陶瓷衬垫与焊接裂纹

CO2气保焊陶瓷衬垫平对接底道焊裂纹成因及对策的研究

沪东中华造船（集团）有限公司张翼飞朱建华吴建

提要：本文着重分析了CO2气保焊陶瓷衬垫平对接底道焊接裂纹的产生机理和影响因素，对焊接材料、母材、焊接工艺参数等方面进行了分析。并侧重于技能的角度，提出了防止和改进措施，有助于CO2气保焊陶瓷衬垫焊平对接底道焊的焊接质量的提高。

关键词：CO2气体保护焊药芯焊丝陶瓷衬垫平对接底道裂纹

1引言

药芯焊丝作为一种高效焊材已在国内外得到广泛应用。尤其在造船业,应用更为广泛。就目前我公司的使用状况来说，从80年代末引进使用药芯焊丝至今,其在民用船焊接中的使用量达到80％左右，极大地提高了造船效率[1]。

药芯焊丝与实芯焊丝相比，前者有着焊道成型美观、电弧稳定、焊接飞溅小、全位置焊接操作工艺性能好、焊接熔敷速度快、生产效率高等优点。所以很快被船厂接受，成为船厂通用的焊接工艺方法。对于提高船舶建造速度，改进焊接质量，降低成本起了重要的作用【1】。

随着船厂造船吨位的增加，大量的中厚度钢板的广泛使用，在药芯焊丝的使用过程中也出现了许多问题，其中最为严重的就是产生于不同位置的各种裂纹。裂纹是严格禁止存在焊缝中的，特别是药芯焊丝在陶质衬垫平对接底道焊接时出现的大量纵向裂纹，它的危害性更大。为此有许多焊接研究人员对此作了探索，发表了许多学术文章，详细剖析了产生裂纹的原因。本文根据我们多年从事焊接操作的实际经验和技能的积累，从焊接材料、母材、焊接工艺参数等方面分析这类裂纹产生的原因及防止方法。

2焊接材料

我们通常使用的药芯焊丝都是呈酸性或偏酸性的，也就是它的熔渣是以酸性氧化物为主，它与碱性渣系焊接材料相比，具有对水、锈敏感性不大，熔滴过渡颗粒小，操作方便等优点。但对焊接熔池过程合金元素过渡相对较差，熔池中的含氢量会偏高，焊接接头的延伸率与冲击韧性略低。根据试验结果，我公司常用的3Y级药芯焊丝，其屈服强度在490—510MPa、抗拉强度在550—560MPa之间，曲强比值在0.85以上。但355—390MPa等级船用钢板按要求曲强比值在0.65—0.80之间，因此药芯焊丝曲强比值略显高了。屈服强度与抗拉强度值越接近，材料的抗裂性能越差。材料在受拉力过程中经历三个阶段，先是弹性变形，然后塑性变形，最后断开。它的屈服点与抗拉点太接近就显示其材料没有足够的塑性[2]。这就是引起裂纹的原因之一。

3母材的刚性

前面分析了药芯焊丝的先天存在缺陷。但我们要问，这些问题早就存在,为什么以前很少出现这类问题。我们觉得这与母材的刚性有关。其实以前在陶瓷衬垫焊平对接焊缝底道焊接过程中，也经常出现局部裂纹。而我们现在所造船的吨位增加，种类增多，用的钢板也越来

越厚，强度等级也越来越高。随着板厚的增加，强度等级增高，板的刚性增加，首先使焊接过程中产生不均匀受热现象也越严重，产生的内应力也越大。其次，由于刚性增大造成焊缝在焊接过程中抵抗了熔池收缩应力。这很好理解，当我们在一对间隙4mm焊缝长300mm的对接板上焊接，尽管两端作刚性固定，但当焊完100mm长度时，前方的间隙起码缩小1mm。这就是熔池收缩使母材被拉动，这就是收缩变形。而当这类收缩因母材刚性而无法进行时，焊缝金属又不具备足够的塑性时，这类裂纹就产生了。

4焊缝位置及形状系数

药芯焊丝在焊接陶质衬垫焊平对接焊缝底道焊时，由于操作者要保证背面成型良好，当间隙过小时，焊工又没有及时调小焊接电流并与电弧电压适当的匹配，他的焊接速度一定会很快。当焊接速度过快时，造成焊接过程电弧对焊缝边缘加热时间短，熔池冷却速度快，焊缝边缘的母材没有经过充分加热，不均匀加热现象更严重。在焊接过程中熔池金属的凝固从液态到固态，因体积收缩产生的应力被母材刚性所抵抗，焊缝不容易被拉伸。这样体积缩小的尺寸都依赖熔池金属的塑性。而我们所采用的药芯焊丝由于先天的缺陷，曲强比值较高，产生裂纹就在所难免。

陶瓷衬垫焊方法在焊不同的位置时，焊缝金属形成的形状各不相同。立对接焊时的形状是中间略凸，，横对接焊时中下部略凸，而在平对接焊时，焊缝形状一般呈内凹状，也就是中间比较薄弱（见图1）。而结晶过程是与坡口边缘呈90度往中间结晶。当焊缝坡口角度过小时，形状系数变差。由于坡口角度过小使熔池的厚度增加宽度减小，结晶过程中的氧化物夹杂都留在焊缝中间，造成焊缝偏析，使原来薄弱区域更显薄弱。这时，再加上母材的刚性，熔池由液态向固态转变时的收缩应力，就导致了熔池薄弱区域在结晶过程中被拉裂。这也是底道裂纹一般都出在平对接上的原因。

立对接平对接横对接

图1焊缝形状

5焊接电流、电弧电压匹配

二氧化碳焊接过程中焊接电流、电弧电压是可调节的。焊接电流控制的是送丝速度，电弧电压控制的是熔化速度。焊接过程其实是控制熔池的过程。一个熟练的二氧化碳焊工，他会根据焊缝的不同位置、不同坡口形式和不同的需要，去调节两者的匹配，从而取得最佳的焊接操作效果。我们可以根据这类裂纹产生的原因，通过对焊接电流、电弧电压的匹配以及对焊接速度的控制，用操作技能与工艺手段来控制裂纹。但是，目前我们船厂从事焊接工作

的都以外来劳务工为主体，技能水平良莠不齐。尽管这几年公司加大了对外来劳务焊工的培训力度，可由于人员流动性大，效果还是不明显，以至现场这类裂纹的产生越来越严重。

为了进一步证明以上关于裂纹产生的原因分析,我们做了两种系列焊接试板工艺试验。例1：采用600×260×25mm对接，坡口单边角度为22.5o，试板间隙相同，电流、电压不同。结果见表1。

表1第一例试板焊接试验记录

电流电压间隙焊接时间裂纹数量与长度

第一组230A25V6mm5分20秒无裂纹

第二组240A26V6mm5分00秒5mm长3处2mm长2处

第三组260A28V6mm4分30秒20mm长5处5mm长多处

例2：焊缝加工尺寸同上，电流电压相同，间隙不同。结果见表2。

表2第二例试板焊接试验记录

电流电压间隙焊接时间裂纹数量与长度

第一组240A26V10mm6分00秒无裂纹

第二组240A26V8mm5分40秒3mm长2处

由此看出，调小焊接电流、电压或适当放大间隙尺寸，可以减缓焊接速度，使熔池边的母材加热更充分些,对裂纹的产生有一定的克制作用。

6结论

根据前面的分析，得出以下结论

1）由于药芯焊丝固有的缺陷，在陶瓷衬垫焊底道焊时抗裂纹能力较差。

2）这类裂纹产生与母材的刚性有着密切的关系，那就是母材越厚，裂纹倾向越大。

3）这类裂纹与焊缝位置、焊缝的形状系数有着密切的关系。而且这类裂纹都是结晶裂纹。根据天津大学张智博士研究结果，导致这些结晶裂纹不是因为低熔点共晶S化物，而是由氧化夹杂物聚集焊缝中心造成焊缝塑性变差产生的【1】。

4）我们可以通过提高焊工技能来控制目前焊接过程中裂纹的产生。但是随着造船吨位提高和许多特殊船舶的建造，板材的厚度也会增加，包括还会用到许多更高强度材料。这类裂纹产生将无法靠技能来控制。再说作为一个成熟的工艺所使用的材料，要尽量降低它的操作难度。这样才能符合实际生产的需要。

7建议

提出问题的目的是为了解决问题。我们前面详细地分析了产生裂纹的原因和条件，接下来就是如何解决这一问题。

首先，我们要改变目前采用的平对接间隙。同时严格控制焊接电流、电弧电压与焊接速

+2mm，也就是5度。根据工艺规范，我们现在在这个焊接位置，板厚从6mm至30mm都采用6

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