1、刍议深窄间隙焊接技术在大厚度构件材 料焊接中的应用 许小平 武汉船舶职业技术学院 摘 要： 随着技术的发展, 焊接方式的种类多了许多。 然而, 对于大厚度构件材料的焊接 来说, 依旧具有较大的难度。 近年来, 许多相关的工作人员都对如何焊接大厚度 构件材料这一课题展开研究, 认为深窄间隙焊接技术有着明显的优越性, 非常 适宜应用到大厚度构件材料焊接过程中。 本文综合多方研究成果, 对于利用深窄 间隙焊接技术焊接大厚度构件材料这一技术难题做出更具体的分析。 关键词： 深窄间隙焊接技术; 大厚度构件材料; 焊接技术; 深窄间隙焊接技术有着一定的优越性, 经过反复的焊接往往可以使焊接接缝部 位的强度
2、更有保障。 然而, 考虑到构件整体的质量, 选择焊接方式时, 不仅需要 考虑到焊接接口的硬度, 还需要考虑到焊接接口的弹性强度、 抗冲击性等多种问 题。本文针对深窄间隙焊接技术在大厚度构件材料焊接中的应用做出分析。 一、大厚度构件材料焊接难度 在实际的焊接过程中, 构件的厚度对于焊接的结果有着较为明显的影响, 如果 是厚度较小的构件, 简单地进行焊接, 就可以有效地使两部分结构紧密地结合 在一起。 然而, 对于厚度较高的构件来说, 很难以表面的焊接获得较强的强度和 抗冲击性。 大厚度构件往往在实际的应用中, 起到了较好的承重或是抗冲击的作 用, 所以设计者才会着意增加材料的厚度, 以更好地满足
3、这些方面的要求, 这 对焊接的技术提出了相当高的要求。 另外, 大厚度构件自身的重力较大, 这也是 大厚度构件材料焊接难度较大的原因之一。 总体来看, 单一地在大厚度构件的表 面进行简单的焊接, 是达不到质量要求的。 而采用复杂的方式对大厚度构件进行 焊接, 焊接的成本较高, 经济效益不好, 且受制于技术的限制, 许多复杂的技 术难以在大厚度的构件中应用, 不当的焊接方式会引起疲劳强度特征和断裂特 征。 二、深窄间隙技术的优越性 深窄间隙焊接技术相较于普通焊接技术具有明显的优越性。 深窄间隙焊接技术的 坡口形状相对较为简单, 对其进行焊接需要耗费的母材量相对较少, 这也得益 于其界面小。 利用
4、这种方式进行焊接, 可以大幅度地减少焊接的损耗, 提升经济 效益。 利用深窄间隙焊接技法进行焊接, 多层焊道相互作用, 前一道焊道可以为 后一道焊道进行预热, 而后一道则可以帮助前一道进行回火, 这有效地改善了 焊头的机械性能, 使得接头易于出现的疲劳强度特征和断裂特征有明显的减轻。 深窄间隙焊接技术不仅可以用于低碳钢材料的焊接, 还可以有效地应用于钛合 金、 高金钢以及低合金高强钢, 对于这些材料, 深窄间隙焊接技术都有着明显的 优越性。 在利用深窄间隙技术进行焊接的过程中, 由于不需要融化较大面积的金 属体积, 热对于母材的影响较小, 热影响区的面积不大, 这使得最终焊接成的 成品变形较小
5、, 残余应力也不大, 便于最终的应用与装配。 利用深窄间隙技术进 行焊接可以完成多种多样的焊接构件的焊接工作, 不限于构件的具体形状, 这 也是深窄间隙焊接方式得到广泛应用的原因。 三、深窄间隙技术的弊端 深窄间隙焊接方式虽然有着较大的优越性, 也存在着一定的短处, 这主要体现 在以下几个方面: 深窄间隙焊接技术需要应用的设备较为复杂, 将完整的设备配备齐全需要较多 的资金, 这使得短期内的焊接效益明显走低。 在现有的生产环境下, 大面积地应 用深窄间隙焊接技术还存在着一定的难度。 利用深窄间隙焊接技术能够达到较好 的焊接效果, 然而, 焊接的成果一旦受到损坏, 修复起来却相对较难, 需要采
6、用普通焊接方式进行焊接, 对于施工工程来说, 更改焊接方式相对较为麻烦。 想 要采用深窄间隙技术进行焊接, 需要焊接人员掌握较好的焊接技巧, 需要对操 作人员进行较长时间的培训, 这无形中提升了人力成本。 而且应用深窄间隙技术 的难度较大, 电弧很容易受到干扰, 这不仅对操作者, 也对管理者提出了相应 的要求。 就技术方面, 利用深窄间隙技术进行焊接时, 侧壁几乎和电弧轴线平行, 在这 种情况下, 很难保证母材侧壁融合。 利用深窄间隙焊接技术, 还需要处理好深窄 坡口的清渣问题, 并且要保证坡口起头稳定。 四、利用深窄间隙技术焊接大厚度构件的探索 研究人员结合多年经验, 对于如何利用深窄间隙焊
7、接技术焊接大厚度构件材料 进行了深度的研究, 以试验的形式展现研究结果。本次研究以高难的选材、精细 的焊接技术、 模拟现实的生产需求, 对于深窄间隙焊接技术在大厚度构件材料上 的焊接这一问题给出了明确的分析, 展现了利用深窄间隙焊接技术焊接大厚度 构件时, 接口变化的全过程。 在试验中, 研究人员结合深窄间隙焊接技术在实际的焊接过程中的落实和应用, 选取了一块厚度达到 150毫米、 内径达到2350 毫米、 外径达到2500毫米的母材。整块母材属于典型的马氏体回火组织, 在进行焊接的过程中, 研究者将坡口斜 度设定为0.5, 坡口宽度设定为 2厘米。为了取得更好的焊接效果, 研究者在 正式进行
8、焊接之前, 先采用氩弧焊进行打底, 这样可以较为容易地获取较好的 背部成形。 在进行盖面以及填充的过程中, 都利用了氩弧焊的焊接方式进行辅助, 这样焊接的效率会有较大的提升。 经过氩弧焊焊接之后, 开始进行深窄间隙焊接, 在采用深窄间隙焊接过程中采用了多层双道焊缝 (Welded metal, WM) 进行操作, 以求实现良好的侧壁融合。 在焊接的过程中, 焊接缝隙表面平滑。 在本次试验中, 热影响区 (Heat affected zone, HAZ) 相对较窄, 试验效果较好。利用深窄间 隙焊接技术焊接大厚度构件材料效果良好, 经过数十层的填充盖面后, 焊缝充 分融合, 没有出现过大的气孔或
9、者出现杂质等不良问题。 在这次试验中, 采用的是多层两道焊接方法。 利用这种方法, 在焊接同一层的过 程中, 焊缝会出现搭接。 出现搭接现象的位置, 组织结构展现出细晶结构, 细晶 主要出现在焊接位置的中间。 另外, 除了焊接中间部位会出现细晶结构, 还有一 些部位也会出现, 主要集中于焊接缝隙的下部。 这个区域会形成细晶结构, 主要 是因为在进行第二层焊接的过程中, 第一层留下的焊缝会再度被加热。 温度对于 母材的结构有着明显的影响, 由于受热的程度不同, 母材中呈现出柱状晶细晶 区、粗晶区、焊缝等区域。母材经过焊接的接头部位的金相较于其他区域有着明 显的差异, 差异区域的宽度在 1.5毫米
10、左右, 这一区域集中了粗晶区和细晶区。 这是焊接受热最为严重的部位, 形成了大量的碳化物, 而其他部位受到的热较 少, 碳化现象并不严重, 未形成明显的粗晶或是细晶结构。 这些晶体结构均为典 型的马氏体组织, 只是在具体的形态上有着一定的差异, 粗晶区的马氏体结构 较为粗大, 而细晶区的较为细小, 硬度上也更有保障。 五、焊接接头力学性能研究 研究人员集多年研究成果, 对于利用深窄间隙焊接技术在大厚度构件材料上进 行焊接这一问题进行探索。 为了确定经过深窄间隙焊接技术焊接的大厚度构件材 料质量是否过关, 研究人员对于经过试验焊接完毕的母材进行三项质量检测, 分别是硬度测试、拉伸度测试以及冲击韧
11、度测试。在硬度测试的过程中, 首先要 将焊接的接头进行精准的测量, 研究者采用维式硬度计进行纤维硬度的测量, 这次测验共历时20 s, 载荷设定为9.8 N, 两个测试点之间间隔设定为0.5毫米。 焊接接口的硬度与母材未经焊接的其他位置的差异不大, 经过焊接的母材中各 个部位的硬度值都一致地保持在 250250 HV。经过硬度分析可见, 硬度值较为 突出的有两个区域, 其硬度值达到了390 HV 左右, 这两个区域宽度达到 2.02.5 m。结合母材的整体分析来看, 这两个区域正好是接缝部位的粗晶区, 这一区域在进行焊接时, 受到的热影响较大, 形成了更为结实的晶体结构, 硬 度较高, 与未受
12、到焊接影响的母材结构不相上下。 由此可见, 接缝的不同区域的 硬度不同, 主要是因为焊接部位受热程度不同, 其组织结构的变化有着一定的 差异。 在拉伸性实验中, 研究者对其进行了不同温度下的屈服强度和抗拉强度试 验, 并且经过分析, 绘制出母材与焊接接头不同温度下屈服强度与抗拉强度的 函数图像。 焊缝在经过拉伸后, 自身的屈服强度和抗拉强度都较之于母材有明显 的减小。 经过拉伸之后, 母材断裂的位置大多都在焊接接缝的中心, 大多都是细 晶区, 处于两层焊接中间的位置, 经过了较多的回火, 受热影响明显, 是硬度较低的位置。 从试验结果上来看, 经过多重温度反复拉伸后, 接缝的中心出现断 裂,
13、就足以说明焊接对于母材的抗拉伸性能有着一定的影响, 焊接的接头是整 块母材抗拉伸性能最低的位置。 在抗冲击试验中, 当温度为-64时, 母材的脆性转变温度到达最低点, 热影响 区的脆性转变温度只有-21, 而接缝处的转变温度只有-28, 当脆性转变温 度下降时, 材料的抗脆性能会随之上升, 所以为了保证焊接成品的抗脆性能, 需要使焊接结构力学性能标准高于脆性转变温度。 断口处韧窝的深浅与数量与其韧性有着较大的联系, 韧窝深且数量多的母材区 的冲击韧度相对较好, 而韧窝较浅的热影响区, 韧度较差, 接口位置出现粒子, 其韧性相对于母材较低。 经过多项试验可知, 应用深窄间隙焊接方法能够有效地完成对于较大的母材进 行焊接, 且可以在一定程度上保证接头的质量。 参考文献 1周军生.窄间隙焊接技术在钢结构制造中的应用C.中国钢结构协会成立 20 周年学术年会, 2004. 2王朋, 刘霞, 芦凤桂.深窄间隙焊接技术在大厚度构件材料焊接中的应用研 究J.机械工程学报, 2016, 52 (2) :56-61. 3贾尚谊.深窄间隙焊接技术在大厚度构件材料焊接中的应用研究J.工程技 术 (引文版) , 2016 (8) :154.
