不銹鋼薄板等離子弧搭接焊間隙對焊縫表面成形的影響

李子晗 忻建文 吳東升 張躍龍 王歡 華學(xué)明

摘要：以液化天然氣船薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)中304L不銹鋼薄板等離子弧搭接焊為實際應(yīng)用場景，使用示蹤粒子檢測和紅外熱成像技術(shù)對焊接過程中搭接間隙對熔池動態(tài)行為和焊縫表面成形的影響進(jìn)行研究。示蹤粒子檢測結(jié)果表明，當(dāng)間隙為0.3 mm或0.6 mm時，由于上板處的液態(tài)金屬層很薄，容易凝固，最終在凝固區(qū)形成空洞;當(dāng)間隙為0.9 mm時，上板熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬在凝固區(qū)前聚集，但由于間隙較大，無法形成液橋，而是形成了一個金屬液滴，最終形成駝峰。紅外熱成像的結(jié)果表明，隨著間隙的增加，在熔池中部會形成一段低溫區(qū)，高溫區(qū)面積也有所增加，這與示蹤粒子檢測的結(jié)論一致。

關(guān)鍵詞：不銹鋼薄板;等離子弧搭接焊;焊縫表面成形缺陷;示蹤粒子檢測;紅外熱成像

中圖分類號：TG456.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）12-0028-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.06

0? ? 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)對焊接技術(shù)提出了新的要求，如何適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的需要，成為近年來焊接技術(shù)發(fā)展的方向之一[1]。由于優(yōu)秀的焊接適應(yīng)性，等離子弧焊在眾多焊接技術(shù)中脫穎而出[2]，廣泛應(yīng)用于不銹鋼、鋁合金、鈦等材料的對接、搭接和角接焊[3]。與傳統(tǒng)的非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊相比，等離子弧焊具有能量集中、熱影響區(qū)窄、焊接變形小和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點[4-5];與同為高能束流焊的激光焊和電子束焊相比，等離子弧焊的設(shè)備和操作成本更低，對接頭準(zhǔn)備的要求也更低[6]。隨著工業(yè)生產(chǎn)對焊接技術(shù)要求的提高，等離子弧焊正逐漸成為一種高效實用的焊接技術(shù)。

304L不銹鋼薄板的等離子弧搭接焊接頭是液化天然氣船薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)中的重要組成部分[7]。在實際生產(chǎn)過程中，304L不銹鋼薄板自身的約束力很弱，在焊接過程中極易變形[8]，導(dǎo)致上下板間形成間隙，產(chǎn)生填充不足或未熔合等缺陷[8]，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率[9]。李超豪[9]采用冷金屬過渡焊接技術(shù)，研究了間隙大小對鍍鋅板搭接焊的影響，結(jié)果表明，間隙對消除氣孔效果明顯，但隨著間隙的增大，會有焊穿傾向，當(dāng)間隙達(dá)到2.0 mm時發(fā)生焊穿。Meng等人[10]討論了間隙對激光焊時T型接頭中等離子體、小孔和熔池動態(tài)行為的影響。研究結(jié)果表明，在點焊過程中，間隙極大地影響等離子體和小孔的穩(wěn)定性，導(dǎo)致焊縫金屬中形成氣孔;而在連續(xù)焊過程中，間隙處小孔前壁的破壞和閉合隨著間隙的變化呈現(xiàn)周期性變化，導(dǎo)致間隙處形成大量氣孔。對不同搭接間隙下的熔池動態(tài)行為和間隙適應(yīng)性進(jìn)行研究，對于提升對焊接過程的認(rèn)知和改善焊接接頭質(zhì)量均有重要的意義。

目前，對等離子弧搭接焊中不同間隙下的熔池動態(tài)行為和焊縫成形情況的研究還較不完善。文中以液化天然氣船薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)中304L不銹鋼薄板的等離子弧搭接焊為實際應(yīng)用場景，使用示蹤粒子檢測技術(shù)對等離子弧搭接焊過程中的熔池動態(tài)行為進(jìn)行拍攝，并采用紅外熱成像技術(shù)獲取了熔池上表面的溫度分布，結(jié)合示蹤粒子檢測和紅外熱成像的結(jié)果對不銹鋼薄板等離子弧搭接焊間隙對焊縫表面成形的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗材料和焊接工藝

1.1 試驗材料

選用厚度為1.2 mm的304L不銹鋼作為試驗材料，其化學(xué)成分[3]如表1所示。304L不銹鋼因具有優(yōu)異的力學(xué)性能被應(yīng)用于液化天然氣船薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)，其力學(xué)性能如表2所示。

1.2 試驗設(shè)備

等離子弧焊試驗平臺如圖1所示。等離子弧焊設(shè)備主要由LHM-315等離子焊機(jī)、TP-3等離子焊槍、DX100型控制機(jī)器人、DIC020ASS-LB2型冷水機(jī)和夾具組成。示蹤粒子檢測設(shè)備為Cavilux 640nm激光照明系統(tǒng)和Phantom VEO710S高速攝影相機(jī)，示蹤粒子為直徑約0.2 mm的SiC粒子。紅外熱成像設(shè)備為R500EX-Pro紅外熱成像儀。

1.3 焊接工藝

試驗?zāi)覆臑?04L不銹鋼板，尺寸150 mm×50 mm×1.2 mm。焊槍噴嘴孔徑1.6 mm，鎢極內(nèi)縮量為3.0 mm。選取4個不同搭接間隙，分別為0 mm、0.3 mm、0.6 mm和0.9 mm，焊槍與上板的夾角為80°，約束噴嘴與母材上表面的間距為2 mm，焊槍空間位置參數(shù)如圖2所示。需要指出的是，由于在實際焊接過程中使用了焊縫跟蹤技術(shù)，因此產(chǎn)生間隙后，隨著上板位置的變化，焊槍位置也發(fā)生了變化。焊接過程采用直流型等離子弧焊模式，焊接速度3.3 mm/s，焊接電流40 A。焊接過程中的離子氣和保護(hù)氣均為高純Ar氣，離子氣流量0.5 L/min，保護(hù)氣流量12 L/min，背保護(hù)氣流量30 L / min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面成形

不同搭接間隙下的焊縫表面成形如圖3所示。可以看出，隨著間隙的增大，焊縫表面成形逐漸變差。當(dāng)間隙為0 mm時，焊縫表面成形良好，焊縫表面沒有缺陷;當(dāng)間隙為0.3 mm時，焊縫表面出現(xiàn)空洞缺陷，搭接接頭已不滿足應(yīng)用要求;當(dāng)間隙為0.6 mm時，焊縫表面的空洞缺陷進(jìn)一步擴(kuò)張;當(dāng)間隙為0.9 mm時，焊縫幾乎完全不連續(xù)，形成駝峰缺陷。

2.2 熔池動態(tài)行為分析

2.2.1 間隙為0 mm

間隙為0 mm時，熔池動態(tài)行為如圖4所示，示蹤粒子在熔池兩側(cè)向尾部運動，上下板熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬在焊槍中心位置處匯聚，形成穩(wěn)定的熔池。熔池凝固后，得到成形良好的焊縫。

2.2.2 間隙為0.3 mm

間隙為0.3 mm時，熔池動態(tài)行為如圖5所示。由圖5a、5b中示蹤粒子1的行為可以看出，由于上下板間存在間隙，上板熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬無法直接與下板熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬匯聚，而是在等離子弧產(chǎn)生的電弧壓力和電弧剪切力作用下[11]向后流動，在熔池中形成了一段缺口，如圖5中藍(lán)色虛線所示。當(dāng)上板產(chǎn)生的液態(tài)金屬堆積到一定程度后，在焊槍后與下板產(chǎn)生的液態(tài)金屬匯聚形成熔池。焊接過程進(jìn)行到圖5c時，缺口尾部紅色虛線內(nèi)的液態(tài)金屬層很薄，熱容很低[12]，在失去電弧的熱作用后迅速凝固，形成一個凝固區(qū)。從圖5c、5d中示蹤粒子2的行為可以看出，受到凝固區(qū)的阻礙作用，上板熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬無法向熔池尾部流動，而是受到固液相間分子作用力的影響在上板處凝固區(qū)前堆積;當(dāng)堆積到一定程度后，在凝固區(qū)前和下板產(chǎn)生的液態(tài)金屬匯聚，在上下板間形成液橋。隨著液橋的形成，上板熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬從液橋處向下流動，如圖5e、5f中示蹤粒子3的行為所示。由于焊槍繼續(xù)移動，熔池后部空洞周圍的液態(tài)金屬冷卻，在凝固區(qū)附近形成了一個沒有液態(tài)金屬填充的空洞，如圖5e、5f中綠色虛線所示。

2.2.3 間隙為0.6 mm

間隙為0.6 mm時，熔池動態(tài)行為如圖6所示。與間隙為0.3 mm時相比，熔池動態(tài)行為類似，空洞的產(chǎn)生機(jī)理相同。但由于間隙變大，液橋形成的難度增大，凝固區(qū)的面積隨之上升，導(dǎo)致焊縫表面的空洞缺陷有所擴(kuò)張。

2.2.4 間隙為0.9 mm

間隙為0.9 mm時，熔池動態(tài)行為如圖7所示。凝固區(qū)形成前（見圖7a～7c），與間隙0.3 mm和0.6 mm時相比，間隙為0.9 mm時的熔池動態(tài)行為相同。但由于間隙變大，液橋形成的難度變大，凝固區(qū)的面積也隨之上升。從圖7e～7g中示蹤粒子2的行為可以看出，由于凝固區(qū)的形成，上板熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬也會在凝固區(qū)前匯聚，但與搭接間隙為0.3 mm和0.6 mm時相比，搭接間隙為0.9 mm時在上下板間無法形成液橋，而是在凝固區(qū)前匯聚形成了金屬液滴，如圖7h～7k所示。金屬液滴形成后，焊接過程繼續(xù)進(jìn)行，在金屬液滴前再次形成了凝固區(qū)，金屬液滴被阻隔在兩個凝固區(qū)之間，逐漸凝固，形成駝峰，如圖7l所示。

2.3 熔池表面溫度分布分析

當(dāng)搭接間隙為0 mm、0.3 mm、0.6 mm和0.9 mm時，使用紅外熱成像儀對焊接過程中的熔池表面溫度分布情況進(jìn)行了拍攝，如圖8所示。未有間隙時，在熔池上表面，焊槍中心區(qū)域溫度最高，沿焊接方向距焊槍中心區(qū)域越遠(yuǎn)，熔池上表面溫度越低。間隙增加后，在熔池中部會產(chǎn)生溫度相對較低的區(qū)域，將熔池分割成兩部分，且間隙越大，低溫區(qū)面積也越大。此外，隨著間隙的加大，高溫區(qū)面積也有所增加，這主要是液橋形成的難度變大，熔池缺口擴(kuò)張所致。這些結(jié)論與示蹤粒子檢測的結(jié)論相吻合。

3 結(jié)論

使用示蹤粒子檢測和紅外熱成像技術(shù)對304L不銹鋼薄板等離子弧搭接焊間隙對焊縫表面成形的影響進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）間隙對等離子弧搭接焊的焊縫表面成形有很大的影響，隨著間隙的增加，焊縫表面成形逐漸變差。當(dāng)間隙為0.3 mm或0.6 mm時，焊縫表面出現(xiàn)空洞缺陷，搭接接頭不滿足實際應(yīng)用需求;當(dāng)間隙為0.9 mm時，焊縫表面出現(xiàn)駝峰缺陷。焊接過程中間隙的容忍度小于0.3 mm。

（2）當(dāng)間隙為0.3 mm或0.6 mm時，由于上板處的液態(tài)金屬層很薄，熱容很低，在失去電弧的熱作用后迅速凝固，在上板處形成了凝固區(qū)，最終在凝固區(qū)處形成空洞。隨著間隙的增加，凝固區(qū)擴(kuò)張，形成的空洞也有所擴(kuò)張。

（3）當(dāng)間隙為0.9 mm時，在上板處會形成更大的凝固區(qū)，上板熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬在凝固區(qū)前聚集。由于間隙較大，沒有形成液橋，而是形成了金屬液滴。金屬液滴凝固后，在焊縫表面形成駝峰。

（4）紅外熱成像的結(jié)果表明，隨著間隙的增加，在熔池中部會產(chǎn)生溫度相對較低的區(qū)域，高溫區(qū)面積也有所增加，這與示蹤粒子檢測結(jié)論相吻合。

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