T型接頭約束電弧塞焊焊接工藝與焊縫成形

李政濠 ，喬及森 ，王 磊 ，孫清雨 ，蘇泳全

（1.蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

0 前言

金屬三明治板由上、下兩塊面板和中間連接芯板組成[1]。金屬三明治板作為一種輕量化結(jié)構(gòu)，憑借其比剛度高、比強(qiáng)度大、吸能抗沖擊性好等眾多優(yōu)良性能，廣泛應(yīng)用于軌道交通、船舶制造以及重型機(jī)械等領(lǐng)域[2-4]。

目前金屬三明治板的制造普遍采用激光焊接完成，但激光焊接工藝流程復(fù)雜，且在焊接過程中形成錐形焊縫，在面板和芯板間留下雙側(cè)間隙，很難良好熔合，不僅降低了接頭的有效承載面積，同時(shí)形成應(yīng)力集中，嚴(yán)重削弱金屬三明治板材整體剛度及強(qiáng)度，降低整板服役性能[5-6]。本研究基于以上問題提出一種適用于高強(qiáng)鋼三明治板T型接頭制造的高效電弧熔焊方法——焊劑片約束電弧塞焊，并對(duì)該方法的焊接工藝及焊縫成形機(jī)理進(jìn)行基礎(chǔ)研究。

針對(duì)960高強(qiáng)鋼三明治板I型結(jié)構(gòu)，采用焊劑片約束電弧塞焊工藝進(jìn)行制造，通過改變裝配間隙、電弧電壓、焊接電流以探究焊接工藝參數(shù)對(duì)960高強(qiáng)鋼三明治板T型接頭焊縫成形的影響，掌握960高強(qiáng)鋼三明治板電弧塞焊的特點(diǎn)及規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?60高強(qiáng)鋼，焊絲為H08Mn2Si，化學(xué)成分如表1所示。其中焊絲直徑φ1.6 mm，芯板和面板尺寸均為150 mm×50 mm×5 mm。焊劑片約束電弧塞焊過程如圖1所示。焊前用C形夾將3塊試板裝配成I型芯三明治結(jié)構(gòu)，銅塊托住陶瓷墊塊及面板，用C形夾夾緊銅塊以固定芯板位置，對(duì)面板與芯板進(jìn)行點(diǎn)焊加固。將焊劑片貼覆于焊道兩側(cè)壁，保證焊劑片與焊道側(cè)壁和焊道根部緊密接觸，焊道底側(cè)兩邊鋪設(shè)陶瓷墊塊以防焊漏。焊劑片成分如表2所示，焊劑片厚度0.7 mm。試驗(yàn)采用OTC機(jī)器人FD-V6配備CO2氣保護(hù)焊機(jī)，在保護(hù)氣流量為15 L/min的條件下進(jìn)行單道焊，焊接電源為平特性、直流反接。

焊后沿焊縫橫向切開試件，通過研磨腐蝕后獲得T型接頭焊縫橫截面，對(duì)比分析各參數(shù)下T型接頭的焊縫形貌，研究各工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響，探究電流和電壓之間匹配關(guān)系。采用矩陣法對(duì)三明治板T型接頭橫截面進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試，載荷100 g。以面板水平中位線為x軸，芯板豎直中位線為y軸，兩條中位線交點(diǎn)為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)線，利用差值法畫出其硬度云圖。

表1 母材及焊絲熔敷金屬化學(xué)成分Table 1 Chemical compositions of base metal and wire deposited metal %

圖1 焊劑片約束電弧塞焊焊接過程示意Fig.1 Schematic diagram of flux sheet constraint arc welding process

表2 焊劑片成分配方Table 2 Flux sheet composition formula %

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金屬三明治板T型接頭焊縫斷面形貌

采用焊劑片約束電弧塞焊工藝所得金屬三明治板T型接頭典型焊縫橫截面形貌如圖2所示，采用3%HNO3酒精溶液浸泡腐蝕。整個(gè)接頭焊接電流211 A，電弧電壓22 V，焊接速度10 mm/s，單道焊一次成形。

圖2 金屬三明治板T型接頭典型焊縫斷面形貌Fig.2 Morphology of weld cross section of metal sandwich plate T-connector

由圖2可知，焊縫呈現(xiàn)U型，與焊接芯板等寬，焊根兩側(cè)底角熔合良好，芯板連接寬度為5 mm，達(dá)到全截面承載。焊道兩側(cè)壁平直，與母材熔合較好，整個(gè)接頭區(qū)域無宏觀缺陷。表明高強(qiáng)鋼三明治板結(jié)構(gòu)可以采用焊劑片約束電弧塞焊方法焊接，能夠有效約束電弧行為，控制電弧的加熱區(qū)域，解決電弧攀升問題，從而形成良好的焊接接頭。

2.2 焊縫成形機(jī)制

焊接過程中電弧及熔滴動(dòng)態(tài)信息如圖3所示，電弧照片對(duì)應(yīng)波形位置已標(biāo)出。

焊接中電弧被焊劑片壓縮在焊道底部穩(wěn)定燃燒，電弧燃燒區(qū)域呈上窄下寬的喇叭口形，有利于熔滴輸送，同時(shí)電弧充分熔化底角，形成良好的根部熔合。焊接過程中，熔滴首先逐漸長(zhǎng)大①；隨即接觸至熔池，短路便會(huì)立刻形成②，此時(shí)電弧電壓迅速減小接近于零，而短路電流增大；隨后熔滴在電磁收縮和表面張力作用下迅速形成“液橋”并發(fā)生爆斷③；熔滴過渡完成后，短路現(xiàn)象消除，電弧復(fù)燃④，電弧電壓升高，電流下降到正常值，一個(gè)熔滴過渡周期完成。熔滴短路過渡保證了足夠熔深，同時(shí)熔化金屬熔化了上部焊劑片層，保證了側(cè)壁充分熔合，避免在非約束電弧熔焊中因電弧外展造成的熔寬加大問題。綜合結(jié)果是焊后形成了典型的U型焊縫形貌，既保證了焊縫質(zhì)量，又減小了熱影響區(qū)的分布范圍及其軟化導(dǎo)致的強(qiáng)度損失。這種約束電弧塞焊的缺點(diǎn)是：在短路過渡時(shí)造成一定金屬飛濺和熔池表層波動(dòng)，對(duì)焊縫表面成形有一定影響，如圖2所示。

2.3 坡口裝配間隙對(duì)T型接頭焊縫成形的影響

焊接電流為200 A、電弧電壓24 V、焊接速度5 mm/s時(shí)，在不同的裝配間隙下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同裝配間隙下約束電弧塞焊試驗(yàn)Table 3 Constrained arc plug welding under different assembly clearances

由表3可知：（1）坡口裝配間隙較大時(shí)（s>7mm），焊絲主要從坡口底部即芯板引弧，造成芯板燒穿，焊接熔池?zé)o法形成，金屬液體從芯板與面板間隙處滲漏，焊縫成形不良或無法成形。（2）間隙適中（4 mm＜s＜7 mm），電弧在坡口底部及側(cè)壁下方穩(wěn)定燃燒，焊接過程中熱輸入均勻，熔池形成穩(wěn)定，焊縫成形良好。（3）間隙過?。╯＜4 mm），由于焊劑片機(jī)械約束作用較強(qiáng)，電弧被動(dòng)壓縮至坡口底部，熱輸入集中于坡口底部，燒穿了芯板而形成側(cè)漏，焊縫無法成形。

2.4 焊接電流與電弧電壓之間的匹配關(guān)系對(duì)焊縫成形的影響

采用固定送絲速度63.3 mm/s、焊接電流211 A、焊接速度10 mm/s、坡口裝配間隙寬度5 mm，通過改變電壓進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。不同電弧電壓對(duì)應(yīng)的三明治板T型接頭單道焊縫橫截面形貌如圖4所示。

當(dāng)電弧電壓為20 V時(shí)，熔寬、熔深都較小，焊道窄淺，由于電壓值較小，電弧主要加熱芯板，焊劑片燒損量小，導(dǎo)致熔覆金屬不足，焊縫未填滿，出現(xiàn)下凹。電弧電壓提高為22 V，電弧弧柱長(zhǎng)度和加熱區(qū)域?qū)挾入S之增加，焊劑片燒損量增大，熔化金屬增多，焊縫填充量也明顯增加，芯板與側(cè)壁熔合情況得到改善，焊縫成形良好。電弧電壓為24 V，熱輸入進(jìn)一步提高，電弧弧柱長(zhǎng)度和加熱區(qū)域?qū)挾冗^大，這時(shí)焊縫熔寬明顯增大，電弧覆蓋范圍已超出裝配間隙，焊劑片失去對(duì)電弧的約束作用，此時(shí)焊接過程變?yōu)槠胀ǖ碾娀∪酆?，焊縫橫截面形貌呈V型。電弧電壓為26 V時(shí)，電弧熱輸入嚴(yán)重過量，熔深進(jìn)一步增大，焊接坡口根部因無法承受過高溫度被燒穿，熔融金屬在面板與芯板夾角處堆積成形。可見，隨著電弧電壓增大，接頭將依次出現(xiàn)未焊透、成形良好、電弧攀升再次未焊透和焊漏的變化規(guī)律。經(jīng)過大量工藝試驗(yàn)得出，采用焊劑片約束電弧焊接金屬三明治板的電弧電壓合理范圍為20～24 V。

圖3 電弧動(dòng)態(tài)信息Fig.3 Dynamic arc information

進(jìn)一步探究焊接電流與電弧電壓的共同作用對(duì)三明治板焊縫成形的影響，如圖5所示。試驗(yàn)采用固定焊接速度5 mm/s，坡口裝配間隙5 mm，其余焊接參數(shù)均相同。由圖5中散點(diǎn)分布情況可以看出，在焊接電流160～300 A范圍內(nèi)的任意確定電流下，逐漸增大電弧電壓，接頭依次呈現(xiàn)未焊透、成形良好、電弧攀升再次未焊透和焊漏的變化規(guī)律。在圖5中實(shí)線a和實(shí)線b所圍成的范圍內(nèi)，任意選取電流-電壓匹配參數(shù)對(duì)高強(qiáng)鋼三明治板進(jìn)行焊劑片約束電弧焊接，均可獲得良好的焊縫成形效果。實(shí)線a與實(shí)線b所圍區(qū)域的電弧電壓和焊接電流范圍分別為20～24 V和160～300 A。

當(dāng)焊接電流大于300 A時(shí)，由于焊接電流過大，焊絲熔化量增大，為使焊縫良好成形，需增大電弧電壓以增加側(cè)壁熔深。但隨著電弧電壓增大，焊接熱輸入增加，焊劑片燒損量過大而失效，此時(shí)電弧弧柱被拉長(zhǎng)，電弧沿著間隙側(cè)壁向上攀升。如果降低電壓，攀升消除，電弧加熱區(qū)域集中于根部，芯板熔合不良，焊道根部焊漏幾率增大。

當(dāng)焊接電流小于160 A時(shí)，由于焊接熱輸入少，焊劑片燒損量小，無法實(shí)現(xiàn)根部良好熔合。

圖4 不同電弧電壓對(duì)應(yīng)的T型接頭焊縫截面形貌Fig.4 Morphology of weld cross section of different arc voltage corresponding T-connector

圖5 電弧電壓與焊接電流匹配關(guān)系Fig.5 Match relationship of arc voltage and welding current

圖6 T型接頭硬度分布Fig.6 T-joint hardness distribution

2.5 T型接頭硬度

在焊接工藝（電流/電壓/焊速）下所得T型接頭如圖6a所示，其橫截面硬度云圖如圖6b所示。 接頭橫截面各部位的硬度分布差別較大，焊縫區(qū)硬度值234.0～277.0 HV，逐漸遠(yuǎn)離原點(diǎn)，硬度值上升，熔合線附近硬度值277.0～298.5 HV，焊接熱影響區(qū)硬度值298.5～341.5 HV，母材硬度值277.0～320.0 HV。芯板方向硬度分布與面板方向硬度分布大致相同。結(jié)果表明，焊后熱影響區(qū)未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，焊縫中心區(qū)域硬度分布較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）研發(fā)了一種適用于高強(qiáng)鋼三明治板T型接頭制造的高效電弧熔焊方法——焊劑片約束塞焊，其中焊劑片起到壓縮和穩(wěn)定電弧的作用，并能有效提高焊接熱效率，促進(jìn)熔滴過渡。

（2）T型接頭焊接裝配間隙為5～6 mm時(shí)，焊縫成形良好。

（3）當(dāng)焊接電流在160～300 A范圍時(shí)，隨著電弧電壓增大，接頭將依次出現(xiàn)未焊透、成形良好、電弧攀升再次未焊透和焊漏的變化規(guī)律。

（4）大量工藝試驗(yàn)得到焊劑片約束電弧塞焊工藝范圍為：電弧電壓20～24 V，焊接電流160～300 A，在此工藝窗口下可以獲得完全熔透、成形良好的T型接頭。

（5）焊后檢測(cè)接頭芯板連接寬度達(dá)98%以上，接頭硬度均勻，熱影響區(qū)亦未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。