焊接坡口对焊接接头安定性的影响研究

农斌

摘要：在焊接结构的生产中，结构的承载能力是人们普遍关注的问题。有许多因素均对结构的承载性能产生影响，焊缝坡口形式就是其中重要的工艺参数之一。开坡口的目的是为了保证电弧能深入焊缝根部，使根部焊透，以及便于清除熔渣，获得较好的焊缝成型，保证焊接质量，而且坡口能起到调节基本金属和填充金属比例的作用。在保证相同焊缝强度下，开坡口能减少焊接材料的消耗，降低生产成本。坡口形式的选择，不仅直接影响到焊接结构的生产成本，而且将直接影响到接头的化学成分、组织和力学性能。因此，研究焊接坡口形式对接头性能的影响规律，可以为正确选择坡口形式提供理论依据，这对保证焊接生产质量将具有重大的现实意义。

关键词：焊接坡口；焊接接头；安定性；影响

引言

近些年，国内外许多专家学者一直致力于研究焊缝匹配对焊接构件强度的影响。然而，他们往往只考虑焊条的选配以及制造工艺的处理方法等因素，对设计阶段坡口形式的选取这一环节没有针对性地进行研究，而试验结果表明，这一影响因素的作用是不容忽视的。

1半管夹套焊接试验

某半管夹套，筒体内径2000mm，筒体壁厚10mm，半管外径57mm，壁厚3mm，半管与半管之间的距离为30mm。筒体和半管均为薄壁结构，而且相对半管来说，筒体的圆度很小，因此试验中将筒体简化为平板，尺寸为200mm×80mm×10mm。半管夹套和平板材质均为304不锈钢。管板焊接坡口设计成三种形式：45°外坡口，不开坡口和2mm平行坡口。

三种不同坡口形式采用相同的焊接工艺参数，由于半管厚度较薄，仅为3mm，因此，每条焊缝均采用单道焊焊接完成，焊接方式为焊条电弧焊，焊接电流120A，焊接电压30V，焊接速度6mm/s。由于夹套承压，因此焊接根据JB/T4709《压力容器焊接规程》要求执行。焊前需清理坡口及其两侧20mm范围内的油污、杂物。焊缝冷却至室温后，打磨掉焊缝的氧化皮。为观察焊接接头形貌，首先对焊接接头横截面进行打磨、抛光，然后用王水溶液润湿，最后用丙酮溶液清洗后吹干待用，再观察不同坡口下焊接接头焊缝形貌。

2有限元分析及讨论

通过对焊接接头分别进行安定性分析，得到不同厚度下几种焊接结构的安定范围。分析模型中焊接材料的屈服应力虽然稍高于母材，但由于其较高的弹性模量，塑性变形区域均首先发生在焊接管道内壁的焊接区。考虑到焊接接头型式与管壁厚度有关，厚度为20，40和80mm时不同焊接接头的安定域。安定域越大，说明结构在循环载荷下的承载能力越强。

当厚度为20mm时，单面焊的安定域最大，这是由于焊接垫板的加强作用所致，而其他结构的安定域基本一致；当厚度为40mm时，U形接头的安定域最大；当厚度为80mm时，双U形接头的安定域较大。综上可看出，采用U形坡口的焊接接头具有较好的承载能力。

2.3厚度对UV形焊接接头安定性的影响

为研究同种坡口在不同厚度下的安定性，在R一定时，对厚度为30，40，80，120mm的UV形焊接接头进行分析，弹/塑性安定边界基本不变，这是由于不同厚度条件下内外壁温差相同，其最大热应力也相同。但是壁厚增大，加强了结构的承载能力，其弹性安定/棘轮边界明显增大。

2.4焊材屈服应力对焊接接头安定性的影响

焊材是影响焊接结构安定性的重要因素，特别是焊材的屈服应力对结构安定性影响较大。由上文分析可知，不同条件下焊接接头的弹性安定/棘轮边界（斜线）基本不变，而弹/塑性边界（水平线）随坡口型式及壁厚而变化。因此，下文主要研究材料屈服应力对弹/塑性边界的影响。焊材的屈服应力变化时，首先发生棘轮的区域也会随之变化。以UV形焊接接头为例，当焊材的屈服应力σyw增大为母材屈服应力σyp的1．413倍时，首先发生棘轮的区域由焊材区WM变为母材区PM。因此，焊接接头的安定极限载荷要取焊材区和母材区中安定极限载荷的较小值，即Ps=min{Pps，Pws}。

弹/塑性边界随材料屈服应力的变化存在一个“拐点”，该“拐点”将其分为两个区域，其中斜线部分表示首先发生棘轮的区域是焊材区，水平线部分表示棘轮首先发生在母材区。若焊材的屈服应力过小，则棘轮首先发生在焊接区，加之焊接区不可避免地存在微孔洞、微裂纹等内部缺陷，使焊接结构更容易发生失效。因此，在选取焊材焊接时，应选材的屈服应力，即焊材屈服应力σyw与母材屈服应力σyp的比值应大于“拐点”值。

2.5坡口形式对接头冲击韧度的影响

用同种焊材，对两种坡口形式的焊缝及熔合区的冲击韧度变化情况进行分析，可以得到以下结果。

①坡口形式对熔合区的冲击韧度影响不大，而坡口形式对焊缝的冲击韧度影响较大。②X型坡口随理论匹配强度升高，韧性变化较为均匀；V型坡口，从J427→J507降低幅度较小，而从J507→J607降低幅度较大。③除采用J607焊条外，V型坡口的冲击韧度均比X形坡口的好。，X型坡口熔合比大于V型坡口，所以X型坡口受母材成分和性能的影响更大。当匹配为低、等匹配时，熔合区往往是接头的最薄弱环节，韧性最差。X型坡口熔合区因为熔入较多的母材成分，其化学成分和显微组织也较为不均匀，对接头韧性不利；当采用J607焊条，接头匹配为高匹配，而高匹配接头韧性主要取决于焊缝。X型坡口焊缝中熔合了较多强度低、韧性好的母材，有利于韧性的提高。

3焊接用铸造法兰的品质提升

3.1存在的主要缺陷

该铸件经机加工后发现大法兰面存在气孔缺陷；焊接坡口经着色探伤后发现存在缩孔缩松缺陷，铝筒焊接后的焊缝X射线探伤低于Ⅱ级标准。

（1）法兰面气孔缺陷该铸件采用树脂砂造型和制芯，在造型和制芯过程中，由于面砂未填充紧实，涂料无法将其覆盖，导致铝液在充型过程中流动性降低，同时产生卷气和二次氧化缺陷；砂芯烘烤温度低、烘烤时间短，水分未充分蒸发，导致铸件内部产生气孔、针孔等铸造缺陷。

（2）焊接坡口部位缩孔、缩松缺陷焊接坡口部位由于壁厚相对铸件本体较薄，铝液的充型及补缩效果差，导致该部位在凝固过程中无充足的铝液进行有效补缩，铸件的组织致密性较低，经着色探伤检查，发现存在较严重的铸造缺陷。对焊接后的焊缝进行X射线探伤检查，低于《承压设备无损检测》所要求的Ⅱ级检验标准，无法在产品中使用。

3.2改进措施

在分析铸造缺陷产生原因的基础上，我们对该铸件的工艺进行了优化改进，措施如下：

（1）造型过程中采用震实台对型砂进行震实，刷涂料前对型腔表面进行检查并对缺陷部位进行修复，确保砂型型腔内表面光滑、致密。

（2）采用烘烤炉，将型腔、砂芯整体进行烘烤，蒸发型腔的水分，消除针孔、卷气等缺陷，同时可预防型腔的浇注温度过低。

（3）对焊接坡口部位的内、外表面均采用冷铁进行激冷，并在顶部设置冒口，以加快该部位的凝固速度，增强补缩效果，提高基体的组织致密性。将实心砂芯改为空心砂芯，增强砂芯的排气效果；使用前对砂芯再次进行表面烘干。

4结论

1）坡口形式对熔合比有较大的影响。X型坡口的熔合比大于V型坡口的熔合比；而焊接材料对熔合比的影响则无明显规律。

2）坡口形式对匹配比有一定的影响。X型坡口的实际匹配比高于其理论匹配比以及V型坡口的实际匹配比。

3）坡口形式对接头组织及力学性能的影响是不容忽视的。其他条件相同，当等匹配或近似等匹配时，V型坡口接头的硬度及强度比X型坡口低，但接头韧性较好；当超高匹配时，V型坡口接头的强度及硬度较低，韧性也较X型坡口差。

参考文献：

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