第2章 厚板双面双弧焊新工艺研究
2.1 双面双弧焊新工艺的提出
2.1.1 新焊接工艺原理及生产效率分析
本课题针对船舶大厚板高强钢焊接结构，其焊接性差，易出现冷裂纹，需 要焊前预热、焊后保温、控制线能量[87]，针对这种材料，目前还没有成熟的 不清根打底焊工艺，其结构的刚度大，焊后产生很高的残余应力变形并且去应 力退火有困难，费用昂贵，一旦变形难以矫正。目前，低合金高强钢厚板焊接 传统工艺过程如图 2-1 所示。采用火焰切割加工 X 型坡口、焊前预热、正面 单 MAG 弧打底、填充盖面完、背面碳弧气刨清根、打磨、磁粉探伤、再预 热、背面单 MAG 弧打底、填充盖面完、最后后热等工序。此工艺工序繁多，
周期长，焊接变形大，易产生夹杂、裂纹等缺陷，一次合格率低，不适合机器 人自动化焊接，也不能从根本上提高焊接效率，因此，需要一种适合机器人焊 接的高效焊接方法。
图 2-1 老工艺焊接过程
Fig.2-1 Conventional welding process (CW)
针对大厚板高强钢焊接结构制造的技术难点，要寻找一种不清根焊接工
艺，从而简化工序，满足机器人高效化、自动化生产要求，提出了一种针对大 厚板高强钢的双面双弧焊新工艺：打底焊采用异步的双面双脉冲 TIG，填充焊 采用双面双 MAG 焊。其工艺过程如图 2-2 所示，加工双 V 形坡口，焊前预 热 ， 打 底 焊 采 用 双 面 非 对 称 双 脉 冲 TIG ， 填 充 和 盖 面 焊 采 用 双 面 对 称 双 MAG，最后后热。免除清根工序，工序大大减少，焊接效率大大提高，适合 机器人焊接。这种新的双面双弧焊是一种双电源型，即采用两台独立的焊接电 源，焊接规范可单独调节，如图 2-3 所示，两把焊枪分别在工件两侧，打底焊 时采用异步的双面双脉冲 TIG 焊，外送丝，为了防止过热，两把焊枪保持一 定的弧间距；填充和盖面焊采用同步的双面双 MAG 焊，两焊枪保持对称，实 现了双面双电弧焊接[88]。
图 2-2 双面双弧焊新工艺焊接过程
Fig.2-2 Double-sided double arc welding process (DSAW)
大厚板高强钢对热输入要求 10~24 kJ/cm，那么对于双弧焊的打底焊来 说，每 个电弧的热输入应 在 5~12 kJ/cm，如果采用双 MAG 焊，在热输入 5~12 kJ/cm 范围内，打底焊留有一定间隙，立向上摆动焊成形很差，经常出现 断弧，并且不能保证根部完全的熔透，因此，打底焊采用双面双 TIG 焊，考 虑到高强钢对热输入的要求，双电弧保持一定弧间距，弧间距过大，双面熔池 受保护气体不够，易出现根部氧化，并且弧间距过大热输入过小，也会增大淬 硬倾向，但弧间距过小，易产生过热，焊缝组织粗大，并且弧间距过小，双电 弧之间易发生干扰，因此，前后焊枪保持一定的弧间距。打底焊焊完后，对于 后续的焊接任务相当于堆焊，为了增大焊接效率和减小焊接变形，双面电弧不 再需要保持一定弧间距，因此，填充焊采用同步双 MAG 焊。
对于大厚板高强钢结构来说，新工艺具有很高的生产效率，以一个板长 2m，厚度 50mm 的立焊缝为例，新老工艺的焊接效率对比如下：
传统单弧焊接工序为：正面预热(3 人 2 小时)→ 正面焊接(1 人 20 小时，
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需要多次预热) → 反面气刨清根(1 人 4 小时)→ 打磨坡口(1 人 2 小时)→ 磁 粉探伤(2 人 1 小时)→ 反面预热(3 人 1 小时)→ 反面焊接(1 人 25 小时，需 要多次预热)→ 后热。按一天工作 8 小时计算，制造周期为 8 天。
采用新的双面双弧焊接工序为：预热(3 人 1 小时)→ 双面 TIG 打底焊(2 人 3 小时)→ 双面 MAG 填充焊(2 人 8 小时)→ 后热。经计算，制造周期为 1.5 天。可以看出，采用新的焊接工艺后，生产效率提高了 5 倍以上。如果被焊工 件更大、焊缝更长、板更厚，那么双弧焊新工艺优势会更加明显。
a)非对称双 PGTAW 打底焊 b)对称双 GMAW 填充焊
a) Asymmetric double PGTAW in back pass b) Symmetric double GMAW in other pass 图 2-3 双面双弧焊原理图
Fig.2-3 Schematic diagram of double-sided double arc welding (DSAW)
2.1.2 新工艺研究技术路线
低合金高强钢厚板焊接结构易产生冷裂纹，冷裂纹是焊接这类钢的一个主 要问题,大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量 及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态，是高强钢焊接时产生裂纹的三大
主要因素[10,89]。钢种的淬硬倾向决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件
等。焊接时,钢种的淬硬倾向越大，越易产生裂纹[90]。在焊接条件下,当快速冷 却时，近缝区的奥氏体将转变为马氏体,而马氏体是一种脆硬的组织,发生断裂 时将消耗较低的能量,易于形成和扩展裂纹。焊接接头中的氢,在扩散过程中,由
于冷却条件和金属组织的变化,常在热影响区的熔合区附近发生聚集[91],造成这 个部位某一时间内含氢量增高。氢的聚集,使这个部位进一步脆化,增加了裂纹 生成的几率[92]。焊接条件下,在焊接接头区域产生内拘束应力(热应力和相变应 力) 和外拘束应力(结构刚度、焊接顺序、受载情况等所造成的应力),当拘束应 力增加,超过临界拘束应力后,会导致裂纹的产生。而焊缝组织、硬度、扩散氢 含量和拘束应力都与温度场有密切联系。
厚板高强钢双面双弧焊新工艺的实验内容如图 2-4 所示，通过电弧熔池形 态观察，可观测打底焊时前后电弧形态和根部熔合情况。对单双弧焊的热循环 进行了测量，可获得单双弧温度曲线，对焊后的组织形态观察、应力分布的测 试，冷裂纹实验，硬度和力学性能测试，与传统的单弧焊进行对比分析，最终 获得双弧焊的工艺规范和热物理特性，来指导焊接生产。
图 2-4 厚板高强钢双面双弧焊实验框图
Fig.2-4 Schematic diagram of DSAW for thick high-strength steel plates
2.1.3 双面双弧焊接实验条件
本试验所用试板长 800mm、宽 500mm、厚度 50mm，坡口为双 V 型坡 口，坡口角度为 60°，无钝边，装配间隙 2-3mm，焊接为对接立向上焊。低合 金高强钢厚板双面双弧焊接示意图如图 2-3 所示，打底焊时，正反面各采用一 台填丝脉冲 TIG 电源摆动焊接，打底焊接时的两弧间距在两个保护气体相互 保护的 20-50mm 范围内，若两弧间距太近，使热影响区和焊缝处过热，影响
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焊接质量，距离太远，使后面 TIG 焊的 Ar 气不能有效保护前面 TIG 焊接后形 成焊道的背面，未被 Ar 气保护而暴露在空气中的焊缝，将形成很多焊接缺 陷，影响焊接质量。填充焊时，正反面各采用一台 MAG 电焊，两电弧保持对 称。试验中采用奥地利 Fronius 的脉冲 TIG 焊机，型号为 Trans-TIG450，保护 气为纯 Ar，MAG 焊机也是奥地利 Fronius 焊机，型号为 VR4000Time，保护 气为 95%Ar+5%CO2。试验中采用的低合金高强钢的化学成分见表 2-1,力学性 能见表 2-2，试验中所用焊丝直径 1.2mm,为超低氢焊丝[10]。
表 2-1 低合金高强钢化学成分表 (wt%)[10]
Table 2-1 Chemical constitution of low alloy high strength steel (wt%)[10]
元素 C Si Mn P S Ni Cr Mo
Table 2-2 Mechanical property[10]
抗拉强度 Table 2-3 Welding parameter of DSAW 焊接电流 I(A)