机头升降系统 升降系统包括气电立焊焊接机头及磁吸铝台金轨道及提升支架，焊接机头 主要有焊枪调整机构、滑块调整机构和焊接操作箱，焊枪调节有5 个自由度，能够 很方便的调节焊枪的位置和角度。焊接机头整体升降系统可以悬挂在被焊钢板 壁上，以钢板上口边缘为导轨焊接行走，完成一道焊缝进而转向另一道，也可 以在地面上移动。 b 送丝系统 送丝机构由送丝机、专用送丝管和专用焊枪构成。气电立焊送丝速度是普 通送丝机的1 0 多倍，高速送丝系统采用等速送丝，实现大电流密度，较高的电弧 电压。其送丝速度等于熔化速度，熔化速度正比于向坡口填充金属的速度。焊 接过程中应避免中间出现断弧现象，一经起弧必须连续地焊接完道焊缝。送丝 电源和送丝轮，能够高速、可靠、稳定的送进焊丝。 c 冷却循环强迫成型系统 武汉理- t 大学硕士学位论文 焊接时在厚板的背面有陶瓷衬垫保证单面焊双面成型，正面焊枪的下方是 一个水冷铜滑块，保证焊缝形状的同时由循环冷却水来实现冷却。气电立焊焊 接电弧产生的热量主要有三个流向：熔化焊丝、熔化母材、水冷滑块吸收。由 于焊丝和母材吸收热量基本保持不变，水冷铜滑块吸收的热量主要取决于循环 冷却水的水温和流量。厚板焊接应减小水的流量，使母材充分吸收热量熔透的 同时，也可以保证缓慢冷却，使组织细小；薄板焊接则要增加水流量。由水流 量计控制水的流量，用冷却水流量来调节熔池的冷却速度，以获得最佳冷却效 果。 d 焊枪摆动器 设计的焊枪摆动器安装在行走小车上，焊枪摆动是在由坡口正面的滑块和 背面的陶瓷衬垫同两侧母材形成的空间内，沿着板厚方向，以板厚中心线为摆动 中心前后作往复摆动。摆动器有4 个调节参数：摆幅，焊缝前停留时间，焊缝后停 留时间，摆动速度。摆动参数独立调节。焊枪摆动能保证焊缝良好的表面成型， 提高焊接质量。 e 焊接电源 焊接电源选用唐山松下k h i i 一6 0 0 电源，保证焊接电流在4 5 0 a 时以1 0 0 的暂 载率输出，采用电源平特性方式输出。 f 焊接自动控制器 主要用于设定和调整焊接电流、电压，焊接速度，焊缝正反面的停留时间。 焊接工艺参数主要是焊接电流、电弧电压和焊枪摆动参数。焊接电流是影响焊 接生产率的关键参数，焊接电流大，焊缝金属填充就快，电流过大时反而容易造 成根部未熔合、未焊透等缺陷。焊接电压在气电立焊中对控制热输入和焊缝成 形作用很大，对上下母材熔深的影响较大，增大电弧电压，熔深就增加【5 】。 2 3 焊接行走装置闭环控制原理 焊接示意图见图2 5 武汉理工大学硕士学位论文 l 一导电嘴2 一焊丝3 一电弧h 一导电嘴到焊接熔池的距离h 一焊丝伸出长度 图2 5 焊接示意图 焊接行走装置闭环控制以焊接电弧作为传感器，通过测量弧长变化导致的 焊接电流的变化，根据弧长与焊接电流的反比例关系来测定焊丝干伸长变化。 以焊接电流作为反馈信号，通过控制器适时调整焊枪的位置来维持稳定的焊丝 伸出长度。具体来说，焊接过程中如果小车行走速度加快，则h 增大，导致电 流减少，则电弧也变小，使得h 减小。这个闭环控制系统中以导电嘴与母材的 距离为变化量，以电弧电压为控制量。焊接行走装置的自调节过程如下： v 上( 小车上行速度) 增大导致h ( 导电嘴到焊接熔池的距离) 增大，由于 v 熔( 焊丝熔化速度) 不变，则为了使h 减小，焊接行走装置自行降低电流i ， 使焊丝熔化速度减小，l ( 弧长) 减小，使h 减小。 主要是控制h ( 导电嘴到焊接熔池的距离) 保持一个恒量，焊接行走装置自 行调节，使之不会影响焊接电弧的长短，保证焊缝质量。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章试验材料、设备、内容及技术指标 31 试验材料和设备 311 试验材料 板材选用： 由于气电立焊焊接时熔合线附近区域的最高温度超过1 4 0 0 ，使晶粒变得 非常粗大，粗晶区加宽，如图3 - - 1 所示， i a z 低温冲击韧性下降，强度下降， 如图32 所示。现在采用t m c p 处理工艺的耐大热输入量钢板已经玎发出来， 其主要原理是采用低碳加n b t iv 系微合金化，在过冷奥氏体区域内尽可能 加大变形量，然后控制轧制冷却。在过冷奥氏体区域内尽可能加大变形量可以 获得细小的贝氏体中的铁索体组织：加入n b 元素可以扩大过冷奥氏体区域；加 入t l 兀素叫以改善焊接接头的韧性；加入v 元素可以防止消除应力处理( s r ) 和焊后热处理( p w h t ) 工艺后的强度降低；降低碳含量和p c m 值，可以提高 抗焊接低温脆性裂纹的能力。针对大线能量钢改进前后的微观组织如图3 3 所 示，晶粒明显细化，韧性提高。本项目用t m c p 处理的低合金高强钢板d h 3 6 钢板作为母材，扳厚1 2 m m - - 3 5 m m 。d h 3 6 板的化学成分见表3 1 。力学性能见 表32 。 c o 卵j e g m l nf i * g r a i a n g m ( 吣c o 册 e n t i o n a ls t e e l 幽3 1 f r o m ：j f e t e c h n i c a l r e p o r t n o5 ( m a r 2 0 0 5 ) 1 3 武汉理工人学硕士学位论文 5 0- 4 03 02 0-