Q345R鋼縱向磁場(chǎng)輔助K-TIG焊接接頭組織和性能研究

石永華 寧強(qiáng) 崔延鑫

摘要：采用K-TIG焊接可實(shí)現(xiàn)中厚板不開(kāi)坡口一道焊透，單面焊雙面成形，焊接效率高、焊縫成形好。壓力容器常用的Q345R 鋼傳統(tǒng)焊接工藝需采用多層多道焊，效率較低、成本高。為拓展K-TIG焊接應(yīng)用范圍，將外加縱向磁場(chǎng)與K-TIG 焊相結(jié)合，對(duì)Q345R鋼焊接接頭組織和性能進(jìn)行研究。通過(guò)改變電磁場(chǎng)參數(shù)來(lái)探究磁場(chǎng)對(duì)焊縫成形、接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響，為K-TIG焊接工藝的優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：K-TIG焊接;磁場(chǎng)輔助焊接;Q345R鋼

中圖分類號(hào)：TG457.11? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0087-005

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.09

0? ? 前言

K-TIG焊接可實(shí)現(xiàn)中厚板不開(kāi)坡口一道焊透，單面焊雙面成形，焊接效率高、焊縫成形好，因此在中等厚度（4～25 mm）不銹鋼、鈦合金等金屬焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。Q345R 鋼作為壓力容器常用材料，對(duì)焊接接頭的沖擊韌性要求較高，必須達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定才能使用[3-4]。壓力容器用Q345R鋼一般厚度較大，采用傳統(tǒng)多層多道焊接雖能保證接頭力學(xué)性能達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，但也存在焊接效率低、成本高等問(wèn)題。前期研究表明，10 mm以下厚度Q345R鋼K-TIG 焊接可不開(kāi)坡口一道焊透，單面焊雙面成形，正反面焊縫成形良好，大大提高了焊接效率，但接頭的沖擊韌性偏低。

為改善K-TIG焊接接頭性能，天津大學(xué)劉祖明等在K-TIG焊槍周圍外加尖角磁場(chǎng)，電弧被壓縮成橢圓形，并在焊接方向上被拉長(zhǎng)，達(dá)到完全熔透的閾值電流下降了30 A，但焊縫的組織和晶粒尺寸并無(wú)明顯的變化[5-6]。香港城市大學(xué)的Chen Rong[7-8]通過(guò)控制焊縫背面永磁體的位置來(lái)改變焊接區(qū)域中的磁場(chǎng)強(qiáng)度，將外部磁場(chǎng)應(yīng)用于Al/Ti 異種金屬激光焊接，有效地提高了焊接接頭的拉伸強(qiáng)度。楊旭[9]對(duì)電磁控制TIG 焊的電弧特性及焊縫成形機(jī)理進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了雙L 型的橫向磁場(chǎng)磁頭與螺線管繞制的縱向磁場(chǎng)磁頭，并采用高速攝像對(duì)磁場(chǎng)控制下的焊接電弧行為進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果表明：在縱向直流和低頻交流磁場(chǎng)作用下，電弧形態(tài)由錐形變?yōu)殓娬中?在高頻縱向磁場(chǎng)作用下，電弧形態(tài)由錐形變?yōu)橹?。文中將K-TIG 焊技術(shù)與外加可控縱向電磁場(chǎng)相結(jié)合，在保證焊縫成形良好的情況下，通過(guò)改變電磁場(chǎng)的參數(shù)來(lái)探究外加縱向磁場(chǎng)對(duì)K-TIG焊接接頭的組織和沖擊韌性的影響，優(yōu)化K-TIG焊接工藝，從而提高沖擊韌性。

1? ?試驗(yàn)系統(tǒng)

外加縱向磁場(chǎng)輔助的K-TIG焊接試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括兩部分：K-TIG 焊接系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)。

K-TIG焊接系統(tǒng)主要包括HTIG-1000型直流焊接電源、K-TIG 專用焊槍、冷卻水箱、氣瓶以及焊接機(jī)器人等部分。

研制的縱向磁場(chǎng)勵(lì)磁裝置如圖 2所示。勵(lì)磁系統(tǒng)包括變阻箱、勵(lì)磁波形調(diào)節(jié)裝置和勵(lì)磁裝置。由于K-TIG 焊接電流較大，電弧周圍溫度較高，為了保護(hù)勵(lì)磁導(dǎo)線免受高溫影響導(dǎo)致表皮熔化，采用耐高溫細(xì)漆包線作線圈;由于K-TIG 焊接熔池尺寸較大，在縱向磁場(chǎng)勵(lì)磁圓柱的外側(cè)增加了后拖勵(lì)磁磁柱，保證電弧后側(cè)的熔池還能受到較強(qiáng)的磁場(chǎng)作用。

焊接試驗(yàn)用母材為Q345R鋼，尺寸300 mm×150 mm×10 mm。焊接電流500 A，焊接速度240 mm/min，鎢針尖端到工件的距離為2 mm，磁場(chǎng)頻率50 Hz，勵(lì)磁波形分別為半波、全波與普通正弦波，波形如圖 3所示。

2 縱向磁場(chǎng)的作用對(duì)焊縫組織的影響

縱向磁場(chǎng)作用下K-TIG焊縫的組織形貌如圖4所示?？v向磁場(chǎng)作用下鐵素體含量如圖 5所示，當(dāng)勵(lì)磁波形為半波時(shí)，焊縫組織中鐵素體含量為43.5%，且鐵素體的形態(tài)大多以小塊狀分布，少量以條狀或者針狀形態(tài)分布（見(jiàn)圖4a）。當(dāng)勵(lì)磁波形為全波時(shí)，焊縫組織中鐵素體含量為38%，鐵素體的形態(tài)多以針狀或者條狀分布（見(jiàn)圖4b）。當(dāng)勵(lì)磁波形為正弦波時(shí)，焊縫組織中鐵素體含量降低至32.5%，鐵素體多以點(diǎn)狀分布在珠光體的基體上。

3 縱向磁場(chǎng)對(duì)焊縫晶粒尺寸的影響

不同勵(lì)磁波形縱向磁場(chǎng)作用下的焊縫晶粒尺寸分布如圖 6所示。由圖6可知，縱向磁場(chǎng)作用下焊縫的晶粒尺寸相對(duì)較小，數(shù)值集中分布在0～10 μm 的范圍內(nèi)。其中當(dāng)勵(lì)磁波形為半波時(shí)，單位面積內(nèi)晶粒的數(shù)量相較于另外兩種勵(lì)磁波形下的更多，并且晶粒尺寸沿X 軸的分布更加集中。

4 縱向磁場(chǎng)作用下的焊縫沖擊韌性

縱向磁場(chǎng)作用下Q345R鋼K-TIG焊縫平均沖擊吸收功如圖 7所示。當(dāng)縱向磁場(chǎng)勵(lì)磁波形為半波時(shí)，焊縫的平均沖擊吸收功最高，為53.6 J;而當(dāng)勵(lì)磁波形為全波時(shí)，焊縫的平均沖擊吸收功數(shù)值居中;當(dāng)勵(lì)磁波形為正弦波時(shí)，焊縫的平均沖擊吸收功為27.9 J。究其原因，是半波勵(lì)磁時(shí)勵(lì)磁頻率較低，產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，其作用到熔池中的洛倫茲力較大，熔池受到的電磁攪拌效果較好，所以焊縫組織中鐵素體含量相應(yīng)增高，晶粒尺寸也更加均勻，沖擊韌性值較高。而當(dāng)采用全波或正弦波勵(lì)磁時(shí)，勵(lì)磁頻率較高，產(chǎn)生的縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，其作用到熔池中的洛倫茲力也較小，熔池受到的電磁攪拌效果較弱，因此焊縫組織中鐵素體含量相應(yīng)降低，晶粒尺寸較大，沖擊韌性值降低。

5 結(jié)論

建立外加縱向磁場(chǎng)輔助K-TIG焊接系統(tǒng)，并對(duì)Q345R鋼進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）縱向磁場(chǎng)作用下，當(dāng)勵(lì)磁波形為半波時(shí)，焊縫組織中鐵素體含量最高，沖擊韌性也較好，達(dá)53.6 J。

（2）縱向磁場(chǎng)作用下焊縫晶粒尺寸相對(duì)較小，數(shù)值集中分布在0.2～10 μm的范圍內(nèi)。

（3） 縱向磁場(chǎng)作用Q345鋼K-TIG焊縫組織中鐵素體含量依半波、全波、正弦波勵(lì)磁波形依次遞減。

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Microstructure and property of K-TIG welded joints

based on external longitudinal magnetic fields for Q345 steel

SHI Yonghua， NING Qiang， CUI Yanxin

（School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China）

Abstract： Full penetration of mid-thickness metal with one pass welding can be obtained by K-TIG welding process. Single-sided welding and double-sided forming also can be performed， with high welding efficiency and good bead forming quality. Q345R steel is often used as pressure vessel metal， and has to be welded through multi-layer and multi-pass welding by a traditional welding process， which is low efficiency and high cost. In order to expand the application range of K-TIG welding， external longitudinal magnetic field is combined to K-TIG welding and the microstructure and mechanical properties of Q345R steel welded joints were studied. By changing the parameters of electromagnetic field， the influence of magnetic field on weld formation， joint microstructure and mechanical properties were studied. This study can lay a theoretical foundation for the optimization of K-TIG welding process.

Keywords： K-TIG welding; magnetic field assisted welding; Q345R steel