一种Q420高强度钢厚板的焊剂铜衬垫法埋弧焊工艺的制作方法

本发明涉及高强度钢厚板焊接工艺，具体涉及一种q420高强度钢厚板的焊剂铜衬垫法埋弧焊工艺。

背景技术：

随着桥梁、隧道等建筑的技术指标、寿命要求的提高，其承力的钢筋混凝土结构已经逐渐被高强度结构钢的设计结构所替代，设计采用的钢材也在朝着高强度大厚度方向发展。q420是一种屈服强度级别大于等于420mpa的低合金高强度结构钢，已经被应用于桥梁建筑的钢箱梁结构、桁架结构，隧道建筑的钢壳结构等。

在q420高强度钢厚板的焊接中，传统上采用手工焊条电弧焊、半自动二氧化碳气体保护焊、单丝埋弧焊的焊接方式，焊接热输入较低，而且单道焊缝焊接填充量有限，无法实现一次成形焊接工艺，对于40mm厚的q420高强度钢厚板而言，通常需要进行多层多道焊，道间还要进行严格的清渣工作，以避免焊缝内部出现夹渣，严重阻碍了焊接效率的提高。

焊剂铜衬垫法埋弧焊，简称fcb埋弧焊，为单面焊双面成形埋弧焊技术，焊接过程采用双丝或三丝进行焊接，待焊钢板坡口背面设置铜衬垫和背面焊剂，能够对背面焊缝强制成形并且保护焊缝背面，待焊钢板坡口表面铺撒表面焊剂，保护焊接电弧和表面焊缝。该焊接工艺具有较高的焊接热输入和焊接速度，通常配置于平面分段流水线的拼板工位，可提高拼板焊接效率。

然而，fcb埋弧焊为大热输入的焊接技术，通常应用于厚度10-35mm强度和韧性低于dh36的船用钢板焊接，若应用于40mm厚的q420高强度钢厚板焊接，其热输入高达300kj/cm(这是由于fcb埋弧焊为一次成形焊接工艺，焊接板厚越大，焊接过程金属填充量更大，要求的焊接热输入更高)，一方面接头热影响区金属受热严重而形成脆化现象，另一方面焊缝金属受热严重而引发合金元素烧损现象，都会降低焊接接头力学性能；而且，相比船用钢板dh36材质，q420高强钢的碳当量更大，焊接裂纹敏感系数更大，焊接过程形成裂纹的概率更高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种q420高强度钢厚板的焊剂铜衬垫法埋弧焊工艺，有效地解决大热输入焊接和高速焊接条件下容易引发焊接裂纹缺陷、弱化焊接接头力学性能的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种q420高强度钢厚板的焊剂铜衬垫法埋弧焊工艺，包括以下步骤：

步骤1，在待焊钢板为q420高强度钢厚板的焊接处加工y型焊接坡口，其中y型焊接坡口的相应参数分别为：坡口的角度为43°-47°，钝边为5-7mm，根部间隙0-1mm；加工好后，对y型焊接坡口面及y型焊接坡口周围20-30mm范围内的氧化层及杂质进行清理；

步骤2，采用半自动式co2气体保护焊方式进行定位焊缝的焊接，其中定位焊缝的厚度为4-5mm，定位焊缝的长度为50-60mm，焊缝间距为400-500mm；

步骤3，采用半自动式co2气体保护焊的方式在y型焊接坡口的两端分别焊接引弧板和熄弧板；其中，引弧板、熄弧板与焊接板材的材质、厚度、坡口尺寸、钝边及根部间隙相同；

步骤4，在焊接坡口两端焊接阶梯式拘束焊缝，其中

焊缝始端拘束焊缝焊接两层：第一层焊缝距待焊钢板始端长度150-170mm，第二层焊缝距待焊钢板始端长度50-70mm；

焊缝终端拘束焊缝焊接五层：第一层焊缝距待焊钢板终端长度350-360mm，第二层焊缝距待焊钢板终端长度330-340mm，第三层焊缝距待焊钢板终端长度310-320mm，第四层焊缝距待焊钢板终端长度290-300mm，第五层焊缝距待焊钢板终端长度270-280mm；

步骤5，fcb焊接材料采用满足ccs船级社3y42等级要求的焊丝、表面焊剂、背面焊剂组合；其中，l极焊丝为直径规格为4.8mm的实芯焊丝，t1极焊丝为直径规格为4.8mm的实芯焊丝，t2极焊丝为直径规格为6.4mm的实芯焊丝；

步骤6，将干燥的表面焊剂预先添加在焊剂料斗中，并且焊剂料斗保持在75℃～85℃温度；

步骤7，对铜衬垫表面的熔渣及杂物进行清理，然后将背面焊剂铺撒在铜衬垫上，铺撒厚度为5mm-6mm，宽度为100mm-120mm；铺撒完成后，将铜衬垫对中坡口中心后紧贴焊接坡口背面，再对待焊钢板表面坡口两侧100mm范围内进行敲击，使背面焊剂能够与待焊钢板背面紧密贴合；

步骤8，将各电极对中焊接坡口中心，调节焊枪角度和距离，其中：l极前倾13°，导电嘴到工件距离35mm；t1极前倾0°，导电嘴到工件距离40mm；t2极后倾3°，导电嘴到工件距离45mm；l极与t1极间距35mm，t1极与t2极间距130mm；然后将焊接机头调节至引弧板位置，并在焊丝端部放置引弧棉，打开表面焊剂漏斗开关放下表面焊剂后启动焊接；

对焊接过程进行监控，根据焊接状态及时对焊接参数进行微调，并且焊接机头焊接至熄弧板后再熄弧停止焊接；

步骤9，焊接结束后，将待焊钢板移动至修补工位，对起弧端、收弧端的拘束焊缝位置未焊透缺陷进行气刨清理，采用机械打磨方式打磨气刨坡口，再采用半自动co2气体保护焊仰焊方式对气刨坡口进行补焊；气刨坡口补焊完成后再采用机械打磨方式对补焊焊缝表面进行机械打磨，确保补焊焊缝与周围进行能够圆滑过渡。

进一步的，步骤2、步骤3及步骤4中，进行焊接时，所采用的药芯焊丝满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求。

进一步的，步骤4中，拘束焊缝焊接时，均在待焊钢板正式坡口内引弧，并在引弧板、熄弧板内收弧。

进一步的，步骤7中，将铜衬垫对中坡口中心后紧贴焊接坡口背面时，衬垫装置内的压力软管气压设置为0.10mpa-0.12mpa。

进一步的，步骤8中，焊接时，l极、t1极、t2极的电源特性均选择交流特性，焊接速度设置为36cm/min，各电极的焊接参数设置为：

l极：焊接电流1430-1470a，焊接电压34-36v；

t1极：焊接电流1280-1320a，焊接电压39-41v；

t2极：焊接电流1280-1320a，焊接电压45-47v。

进一步的，q420高强度钢厚板的厚度为38～40mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过严格控制焊接坡口参数、严格进行待焊钢板装配和清理、在焊缝的始端和终端焊接阶梯法拘束焊缝、选择合适的焊丝和焊剂组合、匹配合适的焊接工艺参数以控制焊接热输入量进行焊接，实现fcb埋弧焊工艺在q420高强钢厚板焊接上的应用。本发明不仅可以提高q420高强钢厚板拼板焊接效率，确保q420高强钢厚板焊接接头的力学性能能够满足标准规范的验收要求，而且还可以有效避免焊接缺陷的产生，使q420高强钢厚板的高效率、保质量焊接成为可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为q420高强度钢厚板的焊接坡口结构示意图；

图2为q420高强度钢厚板焊接前的装配图；

图3为q420高强度钢厚板起弧端拘束焊缝结构图；

图4为q420高强度钢厚板收弧端拘束焊缝结构图；

图5为焊接电极的配置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施方式公开了一种q420高强度钢厚板的焊剂铜衬垫法埋弧焊工艺，具体应用于厚度为38～40mm的q420高强度钢厚板的焊剂铜衬垫法埋弧焊，尤其是40mm的q420高强度钢厚板，具体包括以下步骤：

步骤1，在待焊钢板为q420高强度钢厚板的焊接处加工y型焊接坡口，y型焊接坡口如图1所示，其中y型焊接坡口的相应参数分别为：坡口的角度为43°-47°，钝边为5-7mm，根部间隙0-1mm；加工好后，对y型焊接坡口面及y型焊接坡口周围20-30mm范围内的氧化层及杂质进行清理；

本发明实施方式中，y型焊接坡口面及y型焊接坡口周围20-30mm范围内的氧化层及杂质，包括铁锈、水分、油污或其他杂质等，其中，氧化层、铁锈的杂质可以采用机械打磨方式清理，水分、油污的杂质可以采用火焰烘烤去除。氧化层及杂质的清理，有利于防止在焊接过程中，y型焊接坡口附近的杂质进入焊缝中，进而容易产生裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。

其中，坡口的角度、钝边、根部间隙各参数的设置对焊缝成形具有重要影响作用，若坡口角度过小，使焊接电弧对坡口根部的熔透能力受到限制，导致背面焊缝容易形成未焊透焊接缺陷；若坡口角度过大，使坡口横截面积过大，则出现焊接材料填充量不足现象而导致焊缝表面形成凹陷。若根部间隙过小，容易引发烧穿现象，甚至损坏背面铜衬垫；若根部间隙过大，焊接电弧作用力难以熔透坡口根部，也容易形成未焊透焊接缺陷。

步骤2，如图2所示，采用半自动式co2气体保护焊方式进行定位焊缝的焊接，其中定位焊缝的厚度为4-5mm，定位焊缝的长度为50-60mm，焊缝间距为400-500mm；

其中，在进行定位焊缝的焊接时，q420钢材屈服强度≥420mpa，根据焊接材料匹配原则，焊接材料需要满足钢板强度要求。同时焊丝要具备较好的抗裂性，避免形成裂纹，而经过实践表明，当所采用的药芯焊丝满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求时，可满足焊接材料匹配原则要求，同时确保焊丝具有较好的抗裂性。

具体的，步骤2中，所采用的焊丝为天泰twe-81k2的药芯焊丝，直径规格为1.2mm。当然，本发明所采用的焊接材料并不限于天泰twe-81k2的药芯焊丝，可根据需求具体选择，只要满足焊接材料满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求即可。

本发明实施方式中，过高的定位焊缝容易影响到焊缝背面成形，定位焊缝长度和间距主要影响待焊钢板装配的拘束作用，若定位焊缝长度过短、定位焊缝间距过长，则定位焊缝提供不了足够的拘束作用，导致焊缝开裂；若定位焊缝长度过长、定位焊缝缝间距过短，均增加待焊钢板装配定位焊接量，影响待焊钢板装配效率。fcb焊接中，完成装配和定位焊后的钢板通过辊道输送至焊接工位，相对于吊运输送的方式，输送过程不容易造成定位焊开裂。而且fcb焊接过程钢板背面采用磁铁吸附固定，能够提供一定的拘束作用。本实施例综合考虑以上因素并经过实践表明，当定位焊缝高度为4-5mm，定位焊缝的长度为50-60mm，焊缝间距为400-500mm时效果最佳，能够提供足够的拘束力作用，使定位焊缝不容易开裂。

步骤3，采用半自动式co2气体保护焊的方式在y型焊接坡口的两端分别焊接引弧板和熄弧板；其中，引弧板、熄弧板与焊接板材的材质、厚度、坡口尺寸、钝边及根部间隙相同；

本发明实施方式中，焊接板材的尺寸为厚40mm×长2000mm×宽2000mm，引弧板、熄弧板的长可为300mm，宽为250mm，并且引弧板、熄弧板也均为q420高强度钢厚板，其厚度、坡口尺寸均与本发明实施方式中的待焊钢板的相同，能够有效保证正式焊缝焊接过程的稳定性，避免在正式焊缝始端和终端形成焊接缺陷。

其中，q420钢材屈服强度≥420mpa，根据焊接材料匹配原则，焊接材料需要满足钢板强度要求。同时焊丝要具备较好的抗裂性，避免形成裂纹，而经过实践表明，当所采用的药芯焊丝满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求时，可满足要求焊接材料匹配原则。具体的，本发明实施方式中，所采用的焊丝为天泰twe-81k2的药芯焊丝，直径规格为1.2mm。同样的，本发明所采用的焊接材料并不限于天泰twe-81k2的药芯焊丝，可根据需求具体选择，只要满足焊接材料满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求即可。

步骤4，在焊接坡口两端焊接阶梯式拘束焊缝，其中

如图3所示，焊缝始端拘束焊缝焊接两层：第一层焊缝距待焊钢板始端长度150-170mm，第二层焊缝距待焊钢板始端长度50-70mm；

如图4所示，焊缝终端拘束焊缝焊接五层：第一层焊缝距待焊钢板终端长度350-360mm，第二层焊缝距待焊钢板终端长度330-340mm，第三层焊缝距待焊钢板终端长度310-320mm，第四层焊缝距待焊钢板终端长度290-300mm，第五层焊缝距待焊钢板终端长度270-280mm；

本发明实施方式中，所采用的药芯焊丝满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求，以提高定位焊缝的抗裂性。具体的，步骤4中，所采用的焊丝为天泰twe-81k2的药芯焊丝，直径规格为1.2mm。同样的，本步骤所采用的焊接材料并不限于天泰twe-81k2的药芯焊丝，可根据需求具体选择，只要满足焊接材料满足awsa5.29标准中e81t1-k2cj型号的规定要求即可。

步骤5，fcb焊接材料采用满足ccs船级社3y42等级要求的焊丝、表面焊剂、背面焊剂组合；其中，l极焊丝为直径规格为4.8mm的实芯焊丝，t1极焊丝为直径规格为4.8mm的实芯焊丝，t2极焊丝为直径规格为6.4mm的实芯焊丝；

具体的，步骤5中，采用牌号为神钢us-36ls且直径规格为4.8mm的实芯焊丝作为l极焊丝，采用牌号为神钢us-36t且直径为4.8mm的实芯焊丝作为t1极焊丝，采用牌号为神钢us-36t且直径规格为6.4mm的实芯焊丝作为t2极焊丝；并且选择牌号为神钢pf-i55e的焊剂作为表面焊剂，选择牌号为神钢pf-i50r的焊剂作为背面焊剂。采用牌号为神钢us-36ls、us-36t、us-36t的焊丝，匹配表面焊剂pf-i55e、背面焊剂pf-i50r，能够满足ccs船级社3y42等级要求，焊接材料组合已经获取了ccs船级社3y42等级认可。

ccs规范规定并认可的焊材等级有1、2、3、1y、2y、3y、4y、2y40、3y40、4y40、5y40、3y42……等33个等级，3y42为其中一个级别，规定焊接材料熔敷金属屈服强度≥420mpa，抗拉强度530-680mpa，伸长率≥20％，-20℃下冲击试验平均冲击功≥47j。

步骤6，将干燥的表面焊剂预先添加在焊剂料斗中，并且焊剂料斗保持在75℃～85℃温度；

本发明实施方式中，必须保证表面焊剂的干燥，若在表面焊剂添加前表面焊剂已经受潮，则表面焊剂应经过250-350℃烘焙1小时后，再加入焊剂料斗中。

焊剂料斗保持在75℃～85℃温度，同样是为了避免空气中的水汽进入表面焊剂，保持表面焊剂的干燥。

步骤7，对铜衬垫表面的熔渣及杂物进行清理，然后将背面焊剂铺撒在铜衬垫上，铺撒厚度为5mm-6mm，宽度为100mm-120mm；铺撒完成后，将铜衬垫对中坡口中心后紧贴焊接坡口背面，再对待焊钢板表面坡口两侧100mm范围内进行敲击，使背面焊剂能够与待焊钢板背面紧密贴合；

本发明实施方式中，同样需要保持铜衬垫的干燥，若铜衬垫表面受潮，应采用火炬对铜衬垫进行烘烤去除水分。

其中，将铜衬垫对中坡口中心后紧贴焊接坡口背面后时，衬垫装置内的压力软管气压设置为0.10mpa-0.12mpa。其中衬垫装置是指铜衬垫以及带动铜衬垫上下左右运动的设备装置。

本发明实施方式中，若气压过小，铜衬垫无法紧贴钢板背面，焊接熔融金属容易从钢板背面流出，形成烧穿现象；气压过大，铜衬垫对钢板的顶压力过大，容易引发钢板变形；因此当气压设置在0.10mpa-0.12mpa时较为合适。

步骤8，如图5所示，将各电极对中焊接坡口中心，调节焊枪角度和距离，其中：l极前倾13°，导电嘴到工件距离35mm；t1极前倾0°，导电嘴到工件距离40mm；t2极后倾3°，导电嘴到工件距离45mm；l极与t1极间距35mm，t1极与t2极间距130mm；然后将焊接机头调节至引弧板位置，并在焊丝端部放置引弧棉，打开表面焊剂漏斗开关放下表面焊剂后启动焊接；

本发明实施方式中，焊接时，l极、t1极、t2极的电源特性均选择交流特性，焊接速度设置为36cm/min，各电极的焊接参数设置为：

l极：焊接电流1430-1470a，焊接电压34-36v；

t1极：焊接电流1280-1320a，焊接电压39-41v；

t2极：焊接电流1280-1320a，焊接电压45-47v。

对焊接过程进行监控，根据焊接状态及时对焊接参数进行微调，并且焊接机头焊接至熄弧板后再熄弧停止焊接；

本发明实施方式中，l极倾斜角度主要影响背面成形效果，t2极倾斜角度主要影响表面成形效果。导电嘴到工件的距离需要跟焊接电流、焊接电压匹配，其参数过大或过小都会影响焊接稳定性。l极与t1极间距以35mm为最佳，间距过小两电极间形成干扰，过大容易形成焊接夹渣缺陷，t1极与t2极间距以130mm为最佳，过小则t2极容易使l极、t1极形成的焊缝再熔化产生背面凹陷，过大也会形成焊接夹渣缺陷。

焊接过程中，l极采用较大的电流和较小的电压，可以获得较大的熔深，确保焊缝背面成形效果。t2极采用较小的电流和较大的电压，可以改善焊缝表面成形效果。t1极主要起填充作用，焊接电压居于l极和t2极之间，可以调节熔宽，确保根部和面部的熔宽能够平缓过渡，避免形成未熔合、夹渣等焊接缺陷。由于fcb焊接为一次成形焊接工艺，各电极焊接电流、焊接电压以及焊接速度必须与焊接坡口高度匹配，否则会影响总体的焊缝成形效果。

步骤9，焊接结束后，将待焊钢板移动至修补工位，对起弧端、收弧端的拘束焊缝位置未焊透缺陷进行气刨清理，采用机械打磨方式打磨气刨坡口；再采用半自动co2气体保护焊仰焊方式对气刨坡口进行补焊；气刨坡口补焊完成后再采用机械打磨方式对补焊焊缝表面进行机械打磨，确保补焊焊缝与周围进行能够圆滑过渡；

步骤10，切除q420高强度钢厚板的两端引弧板、熄弧板。

进一步的，步骤4中，拘束焊缝焊接时，均需在q420高强度钢厚板正式坡口内引弧，并在引弧板、熄弧板内收弧，避免焊接收弧位置出现的弧坑缺陷留在待焊钢板坡口内，影响正式焊缝的焊接质量。

本发明实施方式中，焊接完成24h后，对焊接接头进行无损检测和力学性能测试试验，结果为：对焊接接头进行磁粉检测，焊缝表面无缺陷，满足gb/t26952-2011的2x要求；对焊接接头进行超声波检测，焊缝内部无缺陷，满足gb/t29712-2013的2级要求。其中，焊接接头抗拉强度检测结果、焊接接头弯曲试验检测结果、焊接接头冲击韧性检测结果分别如下所示：

焊接接头拉抗拉强度检测结果

焊接接头弯曲试验检测结果

焊接接头冲击韧性检测结果

其中，上述表格中，wm表示焊缝中心位置，fl表示熔合线位置，fl+2表示距离熔合线2mm的热影响区位置，fl+5表示距离熔合线5mm的热影响区位置；fl+10表示距离熔合线10mm的热影响区位置；面部为距离试样表面2mm处，根部为距离试样背面2mm处。

从以上表格可以看出，q420高强度钢厚板进行焊剂铜衬垫法埋弧焊焊接后的焊接接头力学性能满足《钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验》(gb/t19869.1-2005)的规范要求，焊接工艺评定获得项目监理工程师认可。

综上所述，本发明通过严格控制焊接坡口参数、严格进行待焊钢板装配和清理、在焊缝的始端和终端焊接阶梯法拘束焊缝、选择合适的焊丝和焊剂组合、匹配合适的焊接工艺参数以控制焊接热输入量进行焊接，实现fcb埋弧焊工艺在q420高强钢厚板焊接上的应用。本发明不仅可以提高q420高强钢厚板拼板焊接效率，确保q420高强钢厚板焊接接头的力学性能能够满足标准规范的验收要求，而且还可以有效避免焊接缺陷的产生，使q420高强钢厚板的高效率、保质量焊接成为可能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。