脈沖MIG焊焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形及硬度的影響 *

蔣成燕，馮 毅，賈金龍，薛 誠(chéng)

(蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

脈沖MIG焊由于具有焊接電流調(diào)節(jié)范圍大、焊絲直徑選擇類型廣且可實(shí)現(xiàn)被焊零件的全位置焊接的特點(diǎn)，從而獲得材料成型領(lǐng)域及工程裝備領(lǐng)域工作者的極大的關(guān)注。但是脈沖MIG焊的調(diào)節(jié)參數(shù)較多，例如脈沖電流、維弧電流、脈沖時(shí)間、維弧時(shí)間、平均電流、脈沖頻率、占空比、送絲速度、電弧電壓等。眾多的焊接參數(shù)導(dǎo)致參數(shù)之間的匹配關(guān)系復(fù)雜，使得特定零件的參數(shù)優(yōu)化難度增加。從而，阻礙了脈沖MIG焊的發(fā)展。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)有學(xué)者進(jìn)行了鋁硅合金材料雙脈沖MIG焊接一元化調(diào)節(jié)專家數(shù)據(jù)庫(kù)的試驗(yàn)與開發(fā)[1]，以表面堆焊的方式進(jìn)行焊縫表面成形評(píng)價(jià)，建立了焊接參數(shù)匹配的專家數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)按若干檔位調(diào)節(jié)的參數(shù)一元化。也有研究人員通過(guò)鋁合金平板堆焊，開展了雙脈沖MIG焊峰值電流與頻率對(duì)焊接電弧穩(wěn)定性及焊縫成形的影響研究[2]。但脈沖MIG焊焊接工藝參數(shù)變化對(duì)低合金鋼焊縫成形質(zhì)量及性能的影響研究尚不夠充分?；诖?，本文通過(guò)低合金鋼的脈沖MIG焊焊接工藝試驗(yàn)，調(diào)整脈沖電流、維弧電流、脈沖頻率和占空比進(jìn)行I型對(duì)接焊接試驗(yàn)。利用四因素三水平的正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)焊接接頭的成形質(zhì)量和硬度，進(jìn)而獲得焊接參數(shù)對(duì)低合金鋼焊接接頭質(zhì)量的影響權(quán)重順序。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用P-MIG500脈沖MIG焊機(jī)，對(duì)厚度為3.0 mm的Q235低合金鋼板進(jìn)行不同焊接工藝參數(shù)的平板對(duì)接焊接試驗(yàn)。選用焊絲為直徑φ1.2 mm的碳鋼焊絲，采用I型對(duì)接，保護(hù)氣體為高純氬氣。焊接條件如下：Ar流量為20 L/min，坡口間隙為1～2 mm, 送絲速度為3 m/min。對(duì)脈沖MIG焊焊接電源的脈沖電流、維弧電流、頻率和占空比進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)[3]。每個(gè)因素取3個(gè)水平。按照優(yōu)選法的思想進(jìn)行因素的水平選取，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)水平的逐次逼近,試驗(yàn)確定各因素的優(yōu)水平如表1所示。

表1 焊接正交試驗(yàn)表

按照正交試驗(yàn)的安排，進(jìn)行了對(duì)接接頭的焊接工藝試驗(yàn)最終獲到9條試驗(yàn)焊縫，采用觀測(cè)法對(duì)9組焊縫的宏觀形貌和成型性進(jìn)行判斷。利用MH-5-VM顯微硬度儀對(duì)焊縫進(jìn)行硬度測(cè)試。測(cè)試區(qū)域以表面機(jī)械平整處理的焊縫區(qū)為中心向兩邊延伸，分別測(cè)試6個(gè)點(diǎn)，總共測(cè)試13個(gè)點(diǎn)。被測(cè)點(diǎn)間距0.5 mm。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試3次，將每個(gè)區(qū)域3次測(cè)試的平均值作為該區(qū)域的硬度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊縫表面成形性評(píng)價(jià)

由于焊接工藝參數(shù)的調(diào)整會(huì)直接影響焊縫的成形質(zhì)量。在工藝參數(shù)按正交試驗(yàn)調(diào)整后，對(duì)改變焊接工藝參數(shù)獲得的9組焊縫進(jìn)行外形宏觀觀測(cè)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同電源參數(shù)獲得的焊縫宏觀形貌圖

焊縫表面成形質(zhì)量依據(jù)焊接過(guò)程的連續(xù)性、焊接接頭的填充效果和焊縫成形的均勻性三個(gè)方面的進(jìn)行評(píng)定。當(dāng)焊接電弧的穩(wěn)定性高、焊接接頭的填充性好且焊縫成形均勻時(shí)評(píng)定該焊縫質(zhì)量為優(yōu)級(jí)；當(dāng)焊接電弧無(wú)斷弧現(xiàn)象，焊接接頭的填充性一般且焊縫局部成形均勻時(shí)評(píng)定該焊縫質(zhì)量為中級(jí)；當(dāng)焊接電弧存在斷弧現(xiàn)象，焊接接頭填充不良且焊縫成形較差時(shí)評(píng)定該焊縫質(zhì)量為差級(jí)。其中優(yōu)級(jí)焊縫可評(píng)分為9～7分，中級(jí)焊縫可評(píng)分為6～4分，差級(jí)焊縫可評(píng)分為3～1分。按照實(shí)際的焊接試驗(yàn)焊縫外觀形貌將正交試驗(yàn)中的焊縫分別給予相應(yīng)的等級(jí)及評(píng)分[4]。因此，對(duì)如圖1所示的9組焊縫進(jìn)行對(duì)比打分。再根據(jù)焊縫的質(zhì)量評(píng)分，結(jié)果如表3所列。依據(jù)質(zhì)量評(píng)分進(jìn)行正交試驗(yàn)的極差分析，進(jìn)而得到焊接工藝參數(shù)的脈沖電流、維弧電流、頻率和占空比因素對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律，結(jié)果如表4所列。

表3 焊縫成形等級(jí)及評(píng)分表

表4 焊縫成形評(píng)分極差分析

由表4可知，經(jīng)正交試驗(yàn)得到的極差R值脈沖頻率為7、脈沖電流為16、維弧電流為5、占空比為3。上述結(jié)果說(shuō)明脈沖電流對(duì)焊縫成形的影響最大，脈沖頻率次之，維弧電流第三，而占空比對(duì)焊縫成形的影響最小。這是由于焊接時(shí)脈沖電流的大小決定了熔滴過(guò)渡的形式，在平均電流和送絲速度不變的情況下，脈沖電流較大時(shí)，更容易實(shí)現(xiàn)射滴過(guò)渡，有助于焊縫熔深增加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接接頭的優(yōu)質(zhì)連接。

2.2 焊縫硬度因素分析

焊接工藝參數(shù)同樣會(huì)直接影響焊縫的力學(xué)性能，導(dǎo)致焊縫以及近縫區(qū)的硬度發(fā)生變化。文獻(xiàn)[5]的研究表明，熱影響區(qū)最高硬度值過(guò)大容易導(dǎo)致該區(qū)域淬硬傾向增加，使得焊接接頭的熱影響區(qū)成為微觀裂紋發(fā)源地。因此，可根據(jù)硬度試驗(yàn)獲得的熱影響區(qū)的最高硬度值的大小對(duì)焊接接頭硬度質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。最高硬度值越大，焊接接頭硬度質(zhì)量評(píng)分越低；最高硬度值越小，焊接接頭硬度質(zhì)量評(píng)分越高。9組焊縫硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示，焊接接頭硬度質(zhì)量評(píng)分結(jié)果如表5所列。

圖2 不同焊接工藝焊縫硬度值

表5 焊縫硬度評(píng)分表

再根據(jù)焊接接頭硬度質(zhì)量的得分情況，計(jì)算出K值及K值的平均值k，通過(guò)K值及k值計(jì)算出硬度極差R值，完成硬度測(cè)試的極差分析，如表6所列。

根據(jù)表6中焊縫硬度的極差分析得到的R值脈沖頻率為11、脈沖電流為10、維弧電流為3、占空比為10。該結(jié)果說(shuō)明脈沖頻率對(duì)焊鋒硬度的影響最大，脈沖電流次之，占空比第三，而維弧電流基本不影響焊縫硬度。這是由于脈沖頻率需要與焊接電流相匹配才能得到合理的熱輸入。脈沖頻率越小，導(dǎo)致單位長(zhǎng)度焊縫受熱時(shí)間越長(zhǎng)，容易引起熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，淬硬傾向增加，熱影響區(qū)最大硬度值上升。但上述結(jié)果中焊縫3的熱影響區(qū)最大硬度值低是由于熱輸入過(guò)小，造成未焊透所致。

表6 焊縫硬度試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)調(diào)整脈沖MIG焊的參數(shù)，進(jìn)行Q235低合金鋼板的平板對(duì)接焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)焊縫進(jìn)行表面宏觀形貌觀測(cè)及硬度測(cè)試。由測(cè)試結(jié)果可知，在焊接工藝參數(shù)中(脈沖電流、維弧電流、脈沖頻率和占空比)，脈沖電流對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響最為顯著，而脈沖頻率對(duì)焊接接頭硬度變化的影響最為明顯。本實(shí)驗(yàn)得到脈沖MIG焊各參數(shù)對(duì)焊接接頭的成形及硬度影響的權(quán)重順序，為后期建立脈沖MIG焊對(duì)接接接頭參數(shù)匹配的專家數(shù)據(jù)庫(kù)提供參數(shù)依據(jù)。