手工自蔓延焊接熱循環(huán)測(cè)試與分析

吳永勝，王建江，辛文彤，武 斌

(軍械工程學(xué)院 先進(jìn)材料研究所，河北 石家莊 050003)

手工自蔓延焊接熱循環(huán)測(cè)試與分析

吳永勝，王建江，辛文彤，武 斌

(軍械工程學(xué)院 先進(jìn)材料研究所，河北 石家莊 050003)

焊接過(guò)程是一個(gè)牽涉到傳熱傳質(zhì)、金屬熔化與凝固的復(fù)雜過(guò)程，焊接能量分布、焊接熔池中的流體流動(dòng)及其傳熱過(guò)程對(duì)焊接質(zhì)量有著重要的影響。介紹了焊接熱循環(huán)試驗(yàn)原理和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，測(cè)試了手工自蔓延焊接熱循環(huán)，并將測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)焊接熱循環(huán)相比較，分析認(rèn)為：在焊縫中心線上的溫度循環(huán)中，距熔合線位置越遠(yuǎn)溫度越低，在焊縫橫截面上的溫度循環(huán)隨著布點(diǎn)距離的增大，溫度下降；熱循環(huán)在800℃以上停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致熱影響區(qū)成為手工自蔓延焊接接頭的薄弱區(qū)域，并提出了解決方案。

手工自蔓延焊接技術(shù)；焊接熱循環(huán)；組織

0 前言

焊接熱源沿焊件移動(dòng)時(shí)，焊件上某點(diǎn)的溫度由低而高，達(dá)到最大值后又由高而低的變化過(guò)程稱(chēng)為焊接熱循環(huán)，它是描述焊接過(guò)程中熱源對(duì)母材金屬的熱作用過(guò)程[1-2]。焊接熱循環(huán)曲線包含了焊件溫度變化的整個(gè)過(guò)程，而溫度的變化過(guò)程對(duì)焊接殘余應(yīng)力和變形的形成具有重要的作用，同時(shí)焊接熱循環(huán)是分析焊接熱影響區(qū)組織與性能的重要數(shù)據(jù)，這些信息對(duì)于了解焊接冷卻相變過(guò)程、接頭組織、應(yīng)力變形、提高焊接質(zhì)量都具有重要意義[3]。本試驗(yàn)采用燃燒型焊條堆焊Q235鋼板來(lái)測(cè)定手工自蔓延焊接熱循環(huán)。

1 試驗(yàn)原理和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

焊接熱循環(huán)測(cè)試的原理如圖1所示。其中熱電偶選用鎳鉻-鎳鋁熱電偶(Type K，Chromel(Ni-Cr alloy)／Alumel(Ni-Al alloy))。測(cè)試中采用了多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每次同時(shí)測(cè)量三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。Q235鋼焊板上的溫度測(cè)量點(diǎn)分布如圖2所示。沿焊縫方向布置了三個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)以測(cè)量熔合線溫度變化，三個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別距焊接表面1.6 mm、2.1 mm和2.6 mm，相鄰點(diǎn)間隔5 mm。

圖1 焊接熱循環(huán)測(cè)試原理Fig.1 Testing principle of the welding thermal cycle

圖2 Q235鋼板上的溫度測(cè)量點(diǎn)分布Fig.2 Temperature measuring point on Q235 steel

在垂直于焊縫中心線的方向上(橫向)布置了五個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)，以測(cè)量焊縫及其附近區(qū)域的溫度分布，5個(gè)測(cè)量點(diǎn)均距焊接表面0.6 mm，到焊縫中心線的距離分別為0 mm、5 mm、10 mm、15 mm和20 mm。試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境溫度為30℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)焊縫中心線上的溫度循環(huán)。

用燃燒型焊條進(jìn)行焊接，在焊縫中心線上到焊接表面垂直距離不同的三個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖3、圖4所示，由此得到各點(diǎn)的最高溫度、平均升溫速率和平均降溫速率如表1所示。

表1 焊縫中心線上到焊接表面不同距離處的最高溫度和升溫速率Tab.1 Maximum temperature and temperature rising ratio in different distance on center line

由熱循環(huán)曲線和熱循環(huán)參數(shù)可知，在焊縫中心線上距熔合線位置越遠(yuǎn)，試板達(dá)到的溫度越低，測(cè)得最高溫度為1 218.5℃(該點(diǎn)位置未達(dá)到熔合線)。在焊縫合金的冷卻過(guò)程中，800°C～500°C的冷卻時(shí)間t8／5＝35 s，與焊條電弧焊、氣體保護(hù)電弧焊和埋弧焊的t8／5(多在5～40 s之間)相當(dāng)[4]。

圖3 焊縫中心線上到焊接表面不同距離處的熱循環(huán)曲線Fig.3 Testing result of the welding thermal cycle in different distance on center line

圖4 焊縫中心線上到焊接表面不同距離處的溫度變化速率曲線Fig.4 Temperature changing rate curve in different distance on center line

(2)焊縫橫截面上的溫度循環(huán)曲線。

用鐵系焊條進(jìn)行焊接，在焊縫中心線上和距焊縫中心線垂直距離5 mm和15 mm溫度測(cè)量點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖5、圖6所示，各點(diǎn)的最高溫度、平均升溫速率和平均降溫速率如表2所示。

3 分析和討論

手工自蔓延焊接與低碳鋼焊條電弧焊堆焊熱循環(huán)之間的比較如表3所示。由表3可知：手工自蔓延焊接與焊條電弧焊的升溫速率相當(dāng)，均為5 s，兩者由于升溫速率快，當(dāng)溫度到達(dá)奧氏體相變溫度時(shí)，奧氏體相變滯后于升溫速度，相變溫度提高。由熱循環(huán)在800℃以上停留時(shí)長(zhǎng)的比較結(jié)果可知，手工自蔓延焊接是焊條電弧焊的四倍，則手工自蔓延焊接熱量對(duì)焊縫的熱傳導(dǎo)相對(duì)充分，造成焊縫過(guò)熱區(qū)寬度增大，使得在低碳鋼中焊縫的正火區(qū)范圍相比焊條電弧焊顯著減小，在熱影響區(qū)內(nèi)基本上沒(méi)有晶粒細(xì)化的相變區(qū)，由過(guò)熱區(qū)直接到達(dá)不完全重結(jié)晶區(qū)，且造成魏氏組織的快速生成和長(zhǎng)大，加寬焊縫熱影響區(qū)的脆性區(qū)間，嚴(yán)重降低焊縫的綜合力學(xué)性能；在t8／5的比較中，手工自蔓延焊接是焊條電弧焊時(shí)長(zhǎng)的3.5倍，在此區(qū)停留時(shí)間的長(zhǎng)短決定了焊縫組織和熱影響區(qū)組織的晶粒粗大生長(zhǎng)，由于在焊縫的冷卻過(guò)程中t8／5時(shí)長(zhǎng)為35 s，使得焊縫合金中低熔點(diǎn)成分能夠在結(jié)晶過(guò)程中充分生長(zhǎng)，晶粒粗大，同時(shí)在熱影響區(qū)內(nèi)由于過(guò)熱嚴(yán)重和t8／5相對(duì)較長(zhǎng)，使熱影響區(qū)內(nèi)的組織有充分的生長(zhǎng)空間，得到的珠光體組織粗大。加之魏氏組織的長(zhǎng)大，使熱影響區(qū)成為手工自蔓延焊接接頭的薄弱區(qū)域。

圖5 焊縫橫截面上不同點(diǎn)的熱循環(huán)曲線(鐵系焊條)Fig.5 Testing result of the welding thermal cycle on cross-section(iron type)

圖6 焊縫橫截面上不同點(diǎn)的溫度變化速率曲線(鐵系焊條)Fig.6 Temperature changing rate curve on cross-section (iron type)

表2 焊縫橫截面上的最高溫度和升溫速率(鐵系焊條)Tab.2 Maximum temperature and temperature rising ratio on cross-section(iron type)

表3 手工自蔓延焊接與低碳鋼焊條電弧焊堆焊熱循環(huán)比較Tab.3 Testing result of welding thermal cycle with manual SHS welding vs.manual arc welding

4 結(jié)論

(1)在焊縫中心線上的溫度循環(huán)中，距熔合線位置越遠(yuǎn)溫度越低，測(cè)得最高溫度為1 218.5℃，在焊縫合金的凝固過(guò)程中的t8／5為35 s；在焊縫橫截面上的溫度循環(huán)隨著布點(diǎn)距離的增大，溫度下降。

(2)熱循環(huán)在800℃以上溫度停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這導(dǎo)致了熱影響區(qū)成為手工自蔓延焊接接頭的薄弱區(qū)域。

(3)為改善接頭薄弱區(qū)域性能，一方面可改變焊條配方，在不影響焊縫合金潤(rùn)濕性的條件下適當(dāng)降低焊條燃燒所得溫度；另一方面可采用焊后熱處理，以使焊縫和熱影響區(qū)組織達(dá)到均質(zhì)效果而提高其性能。

[1]Knipstron Karl Erik.New Aluminum welding Method[J].Sheet.Metal Industries，1996，73(3)：160-166.

[2]陳家權(quán)，肖順湖.薄板焊接熱循環(huán)的測(cè)定[J].熱加工工藝，2006，35(7)：60-64.

[3]馬 駿，蘇冬云.溫度數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2005，34(10)：17-20.

[4]周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

Test and analysis of manual SHS welding thermal circle

WU Yong-sheng，WANG Jian-jiang，XIN Wen-tong，WU Bin
(The Institute of Advanced Materials，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

Welding process was an extremely complex course，which included heat transfer，mass transfer，melt and solidification of metal，etc.The energy distribution of welding，fluid flow and heat transfer in the welding pool had great influence on the welding quality.In this paper，the principles of welding thermal cycle testing and experimental design to test is described，test results is compared to traditional welding thermal circle with welding thermal circle，and the mannal SHS welding thermal circle is analyzed.The resulte shows the temperature in the weld center line loop from the fusion line position is much lower than the temperature in the weld cross section with the distribution of temperature cycling distance increasing，the temperature drop.A heat-affected zone of welded joints of the mannal SHS welding is resulted in weak areas for staying thermal cycling above 800℃too long，and methods for improving joints are produced.

mannal SHS welding；welding thermal circle；microstructure

TG402

A

1001-2303(2012)03-0086-03

2011-08-20

吳永勝(1985—)，男，湖南長(zhǎng)沙人，博士，主要從事特種焊接技術(shù)的研究。