鎢極氬弧焊熱輸入與面積稀釋率關(guān)系的探討

郭 梟，徐 鍇，呂曉春，陳佩寅，陳 波，霍樹(shù)斌

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028；2.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，哈爾濱 150028)

0 引言

焊縫稀釋率對(duì)焊接接頭的質(zhì)量與服役性能有非常重要的影響[1]。不同的場(chǎng)合對(duì)于稀釋率的控制要求不盡相同，如厚件焊接時(shí),期望熱輸入一定時(shí)稀釋率較大；而異種鋼焊接時(shí)，較小的稀釋率為宜[2]。

目前，針對(duì)稀釋率的影響與預(yù)測(cè)研究主要以工藝參數(shù)、熱輸入與稀釋率之間關(guān)系的算法優(yōu)化為主，已有學(xué)者[3-7]分別采用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Elman 網(wǎng)格算法、響應(yīng)曲面法、統(tǒng)計(jì)分析等不同算法，建立了通過(guò)焊接電流、焊接速度等工藝參數(shù)預(yù)測(cè)稀釋率的模型。 文獻(xiàn)[2]采用統(tǒng)計(jì)分析方法，研究了極性、送絲速度、焊接速度、電壓四因素耦合對(duì)埋弧焊熱輸入、稀釋率、熱影響區(qū)寬度的影響規(guī)律，結(jié)果表明焊接熱輸入對(duì)稀釋率的影響不明顯。 焊接工藝參數(shù)對(duì)稀釋率影響具有雙重作用[3]，以焊接速度為例，增大焊接速度，一方面會(huì)降低母材、焊絲總熱輸入，從而使稀釋率降低；另一方面又會(huì)減小單位長(zhǎng)度焊縫上焊絲的熔敷量，使稀釋率增大，兩方面綜合作用使焊接速度對(duì)稀釋率的影響作用難以預(yù)測(cè)。 文獻(xiàn)[4]采用Elman網(wǎng)格算法預(yù)測(cè)稀釋率，結(jié)果表明，隨著堆焊速度的增加，稀釋率變化不大。 同樣，熱輸入對(duì)稀釋率的影響也是雙重的，熱輸入增大時(shí)，作用于母材、填充金屬的熱輸入均增加，熱輸入對(duì)稀釋率的影響難以預(yù)測(cè)。 目前對(duì)稀釋率的本質(zhì)缺乏全面研究，焊接熱輸入作用于母材熔化、填充金屬熔化、熱影響區(qū)的比例尚無(wú)相關(guān)報(bào)道，同時(shí)，傳統(tǒng)的熱輸入公式存在諸多不足，如未考慮填充金屬作用、難以直接與稀釋率建立關(guān)系等。 采用傳統(tǒng)公式研究熱輸入與稀釋率的關(guān)系容易得出相反的結(jié)論[8-9]。

文中對(duì)稀釋率本質(zhì)、傳統(tǒng)熱輸入的不足進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)熱輸入公式進(jìn)行分解細(xì)化，采用JMatPro計(jì)算密度、比熱等熱物理性能，并計(jì)算單位體積填充金屬需要的熱量qfm，對(duì)熱輸入與稀釋率的關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)，建立由熱輸入預(yù)測(cè)稀釋率的公式，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)預(yù)測(cè)公式進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方法

驗(yàn)證試驗(yàn)用焊接材料采用實(shí)驗(yàn)室試制?1.2 mm 的ERNiCrFe-13型鎳基合金焊絲，其化學(xué)成分具體見(jiàn)表1。采用鎢極氬弧焊(GTAW)工藝在規(guī)格為300 mm×300 mm×40 mm的Q235鋼板上進(jìn)行堆焊，堆焊尺寸約為200 mm×200 mm×20 mm的塊狀金屬。 對(duì)表面進(jìn)行磨削加工后，在表面進(jìn)行單道焊驗(yàn)證試驗(yàn)(見(jiàn)圖1)，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)焊道5個(gè)橫截面面積進(jìn)行測(cè)量，求取面積算術(shù)平均值。

表1 試驗(yàn)用焊絲化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of experimental wire %

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)Tab.2 Welding process parameters for verifying test

圖1 驗(yàn)證焊接試驗(yàn)示意Fig.1 Schematic diagram of verifying welding test

2 分析與推導(dǎo)

2.1 傳統(tǒng)熱輸入、功率比公式的不足

ASME第Ⅺ卷QW-409.29節(jié)給出了GTAW的傳統(tǒng)的熱輸入Q計(jì)算公式：

(1)

傳統(tǒng)的熱輸入Q主要考慮焊接電源的輸出功率和焊接速度。 實(shí)際過(guò)程中，基于熱效率考慮，提出Qeff公式如下：

(2)

式中,μeff為熱效率系數(shù)，對(duì)于GTAW工藝,μeff一般為0.7～0.9[10]。

TATMAN[9]采用自主研發(fā)的自動(dòng)液氮量熱系統(tǒng)精確測(cè)定了TIG焊的熱效率μeff，本文選取測(cè)定值的平均值μeff=0.85。對(duì)于GTAW工藝，焊接電弧不僅作用于母材，還用于熔化填充金屬，式(2)實(shí)際為焊接電源的有效熱輸入，并未區(qū)分Qeff分別作用于母材、填充金屬的大小，在研究熱輸入對(duì)稀釋率、組織、性能的影響時(shí)，送絲量的影響被忽略，利用Qeff研究熱輸入對(duì)組織、性能的影響時(shí)，可能會(huì)得出相反的結(jié)論。

ASME第Ⅺ卷QW-409.29節(jié)給出了GTAW的另一種熱輸入估算公式，即功率比PR(Power Ratio)，具體公式如下：

(3)

式中,PR為功率比，W/cm2;vfs為送絲速度，cm/s;Awire為焊絲的橫截面面積，cm2。

功率比PR綜合考慮了焊接熱源、焊接速度、填充金屬送絲速度，假設(shè)焊縫全部由填充金屬形成，物理意義為單位面積焊縫橫截面的功率。 顯然這與實(shí)際情況存在差異，由于忽略了熔化母材的影響，難以建立PR與稀釋率的關(guān)系。

2.2 熱輸入與面積稀釋率關(guān)系公式推導(dǎo)

稀釋率指焊接過(guò)程中，由于母材熔化混入熔池而引起焊縫金屬成分的變化程度，用母材在焊縫中所占的百分比表示。 目前計(jì)算稀釋率的方法主要包括面積稀釋率、化學(xué)成分稀釋率、厚度稀釋率3種[11-13]。

本文稀釋率采用面積百分比δarea表示，即熔化母材的橫截面面積在整個(gè)焊縫橫截面面積所占的百分比，具體示意圖見(jiàn)圖2。稀釋率δarea計(jì)算公式[14]如下：

圖2 稀釋?duì)腶rea定義Fig.2 Definition of dilution δarea

(4)

式中，Abm為焊縫中熔化的母材部分橫截面面積，mm2;Afm為焊縫余高部分橫截面面積，mm2。

有效焊接熱輸入Qeff主要作用于母材與填充金屬，其公式如下：

Qeff=Qfm+Qbm

(5)

式中,Qfm為熔化填充金屬需要的熱輸入，kJ/cm;Qbm為作用于母材的熱輸入，kJ/cm。

(1)余高部分Afm與Qfm。

Afm為填充金屬熔化后形成焊縫部分面積，其可由下式求出：

(6)

按照表2中參數(shù)對(duì)不同焊接速度的下Afm進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值A(chǔ)fm-calc與測(cè)量值A(chǔ)fm-test結(jié)果如圖3所示,可以看出，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值基本一致。

圖3 Afm預(yù)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 Verification results for Afm prediction

Qfm為作用于填充金屬的熱輸入，主要用于熔化填充金屬，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略電阻熱、對(duì)流散熱等其他影響，即全部用于熔化填充金屬，因此Qfm等效為熔化填充金屬需要的熱輸入。為實(shí)現(xiàn)Qfm計(jì)算，需要將常用的質(zhì)量比熱容cfm轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積比熱容sfm，即:

sfm=cfmρfm

(7)

式中,sfm為體積比熱容，J/(cm3·℃);cfm為質(zhì)量比熱容，J/(g·℃);ρfm為密度，g/cm3。

則熔化單位體積填充金屬需要的熱量qfm為:

(8)

式中，Tm為熔點(diǎn),℃;T0為室溫，℃。

基于表1中化學(xué)成分，采用JMatPro進(jìn)行材料cfmρfm熱物理性能計(jì)算，然后利用Origin軟件，按照公式(8)求取qfm，其值大小對(duì)應(yīng)圖4中陰影部分的面積值，求取陰影部分面積，可知qfm=7 903 J/(cm3·℃)。

圖4 體積比熱容sfm隨溫度變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of temperature with volumetricspecific heat capacity sfm

則焊接過(guò)程中用于熔化填充金屬的熱輸入Qfm公式如下：

Qfm=qfmAfm

(9)

(2)母材Abm與Qbm。

對(duì)于母材的熔化面積Abm，無(wú)法通過(guò)類似式(6)的方法求出，需要在對(duì)Qbm分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合式(5)反推求出。 作用于母材的Qbm中用于熔化母材的部分為Qmbm，假設(shè)熔化系數(shù)μm為固定值，μm物理意義為Qbm在Qmbm中的占比，則有下式：

Qmbm=μmQbm

(10)

作用于母材的熱輸入Qbm可由式(5)求出。 同時(shí)Qmbm還滿足式(11)，母材為熔敷金屬，所以qbm=qfm。 對(duì)于μm，則可由式(12)求出。

Qmbm=qbmAbm

(11)

(12)

圖5示出根據(jù)不同焊道測(cè)量出的母材熔化面積Abm以及根據(jù)公式(12)估算出的μm。 可以看出，隨著焊接速度vws的增加，母材熔化面積Abm顯著減小，估算的μm變化不大，取均值μm=0.12。

圖5 不同焊接速度vws下的Abm,μmFig.5 Abm and μm at different welding speed vws

結(jié)合公式(4)(9)(10)可推導(dǎo)出公式(13),利用式(13),便可以用熱輸入Qeff和Qfm預(yù)測(cè)稀釋率。

(13)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了不同焊接速度下的試驗(yàn)對(duì)上述推導(dǎo)公式(13)進(jìn)行驗(yàn)證，圖6示出不同焊接速度下的焊道截面。 各焊道統(tǒng)計(jì)5組焊道截面的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 不同焊接速度下的焊道橫截面Fig.6 Weld bead cross section at different welding speed

由表3可以看出，稀釋率預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的誤差在±5%內(nèi)，吻合度較好，且隨著有效熱輸入的減小，稀釋率逐漸減小。

表3 稀釋率驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of dilution verification

4 結(jié)論

(1)通過(guò)公式推導(dǎo)，建立了利用熱輸入Qeff預(yù)測(cè)稀釋率δarea-pre的公式(見(jiàn)式(13))。

(2)結(jié)合JMatPro熱物理性能計(jì)算結(jié)果、試驗(yàn)測(cè)量，計(jì)算出熔化單位體積填充金屬需要的熱量qfm與熔化系數(shù)μm，分別為qfm=7 903 J/(cm3·℃),μm=0.12。

(3)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)公式(13)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示計(jì)算的稀釋率與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值誤差在±5%以內(nèi)，吻合度較好。