细丝双弧埋弧焊的材料工艺选择及调整

细丝双弧埋弧焊的材料工艺选择及调整
简述了细丝双弧埋弧焊接方法的原理和持点，测定了该方法不同参数焊接时的熔化系数和熔敷系数，得出了焊缝截面与焊接电流的回归方程，研究并解决了不同的焊接参数与材料匹配的焊接接头关于强韧匹配方面的问题。

1 细丝双弧埋弧焊的原理及特点
细丝双弧埋弧焊的原理如图1所示。

根据两根焊丝间距的不同，其方法有共熔池法和分离电弧（即不共熔池）法两种，两者均可提高生产率。

前者特别适合焊丝掺合金堆焊或焊接合金钢；后者能起前弧预热、后弧填丝及后热作用，以达到堆焊或焊接合金钢不出裂纹和改善接头性能的目的。

后者早在上世纪 50年代初前苏联就用于不预热堆焊。

w（C）为 0.5％－0.8％的火车轮缘，其专用轮缘焊机已有批量生产，国内也有该类设备，但应用很少；前者的应用更是未见报道。

细丝双弧埋弧焊除具有细丝单弧埋弧焊熔化系数高、节约用电等特点外，还有以下几个方面的特点：
（1）生产率高。

由于两个电源供两个电弧同时焊接，比单丝单弧埋弧焊生产率高 1倍。

例如用 350 A细丝双弧埋弧焊代替粗单丝单弧埋弧焊，其熔敷率
比为 10.5／6.4，可提高生产率65％以上。

（2）裂纹倾向小：一般情况下，焊接 w（C）高的母材或厚板都要预热以减小裂纹倾向。

细丝双弧埋弧焊比细丝单弧埋弧焊裂纹倾向更小，焊接w（C）O.8％的钢无需预热。

在焊接厚度为24－50 mm 的14MnNb钢时不预热来见裂纹。

甚至采用合理的材料和工艺匹配不预热焊接24mm 厚的D6AC超高强钢（强度 1350 MPa，成分与45CrNiMo 相近）时也未见裂纹。

（3）接头力学性能好：细丝双弧埋弧焊双弧前后串列，焊丝间距为25—35 mm，这样可造成有利的窄长温度场和双峰循环，可以降低熔池的最高温度，减少过热程度和热影响区宽度，提高热影响区韧性，还增加熔池冷却时的t8/5 和
t8/3 ，前者可改善焊缝组织性能，后者可减小裂纹倾向、另外前焊丝起预热和打底作用，后焊丝起调整成分和后热作用，由此可见，细丝双弧埋弧焊是改善焊接接头性能的好方法。

（4）焊接熔合比较小：由于细丝双弧埋弧焊每个电弧电流比粗丝焊接时小，熔深减小，其熔敷金属量与熔化母材之比要比单丝埋弧焊大得多，因此熔会比小，可为控制焊缝成分、减小焊接高碳钢和合金钢的裂纹倾向，改善焊缝性质创造条件。

2 双丝焊的熔化系数及熔敷系数的测定
一般情况下，手工焊及粗丝自动焊的熔化系数及熔敷系数各自的变化范围不大，而细丝自动焊由干电流变化范围宽，加上电阻热的作用，熔化系数及熔敷系数的变化大，所以熔化系数及熔敷系数的确定就成为选定焊接工艺的基础。

为此采用日本材料 SM49OC（相当 14MnNb）与 H08MnE焊丝＋SJ1O1焊剂匹配，测定了2 mm 双丝埋弧焊的熔化系数及熔缴系数（由总电流及总熔敷计算），并由此
计算出了相应的损耗率。

试验结果如表1 所示。

由表1可以看出，焊接电流越大，熔化系数及熔敷系数越大，与其它的资料[1]介绍的焊接方法（如图2）相比较，其熔化系数只略低于药芯焊丝CO2焊。

3 电流与熔化系数和焊丝熔化量与熔敷截面的关系
电流与熔化系数和焊丝熔化量与熔敷截面的关系可由表1试验结果计算出不同焊接工艺参数时的熔敷截面FH（表2）。

由此看出，焊接电流越大，熔化系
数及熔敷系数越大，焊丝熔化量越大，另外，一定的焊丝熔化量在一定焊接速度下所形成的熔敷截面也就越大。

4 船形焊角焊缝的参数选择
单丝焊船形焊角焊缝已有一些参考数据的介绍，双丝双弧焊的参数选择还无资料可查。

根据前面的熔化系数与熔敷截面的关系做出初步选择并与现有资料进行比较，见表3。

由表3可以看出，在所选参数范围内，双丝焊有可能满足无坡口角接更大尺寸一次成形的要求。

而且用于5mm粗丝，小的电流和同样的速度或用同样的电流、较快的速度也可达到同样的焊脚尺寸。

5 焊接工艺的调整
对不同焊接参数计算的由熔敷系数计算熔敷截面和由焊缝截面实测的熔敷截面进行比较（表4）。

可以看出两者大体相近，一般偏小的多，因此根据计算选出的焊接参数试验后还要做适度调整。

另外由于熔敷系数计算熔敷截面规律性较强，采用线性回归的方法可得出下列公式，相关系数均在 0.99以上，由此可在选定电流和焊接速度后求出焊缝熔敷截面，也可根据焊脚尺寸或坡口形式计算出焊缝熔敷截面（FH）、焊接速度（vH）和焊接电流（IH）。

由实测的焊缝熔敷截面得出的回归公式，相关系数只在 0.95左右，但总体仍与计算熔敷截面得出的相近，故不推荐。

vH1 ＝1Om／h时：FH1 ＝0.0025 IH1－0.48 （1）
vH2 ＝15m／h时：FH2 ＝0.0016 IH2－0.18 （2）
vH3 ＝20m／h时：FH3 ＝0.0011 IH3－0.13 （3）
vH4 ＝24m／h时：FH4 ＝0.0010 IH4－0.12 （4）
6 焊接接头的性能
焊接接头性能主要由母材和焊接材料成分确定，在母材和焊接材料成分一定的情况下，焊接参数对焊接接头性能的影响很大，这时焊缝成分由熔合比γ确定，γ又与焊接参数有关。

在焊缝成分一定的情况下，仅与焊缝的冷却速度（由板厚、接头形式、焊接方法和工艺参数确定）有关。

而热影响区的性能则主要由母材成分确定，在母材成分一定的情况下，则由t8/5来确定。

6.1 焊接参数对焊接接头各区硬度的影响
不同焊接参数的焊接接头各区硬度试验结果见表5。

由3-1－3-4比较：除母材外的各区硬度随焊接速度的减小而降低。

由3-1与1-1、3-2与1-2、3-3与1-3和3-4与1-4比较：在焊接速度vH相同时，除母材外，各区硬度基本随焊接电流减小而增加。

还可看出其硬度分布是不均匀的，熔合区硬度最高，焊缝及热影响区次之，母材最低。

但焊接电流相同时，在vH降到10.7 m/h，焊缝硬度还低于母材，甚至热影响区的低值区的硬度也低于母材。

分析其原因，可能是由于焊接热输入增加后，焊缝的冷却速度减小，后丝的后热处理效果得到进一步加强所致。

6.2 不同焊丝匹配焊接接头的性能
为了进一步研究选材，便于做冲击的试件，也为了探索用于对接和熔透角焊缝的可行性，进行了对接模拟试验和熔透角焊缝模拟试验。

母材为厚度 50 mm 的14MnNb板材；焊接材料选用了三种组合：①H08C（相当于H08Mn2E＋微量V，B，Ti）＋HO8E＋SJ101；② H08E＋H08MnE＋SJ101；③ H08MnE＋H08MnE＋SJ101。

坡口形式：65度V形，深度 13 mm，计算截面FH = 1.30 cm2。

焊接方祛：细丝双弧埋弧焊所选焊接参数希望一次焊满。

工艺参数为：IH1=38O A，IH2=360 A; UH1=38 V，UH2＝4OV； vH=10.7m／h; 热输入为48.6J／cm＋48.4J／cm。

焊接试验结果证明可一次焊满FH＝1.30cm2的对接或熔透角焊缝。

模拟对接接头性能试验结果如表6所示。

由表 6可以看出：①所选 3种匹配中 H08E＋HO8C＋SJ1O1和H08MnE＋
H08MnE＋SJ101两者韧性及塑性相近，前者屈强比和韧强比低，强度高，但都能达到技术要求并有相当的余量。

②H08E＋HOSMnE＋SJ1O1 匹配只是屈强比与
H08E＋H08C＋SJ1O1相近，但其它性能指标均低于前两种，并且达不到技术要求。

7 结论
通过试验结果分析，可以得出以下结论：
（1）细丝焊由于熔化系数高于粗丝焊，在同一焊接电流时生产率高于粗丝焊，但一般粗丝焊电流大，所以实际生产率高。

细丝双弧埋弧焊由于总电流可达到甚至超过粗丝焊，因而生产率可高于粗丝焊，并且由于温度场和热循环的改善，提高了焊接接头质量和性能。

（2）焊接参数对焊缝成形和焊接接头性能有很大影响，细丝双弧埋弧焊接参数变化范围很宽，根据得到的回归方程与性能试验结果，可在很宽的范围内调控焊缝成形和焊接接头性能。

（3）所选工艺（虽然热输入很大），其中 HO8E＋H08C＋SJ1O1和HO8MnE ＋HO8MnE＋SJ101两种匹配的性能（特别是接头的韧性和屈强比）均能满足
14MnNb桥梁钢材一般角接、熔透角接与对接的技术要求，且有较大余量；HO8E ＋H08MnE＋SJ101匹配不能满足技术要求。