浅谈不同坡口形式对厚板焊接的影响

浅谈不同坡口形式对厚板焊接的影响

黄凤龙 赵娇玉 黄君辉

中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002

摘要：在长大货车及承受较大动载荷产品生产制造过程中，为满足结构合安全要求、具有良好的承载能力，许多焊缝采用V型坡口形式，不仅焊缝的外观质量需要符合标准要求，焊缝内部质量标准要求非常高。其中，中、厚板材对接焊缝是产品结构中的重要组成部分，如焊接操作不当极易出现焊缝内部缺陷，从而影响使用。为确保中、厚板对接焊缝的焊接质量，本文针对对接焊缝的坡口形式进行优化，从中找出适合焊接操作及易于实现高质量焊接焊缝的坡口形式。

关键词：坡口形式 对接焊缝 生产效率

目前，在焊接构架转向架或长大货车中，曾多次出现中、厚板V型坡口焊缝一次交检合格率低的问题，需经过焊修才能使产品质量达到图纸设计要求，一次交检合格率低，导致现场操作者的劳动强度提高、了焊接材料及辅助材料的消耗增加、工序生产节奏被打乱、影响生产进度等不利因素，无形中增加生产成本。本文对厚板V型坡口焊缝在中存在的问题进行了分析，提出坡口形式优化方案，通过评定试验得到较优的坡口组合形式。

1 V型坡口在厚板施焊中存在的问题

通过对超声波探伤产生焊接缺陷的焊缝情况进行分析，发现V型坡口焊缝易出现的以下问题：

1.1当板材厚度较大时，通常V型坡口对接焊缝单侧板材坡口的加工角度为单边30°，在焊缝根部，焊接过程中焊枪的摆动受到一定的限制。

1.2在通常情况下焊前预热是在板材上表面进行火焰预热，如果预热不充分就会出现厚板上表面的预热温度达标，底层温度要低于上表面温度50—100℃。在此种条件下，焊接打底层时会因为电弧热量不够集中而影响焊缝与板材的熔合。

1.3很多对接焊缝是在产品整体组装后焊接的，为保证产品整体尺寸不变，焊接时必须处于刚性约束状态，这就造成焊缝在焊接前及焊接过程中存有较大的应力无法得到释放，如对打底层焊缝进行打磨，焊缝厚度变薄时在应力作用下会出现裂纹。

2 对接焊缝坡口优化方案

对比的基本形式坡口为现车生产中应用坡口形式，进行改进优化的坡口形式是根据GB/T985坡口加工标准里选取的部分坡口形式进行优化焊接。

基础形式有：1号，板对接单边V型坡口、坡口角度为30°V型坡口、钝边0—1mm；2号，板对接单边U型坡口、坡口角度为R820°U型坡口钝边2mm。

优化对比的坡口形式有：3号选用R812°U型坡口、坡口角度12°根部转角半径8mm、钝边2mm；4号，坡口角度R820°U型+45°V型组合；5号，坡口角度R812°U型+45°V型组合、钝边0—1mm；6号，坡口角度30°V型+45°V型组合、钝边0—1mm；7号，坡口角度20°V型+45°V型组合。

采用根部V型坡口45°是根据焊接过程中焊接打底层的焊缝厚度确定的，由于打底层焊接电流较小，需要控制焊接电弧将两侧坡口边缘熔化，保证根部母材熔合良好，焊接时操作者易观察熔池温度与电弧的稳定性，并提高焊接电弧的穿透效果。考虑到打底层焊缝厚度在3—4mm的情况，因此确定根部厚度应控制在5—6mm效果较好。

3 优化数据基础分析

3.1 不同坡口形式在施焊过程中的温度对比

检测不同坡口形式在统一条件下（不采用预热条件）进行焊接，分别在起弧处、焊缝中间及收弧处3点进行测温。测温方式：起弧处温度是在焊接到板长200mm处进行测温、焊缝中间处温度是在焊接到收弧处时测温、收弧处的温度是在焊接停止后10秒进行测温。

测温点按2线6点进行测温，第一条线为打底层焊缝、第二条线为距板底边10mm位置。在测完打底层的温度后直接测量周围区域的温度变化。为保证试验具有可对比性，按打底层的焊接速度相近的试件分3组进行比对。即：第一组常规1号30°V型坡口与7号20°V型+45°V型坡口组合；第二组常规2号R820°U型坡口与3号R812°U型坡口 ；第三组4号R820°U型+45°V型坡口、5号坡口角度R812°U型+45°V型坡口组合及6号30°V型+45°V型组合。

温度对比试验根据焊接速度相近试件进行，分成三组进行对比。从温差对比可以得出2号—6号试件在焊接时间、焊接工艺参数及根部间距相近的状态下数值的变化基本相同，在表5.1中在焊接速度一致的条件下7号试件的侧量温度要比其他试件均高出20℃。即：V型坡口30°的散热速度要快一些。

3.2 不同坡口焊接外观成形及可操作性

1号试件焊接打底层过程中，焊接电弧的稳定性较好，焊接电弧能够熔化坡口边缘1—2mm，且焊缝熔合状态较好。主要问题在于焊接填充层时由于打底层焊缝宽度较窄，焊缝两侧与母材的夹角深，极易在施焊时造成熔化金属倒前、电弧在夹角处的穿透力不够、焊枪摆动幅度受到限制，形成层间未熔合缺陷。难点：第一道填充层的焊接熔化金属倒前。

2号、3号试件打底层焊接时焊枪的摆动不受坡口面的限制，焊工的观察角度较好。填充层及盖面层的焊接操作时熔化金属的可控性好，能够有效的控制焊接电弧的指向。难点：钝边为2mm不易承载熔化金属，背面易形成未熔合及焊瘤。

4号--7号试件4组试件在焊接打底层时，焊接电弧在根部的摆动不受坡口面的限制，焊缝两侧熔合较好，焊缝与坡口面是平滑过渡的。与30°V型坡口相比要便于操作，填充层、盖面层的焊缝与母材夹角浅而小，不需要打磨便可焊接。从焊缝的正面成形进行观察4号—6号试件正面较宽，7号试件正面焊缝正常。背面焊缝成形均存在局部凸起，与U型坡口相比较好。

3.3 不同坡口组合的焊接材料消耗对比

表1焊缝填充量与焊丝消耗量对比

通过表1计算7组试件在焊前、焊后的重量测量及焊丝的消耗统计，组合类的4组试件中4号、5号、6号的焊材消耗量较30°V型坡口大 ，7号试件在对比试验中焊丝的消耗量为最少。在操作的角度6号、7号的组合坡口对焊接技能的要求不是很高，较为实用。

4 不同坡口组合焊缝金属性能分析

为验证不同坡口组合的焊接接头力学性能，分别制备了4号—7号进行焊接接头性能试验，试验内容包括射线探伤、拉伸试验、弯曲试验、硬度、宏观金相，其结果如下：

4.1焊缝无损检测射线探伤

依据GB/T 3323-2005《金属熔化焊接接头射线照相》标准对7组试件的对接焊缝进行射线探伤,发现焊缝中存无裂纹、未熔合、等缺陷，检测结果为Ⅰ级。

4.2力学性能

力学性能试验针对4号—7号组合试件结果：焊接接头整个硬度区间在162-233之间，依据ISO 15614-1:2004《金属焊接工艺规程及评定-焊接工艺评定试验-第一部分：钢的弧焊和气焊、镍及镍合金的弧焊》第7.4.6条硬度试验的要求，硬度允许的最大值（HV10）为380,因此，硬度检测合格；焊缝抗拉强度最低值516Mpa，依据GB 1591-2008低合金高强度结构钢标准，高于Q345E母材的要求值≥335MPa，且断裂部位在母材上检测结果合格；弯曲试验结果完好；冲击试样标准值为-40°、≥34（J），实测最小值为53（J）、最大值为115.3（J），均符合标准要求。

5 结束句

通过组合坡口的试件在焊接过程的分析，7号件具有较好的操作性。打底层时焊枪的摆动不受坡口面的阻碍与V型30°坡口相比活动范围加大了。在易出现焊接缺陷的第一道填充层焊接时，焊道可分为2道施焊有效的避免了一道施焊时产生的熔化金属倒前现象。对焊工的操作技能要求有所降低。消耗焊材较少。可以减少焊接生产成本。根据射线探伤、宏观金相、力学性能检测结果，组合坡口试件均达到标准要求，证明采用组合坡口的接头形式可以应用到现车生产中。

参考文献

1 刘云龙.焊工技师手册.北京：机械工业出版社，2000.

2 王春山，陈雷.铁路重载提速货车技术.北京：中国铁道出版社,2010.

3 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册.北京：机械工业出版社，2014.