采用藥芯焊絲減少結(jié)構(gòu)件焊接變形的機(jī)理研究

張狄林 劉軼強(qiáng) 李再華（. 海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室, 湖南 40； . 湘潭電機(jī)股份有限公司, 湖南 40）

1 引言

目前，藥芯焊絲在造船等對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的行業(yè)已經(jīng)獲得大量應(yīng)用，其不同于實(shí)芯焊絲的優(yōu)點(diǎn)得到了充分的體現(xiàn)。例如，采用藥芯焊絲焊接時(shí)無(wú)飛濺，焊縫的機(jī)械性能好，焊縫表面質(zhì)量高，焊縫的熔敷效率高，焊接線能量?。ú捎盟幮竞附z焊接時(shí)的線能量只有實(shí)芯焊絲的三分之二左右）等等。但是，有關(guān)藥芯焊絲與實(shí)芯焊絲焊接時(shí)引起的結(jié)構(gòu)件的焊接變形則少有報(bào)導(dǎo)。本文通過(guò)試驗(yàn)研究與理論分析，對(duì)藥芯焊絲能大幅度地減少焊接件的焊接變形機(jī)理進(jìn)行了論證。

2 材料的選擇與制備

通過(guò)調(diào)研，我們選定企業(yè)規(guī)模國(guó)內(nèi)一流，技術(shù)力量雄厚的某焊業(yè)集團(tuán)的YJ501-1（Ф1.2 mm）藥芯焊絲做試驗(yàn)。采用ER50-6（Ф1.2 mm）實(shí)芯焊絲做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用的鋼材為 Q235-B鋼板，表 1 為 YJ501-1（Ф1.2 mm）和 ER50-6（Ф1.2 mm）的基礎(chǔ)參數(shù)。

表1 YJ501-1和ER50-6基礎(chǔ)參數(shù)

3 焊接試驗(yàn)研究

3.1 焊接能量分布對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了比較藥芯焊絲和實(shí)芯焊絲的焊接線能量分布情況，在相同的焊接電流和焊接電壓下采用相同直徑的藥芯焊絲和實(shí)芯焊絲分別進(jìn)行了焊接實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了兩種焊絲的焊縫截面形狀。

圖1和圖2分別表示了實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲的焊縫布置情況。采用的母材都是厚度為20 mm的 Q235-B鋼板。圖1中的焊縫1，3，5，7都是采用實(shí)芯焊絲焊接的；圖2中的焊縫2，4，6，8都是采用藥芯焊絲焊接的。在圖1和圖2中，焊縫1和焊縫2采用的焊接電流和焊接電壓相同；焊縫3和焊縫4采用的焊接電流和焊接電壓相同；焊縫5和焊縫6采用的焊接電流和焊接電壓相同；焊縫7和焊縫8采用的焊接電流和焊接電壓相同。具體的焊接電流和焊接電壓如表2所示。

圖1 ER50-6實(shí)芯焊絲焊縫布置示意圖

圖2 YJ501-1藥芯焊絲焊縫布置示意圖

圖3為實(shí)驗(yàn)得到的不同焊接規(guī)范下實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲焊縫形貌照片，其中左邊為實(shí)芯焊絲焊縫形貌照片，右邊為藥芯焊絲焊縫形貌照片。每條焊縫的長(zhǎng)度為150 mm左右，取樣位置都在150 mm焊縫范圍內(nèi)焊接參數(shù)穩(wěn)定、焊縫成型美觀處。所有照片都是采用銑削加工經(jīng)拋光和硝酸酒精溶液腐蝕后得到的光學(xué)顯微鏡照片。

表2 實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲焊接工藝參數(shù)對(duì)比表

圖3 實(shí)芯焊絲（左）和藥芯焊絲（右）焊縫形貌照片

從圖3可以看出：在相同的焊接電流和焊接電壓條件下，實(shí)芯焊絲焊縫的熔深明顯大于藥芯焊絲焊縫；在平板上堆焊的情況下，實(shí)芯焊絲的堆高小于藥芯焊絲的堆高；實(shí)芯焊絲的熔池面積與藥芯焊絲的熔池面積基本相等。

為了分析兩種焊絲焊接時(shí)的能量分布情況，基于上述現(xiàn)象，針對(duì)相同焊接規(guī)范下兩種焊絲的焊縫形狀，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖4所示的實(shí)芯焊絲與藥芯焊絲的熔池截面分析模型。在圖4所示的模型中：4點(diǎn)的深度明顯大于d點(diǎn)的深度；3點(diǎn)的高度小于c點(diǎn)的高度；12的長(zhǎng)度大于ab的長(zhǎng)度；截面1234與截面abcb面積基本相等。

圖4 熔池截面分析模型

由圖4所示的模型可以看出：在相同的焊接電流和焊接電壓條件下，實(shí)芯焊絲用于熔化母材的能量大于藥芯焊絲用于熔化母材的能量（即 4點(diǎn)的深度明顯大于d點(diǎn)的深度）；實(shí)芯焊絲的熔化量小于藥芯焊絲的熔化量，即 3點(diǎn)的高度小于 c點(diǎn)的高度；實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲所熔化的金屬總量（包括焊絲和母材金屬）基本相等，即截面1234與截面abcb面積基本相等。

由此可推斷：在輸入熱量相等的條件下，實(shí)芯焊絲的熔化量小于藥芯焊絲的熔化量，即藥芯焊絲的熔敷效率高于實(shí)芯焊絲；在熔化相同金屬量（焊絲）的條件下，實(shí)芯焊絲輸入的能量要大于藥芯焊絲輸入的能量。換言之，在焊接相同結(jié)構(gòu)件的情況下，實(shí)芯焊絲輸入的能量要大于藥芯焊絲輸入的能量，即如果以熱輸入量衡量一個(gè)結(jié)構(gòu)件的焊接變形的話，實(shí)芯焊絲所焊接結(jié)構(gòu)件的變形量要大于藥芯焊絲焊接結(jié)構(gòu)件的變形量。

3.2 反變形量試驗(yàn)研究

焊接變形可以用焊接過(guò)程中工件的反變形量來(lái)直觀地衡量。

為了研究?jī)煞N焊絲焊接過(guò)程中的反變形量的變化情況，我們制作了如圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)試樣，并通過(guò)焊接實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲在焊接過(guò)程中的反變形高度變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：采用同一種焊絲焊接時(shí)，試件的反變形高度隨焊接電流和焊接電壓的變化而變化；在相同的焊接電流和焊接電壓條件下，采用實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲焊接時(shí)試件的反變形高度也不同。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

圖5 反變形量實(shí)驗(yàn)試板

由表3可以看出：在相同的焊接參數(shù)下（相同的焊接電流和焊接電壓），采用藥芯焊絲焊接時(shí)工件的反變形高度小于實(shí)芯焊絲焊接時(shí)工件的反變形高度。

這一現(xiàn)象由圖3中兩種焊絲的焊縫形貌照片和圖4熔池截面分析模型可以得到很好的解釋。由圖3和圖4可以看出：在相同的焊接電流和焊接電壓條件下，采用實(shí)芯焊絲得到的焊縫窄而深，而采用藥芯焊絲得到的焊縫寬而淺，兩種焊絲的熔合面積大致相等，但采用實(shí)芯焊絲焊接時(shí)母材的熔化量明顯大于采用藥芯焊絲焊接時(shí)的母材熔化量。這說(shuō)明：采用實(shí)芯焊絲焊接時(shí)輸入母材的熱量大于采用藥芯焊絲焊接輸入母材的熱量。金屬材料都有熱脹冷縮的特點(diǎn)，由于實(shí)芯焊絲焊接時(shí)輸入母材的能量大于藥芯焊絲焊接時(shí)輸入的能量（即熔池面積大），而且注入工件的熱量更為集中，在熔池冷卻過(guò)程（即熔池凝固過(guò)程）中就會(huì)產(chǎn)生大于藥芯焊絲的冷縮量，從而造成采用實(shí)芯焊絲焊接時(shí)的反變形高度大于采用藥芯焊絲焊接時(shí)的反變形高度。由此可見(jiàn)：采用藥芯焊絲可以有效減少結(jié)構(gòu)件的焊接變形。

表3 不同條件下的反變形高度

4 結(jié)論

（1）在相同的焊接條件下，實(shí)芯焊絲的焊縫窄而深，藥芯焊絲的焊縫寬而淺。

（2）藥芯焊絲的熔敷效率高于實(shí)芯焊絲。熔化相同重量的實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲，實(shí)芯焊絲所需的能量要大于藥芯焊絲。

（3）在相同的焊接條件下，實(shí)芯焊絲的焊接變形量大于藥芯焊絲的焊接變形量。采用藥芯焊絲可以有效減少結(jié)構(gòu)件的焊接變形。

（無(wú)參考文獻(xiàn)）