焊劑帶約束電弧超窄間隙橫焊焊縫成形

董敏 朱亮 韓瀟橦 張愛(ài)華 蔣小霞

摘要：焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接新方法，其電弧可同時(shí)加熱坡口根部?jī)蓚?cè)壁，實(shí)現(xiàn)4.5 mm 寬直坡口的單道多層焊接。改變工藝參數(shù)，進(jìn)行超窄間隙焊橫向?qū)拥南盗泻附釉囼?yàn)。實(shí)現(xiàn)壁厚為60 mm的多層單道超窄間隙對(duì)接接頭。結(jié)果表明，焊接電壓影響焊縫上側(cè)壁熔深，焊接電流和焊接速度決定焊絲的熔化量，二者合理匹配可使熔池的下塌量降至最小。超窄間隙焊接熔池小，固液接觸面相對(duì)較大，其表面張力容易平衡熔池的重力，可以防止橫向焊接的熔池下塌缺陷。

關(guān)鍵詞：超窄間隙;橫焊;焊接參數(shù);成形質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0057-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.12

0 前言

焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接，是一種正在研究的高效焊接新方法[1-2]。采用寬度約4 mm 的窄間隙直坡口，將0.7 mm厚的焊劑片置于坡口根部?jī)蓚?cè)壁，使用直徑為1.6 mm的焊絲進(jìn)行熔化極電弧焊。電弧加熱部分焊劑帶產(chǎn)生氣體和焊渣保護(hù)焊縫金屬，未熔化的焊劑帶部分則約束電弧形態(tài)，控制電弧加熱區(qū)域，可以阻止電弧沿側(cè)壁攀升，保證側(cè)壁兩側(cè)及根部的有效熔合[3]。前期已研究了這種方法的基礎(chǔ)問(wèn)題，如焊劑片約束條件和電弧作用機(jī)制[4]，熔池的形成[5]，電弧特性及熔滴過(guò)渡[6]。同時(shí)，通過(guò)大量試驗(yàn)得到焊接工藝規(guī)范與焊縫成形之間的關(guān)系，并成功應(yīng)用于鋼軌對(duì)接[7-9]。需要說(shuō)明的是，這些工作均在平焊狀態(tài)下進(jìn)行。

在電站鍋爐的蒸氣閥門(mén)生產(chǎn)中，需要將鑄造閥體與接管進(jìn)行焊接，接管壁厚為60～120 mm，內(nèi)徑為400～800 mm。工程上現(xiàn)有的焊接方法是手工電弧焊，將接管豎直放置在不便翻轉(zhuǎn)的閥體上，開(kāi)V形坡口，采用多層多道的焊條電弧橫焊工藝完成整個(gè)焊接接頭，焊接工作量較大。如果采用多層單道的焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接，具有顯著的技術(shù)及成本優(yōu)勢(shì)。然而，這種新方法在橫焊條件下的相關(guān)問(wèn)題前期研究中未曾涉及。熔池下塌是影響橫焊過(guò)程的主要因素，在氣體保護(hù)焊中，通常采用脈沖電流和旋轉(zhuǎn)電弧的方式減小熱輸入，進(jìn)而抑制熔池下塌[10-11]。超窄間隙焊接本身具有低熱輸入、小熔池的特點(diǎn)，橫焊時(shí)熔池下塌的傾向自然較小，具有一定的優(yōu)勢(shì)。本文首次進(jìn)行焊劑帶約束超窄間隙橫向焊接試驗(yàn)，分析熔池形成及下塌的影響因素，得出適用于橫焊的焊接工藝參數(shù)匹配。

1 實(shí)驗(yàn)方法

超窄間隙橫向焊接過(guò)程如圖1所示。坡口間隙寬度為4.5 mm，坡口兩側(cè)放置U形焊劑帶。焊劑帶是由焊劑片和玻璃纖維網(wǎng)粘接而成，折彎成U形放置在坡口中，利用折彎玻璃纖維網(wǎng)的反向作用力使焊劑片緊緊貼在坡口兩側(cè)（見(jiàn)圖2）。焊劑帶的結(jié)構(gòu)及布置方式，對(duì)超窄間隙焊接穩(wěn)定實(shí)施很關(guān)鍵，已進(jìn)行了多次改進(jìn)，上述的焊劑帶較為成熟，在實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)門(mén)自制的設(shè)備上制備。焊劑片的主要成分是大理石和螢石，與堿性焊條的藥皮成份相仿。焊接時(shí)，電弧前端將焊劑帶底部一定范圍熔化，產(chǎn)生焊渣與保護(hù)氣體，并將坡口側(cè)壁裸露在電弧中，通過(guò)電弧加熱金屬形成熔池。焊劑片可將電弧壓縮在坡口底部，保證側(cè)壁根部熔合良好，未熔化的焊劑帶還可以防止電弧攀升到坡口兩側(cè)壁燃燒。

整個(gè)焊接過(guò)程是通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的超窄間隙橫向焊接設(shè)備完成，采用平特性電源，直流反接，焊絲為φ1.6 mm的H08Mn2Si，試驗(yàn)試板厚度為60 mm，材料為鑄造閥體耐熱鋼15Cr2MoV。試驗(yàn)用焊接工藝參數(shù)如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)改變焊接規(guī)范參數(shù)，進(jìn)行系列焊接試驗(yàn)。分析各焊接參數(shù)下焊縫橫截面形貌，焊接參數(shù)對(duì)熔池下塌和側(cè)壁熔合不良的影響，明確各焊接參數(shù)對(duì)熔池形成的作用。典型超窄間隙橫焊焊縫的截面如圖3所示，為便于描述，定義焊縫橫截面形狀參數(shù)，下塌量（H）是上側(cè)壁焊趾到下側(cè)壁焊趾的距離，表示熔池下塌的嚴(yán)重程度。上側(cè)壁熔深（h1）是上側(cè)壁焊趾到坡口底部的距離，表示熔池沿上側(cè)壁潤(rùn)濕鋪展能力。

2.1 焊接參數(shù)對(duì)焊縫形態(tài)的影響

各焊接參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)對(duì)焊縫上側(cè)壁熔深及下塌量的影響如圖4所示。由4a圖可以看出，隨著焊接電壓的升高，熔池沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下塌，上側(cè)壁熔深增大較為明顯。當(dāng)焊接電壓增大到23 V時(shí)，焊縫上側(cè)壁熔深大于4 mm，熔池有輕微的下塌。焊接電壓在20.5～22 V之間時(shí)，熔池下塌量在0.5 mm以下，焊縫成形良好，尤其焊接電壓為21.5 V時(shí)，熔池的下塌量接近于0。由圖4b可以看出，焊接電流對(duì)熔池下塌量和焊縫上側(cè)壁熔深的影響較大，焊接電流較小時(shí)，焊縫上側(cè)壁熔深較小，熔池下塌嚴(yán)重。隨著焊接電流的增加，焊縫上側(cè)壁熔深增加，熔池下塌量減小，當(dāng)焊接電流為185 A時(shí)，熔池下塌量最小，焊縫上側(cè)壁熔深則達(dá)到了最大值。當(dāng)焊接電流進(jìn)一步增加時(shí)，熔池下塌量逐漸增大，焊縫上側(cè)壁熔深逐漸減小。焊接電流在175～195 A時(shí)，熔池下塌量小于0.5 mm。由圖4c可以看出，焊接速度與焊接電流對(duì)熔池下塌量和焊縫上側(cè)壁熔深的影響趨勢(shì)基本一致，當(dāng)焊接速度為9.2 mm/s時(shí)，熔池下塌量接近于0 mm，焊縫上側(cè)壁熔深達(dá)到最大值3.2 mm。在超窄間隙橫向焊接時(shí)，焊接速度取8.0～10.0 mm/s。

2.2 焊接規(guī)范參數(shù)匹配

通過(guò)以上試驗(yàn)得到各焊接參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)，對(duì)超窄間隙橫向焊接的影響規(guī)律，可以看出，熔池下塌量由焊縫上側(cè)壁熔深和焊絲的熔敷量決定。對(duì)于這種熔化極電弧焊，考慮到熔池形成及電弧的穩(wěn)定性，要合理匹配焊接電壓和焊接電流。當(dāng)焊接電壓與焊接電流較小時(shí)，焊縫中熔敷金屬量較少，填充坡口的速度較慢，重力的影響導(dǎo)致坡口中熔融金屬下塌，大量金屬落在坡口的下側(cè)壁，在下側(cè)壁形成一定的熔深和熔寬。熔池下塌后，熔池底部上半部分將裸露在電弧下，電弧不斷對(duì)熔池底部進(jìn)行加熱，焊縫底部熔寬較寬。由于大量的電弧流向熔池底部，流經(jīng)坡口上側(cè)壁的電弧較少，電弧不能有效加熱上側(cè)壁，在上側(cè)壁形成未熔合缺陷。當(dāng)焊接電壓和電流較大時(shí)，坡口中焊絲的熔敷量較大，且熔融金屬快速填滿(mǎn)坡口，電弧在坡口兩側(cè)壁及熔池上均勻分布，焊縫上下側(cè)壁熔深量基本一致，但在較大的焊接電流下，焊絲的熔敷量也較大，坡口中液態(tài)金屬較多。此時(shí)，熔池重力影響較為明顯，會(huì)有部分金屬落到坡口下側(cè)壁，形成帶有“鼓肚”的焊縫形態(tài)。由此可見(jiàn)，只有焊接電壓與焊接電流恰當(dāng)匹配，橫向焊接的熔池下塌量才會(huì)最小。

焊接速度為9.0 mm/s時(shí)，不同焊接電流與焊接電壓下焊縫橫截面形貌如圖5所示。圖5a是在較小電流和電壓下的焊縫形貌，熔池下塌嚴(yán)重，上側(cè)壁熔深較小。圖5b是焊接電壓與焊接電流恰當(dāng)匹配時(shí)的焊縫形貌，熔池基本沒(méi)有下塌，焊縫成形良好。圖5c是在較大電流和電壓下的焊縫形貌，焊縫上側(cè)壁熔深較大，熔池有明顯下塌。

不同焊接參數(shù)匹配下焊縫成形情況如圖6所示，在圖中實(shí)線(xiàn)區(qū)域內(nèi)，焊接電流與焊接電壓匹配恰當(dāng)，焊縫成形質(zhì)量良好，無(wú)下塌和咬邊缺陷。在實(shí)線(xiàn)區(qū)域以上時(shí)，焊接電流較大，坡口中填充金屬較多，熔池下塌嚴(yán)重，形成圖5c所示的“鼓肚”焊縫截面。在實(shí)線(xiàn)區(qū)域以下時(shí)，焊接電流較小，熔融金屬不能夠迅速填滿(mǎn)坡口，在坡口底部的熔融金屬落在坡口下側(cè)壁，形成圖5a所示的上側(cè)壁未熔合缺陷。在焊接電壓小于20 V時(shí)，焊劑帶燒損量較少，焊接過(guò)程不穩(wěn)定，不能形成連續(xù)有效的焊縫。在焊接電流高于23 V時(shí)，坡口中焊劑帶將會(huì)被全部燒損，電弧攀升至坡口側(cè)壁燃燒，形成側(cè)壁根部熔合不良的缺陷焊縫。

圖7是厚度為60 mm試板焊縫橫向截面，選用圖6實(shí)線(xiàn)框內(nèi)的焊接參數(shù)。試樣預(yù)熱溫度為250 ℃，層間溫度為200 ℃。整個(gè)焊縫共焊接19道，根據(jù)焊接過(guò)程中焊縫坡口寬度的變化，選用適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)。焊接開(kāi)始時(shí)，坡口寬度基本在4.5 mm范圍變化，焊接電壓與焊接電流分別為22 V和190 A，焊縫熔寬為6.5 mm，熔深在3 mm以下，焊縫沒(méi)有下塌現(xiàn)象。當(dāng)焊接到第6道時(shí)，坡口寬度變?yōu)? mm，此時(shí)選用的焊接電壓與焊接電流分別為22 V和185 A，焊縫的熔寬為5.5 mm，熔深約為3.5 mm。當(dāng)焊接到第14道時(shí)，焊縫有輕微的下塌，焊縫下側(cè)熔深略有增加。

3 討論

在橫向焊接中普遍存在熔池下塌和咬邊的缺陷，產(chǎn)生缺陷的主要原因是焊接熱輸入過(guò)大和熔池受力不平衡。焊接熱輸入較大，熔池液態(tài)金屬較多，熔池的表面張力和電弧力的合力不能平衡重力的影響，造成熔池的下塌。實(shí)際工程中只能犧牲焊接效率采用較小的熱輸入控制熔池大小來(lái)解決熔池下塌。

與常規(guī)的電弧焊熔池相比，超窄間隙焊接的熔池受力狀態(tài)有一定的特點(diǎn)。如圖8所示，其中F1、F2是表面張力，主要取決于熔池的固液接觸面積。Fg是熔池重力，與熔池的大小有關(guān)。Fb是電弧力軸向壓力，與焊接電流大小有關(guān)。其中熔池下塌主要受重力的作用，只有熔池重力小于或等于表面張力F1的縱向分力，熔池才不會(huì)下塌;電弧力軸向壓力Fb會(huì)使熔池形成下凹，只有電弧力軸向壓力Fb略大于表面張力F2和F1的橫向分力的合力，熔池形成輕微的下凹，保證側(cè)壁熔池并容易清渣。超窄間隙焊接的熱輸入只有0.5 kJ/mm，焊縫的面積約20 mm2，大約是常規(guī)電弧焊相同電流下的二分之一，使熔池的重力大幅度降低;另外，電弧同時(shí)加熱熔化直坡口的兩側(cè)壁，使熔池的固液接觸面積明顯擴(kuò)大，增加了保持熔池不下塌的表面張力?？梢?jiàn)，焊劑片約束電弧超窄間隙焊接方法用于橫向焊接，在不降低焊接效率的情況下，可以防止熔池下塌缺陷的發(fā)生。

在超窄間隙橫向焊接中，熔池的受力狀態(tài)直接影響著下塌缺陷的產(chǎn)生，通過(guò)改變焊接規(guī)范參數(shù)可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，其中焊接電壓的作用尤為顯著。電壓較小時(shí)（見(jiàn)圖9a）電弧弧柱短，焊劑片燒損量少，由于焊劑片的固壁約束作用，大部分電弧被壓縮在坡口底部燃燒，只有少量的電弧流經(jīng)坡口側(cè)壁，兩側(cè)壁的熔化量較小。此時(shí)，如果焊接電流較小，坡口中熔融金屬填充坡口的速度較慢，熔融金屬不能沿著坡口上側(cè)壁潤(rùn)濕鋪展，在重力的作用下，熔池將會(huì)下塌。如果焊接電流較大，熔化焊絲量較多，坡口中液態(tài)金屬量較大，容易形成“上凸”的焊縫。

當(dāng)焊接電壓過(guò)大時(shí)（見(jiàn)圖9b），電弧長(zhǎng)度增加，電弧加熱區(qū)域加寬，電弧作用在焊劑片上的面積增加，電弧作用在坡口側(cè)壁高度增加，剩余焊劑片對(duì)電弧的固壁約束作用減小，電流作用在坡口兩側(cè)及底部，底部熔寬和側(cè)壁熔深增加。此時(shí)，采用較大焊接電流，坡口中熔融金屬量增多，熔池重力作用增大。焊接電流較大，熔池溫度較高，表面張力減小。在較大的重力下，表面張力縱向分力無(wú)法平衡重力影響，熔池下塌。焊接電流較小時(shí)，熔融金屬不能填滿(mǎn)坡口間隙，將形成“下凹”的焊縫。

4 結(jié)論

（1）采用焊劑片約束電弧超窄間隙焊接方法的橫焊工藝，實(shí)現(xiàn)了直坡口寬度4.5 mm，壁厚60 mm的多層單道對(duì)接接頭。

（2）在超窄間隙橫向焊接規(guī)范選取時(shí)，既要通過(guò)焊接電壓確保焊縫上側(cè)壁具有一定熔深量，又要通過(guò)焊接電流和焊接速度確保坡口中焊絲的熔化速度和熔化量。只有上側(cè)壁熔化量與焊絲的熔化量相匹配時(shí)，熔池的下塌量最小。

（3）超窄間隙焊接熔池小，固液接觸面相對(duì)較大，其表面張力容易平衡熔池的重力;這種新方法用于橫向焊接，在不降低焊接效率的情況下，可以防止熔池下塌缺陷的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱亮. 送置焊劑片鏈超窄間隙電弧焊接裝置：中國(guó)，2015109415847[P]. 2017-08-11.

[2] 朱亮. U形焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接裝置及焊接方法：中國(guó)，2011100485352[P]. 2011-08-17.

[3] Zhu Liang，Zheng Shaoxia，Chen Jianhong. Development of?ultra-narrow gap welding with constrained arc by flux band[J]. China Welding，2006，15（2）：44-49.

[4] 龔練，朱亮，張愛(ài)華，等. 超窄間隙焊接中焊劑片與電弧相互作用機(jī)制分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2017，38（12）：57-60.

[5] 朱亮，金將，苗紅麗. 焊劑帶約束超窄間隙焊接母材熔化及熔池形成[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2010，31（9）：9-12.

[6] 朱亮，苗紅麗，金將，等. 超窄間隙焊劑帶約束電弧電壓及電流波形特征[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2010，31（8）：85-88.

[7] 鄭韶先，朱亮，張旭磊，等. 焊劑帶約束電弧在超窄間隙焊接中的加熱特性[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2008，29（5）：57-60.

[8] 朱亮，馮志鵬，李宗志. 焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接工藝實(shí)驗(yàn)[J]. 熱加工工藝，2011，40（15）：117-119.

[9] 龔練，朱亮，楊韜君. 鋼軌對(duì)接的焊劑帶約束電弧超窄間隙焊[J]. 電焊機(jī)，2016，46（8）：43-47.

[10] 高瑩，李桓，孫勃，等. 脈沖埋弧橫焊工藝在石油儲(chǔ)罐焊接中的應(yīng)用[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2008，29（3）：149-152.

[11] 李辛呈. 脈沖埋弧橫焊工藝研究及其在石油儲(chǔ)罐焊接制造中的應(yīng)用[D]. 天津：天津大學(xué)，2007.

收稿日期：2020-03-19

基金項(xiàng)目：寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃一般項(xiàng)目（2019BD

E03005）;國(guó)家自然科學(xué)基金（61866021）

作者簡(jiǎn)介：董 敏（1990— ），男，碩士研究生，主要從事超窄間隙焊接工藝方面的研究。E-mail：DongMin2010cx@126.com。

通訊作者：朱 亮（1964— ），男，教授，博導(dǎo)，主要從事焊接工藝及設(shè)備、金屬材料變形及工藝的研究。E-mail：zhul@lut.cn。