低碳鋼三絲間接電弧焊?jìng)鳠釞C(jī)制及工藝性能

王澤力，張?zhí)燹?，刁?guó)寧，徐國(guó)敏，劉黎明

(大連理工大學(xué)，遼寧省先進(jìn)連接技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，大連，116024)

0 序言

在焊接過(guò)程中，焊接效率的提升往往伴隨熱輸入的增加，而過(guò)高的焊接熱輸入會(huì)導(dǎo)致焊接變形、熱影響區(qū)晶粒粗大等缺陷，降低焊件的力學(xué)性能，因此控制焊接熱輸入對(duì)保證焊接質(zhì)量十分重要[1].為此多絲電弧+冷絲填絲焊[2]、旁路耦合焊、激光-電弧復(fù)合焊等技術(shù)被提出，均可減少焊接熱輸入，但母材仍連接電極，未改變母材受熱模式.雙絲間接電弧技術(shù)采取母材脫離電極策略[3]，電弧在焊絲之間產(chǎn)生，焊接電流不通過(guò)母材，從根本上改變了電弧放電路徑，低熱輸入效果更加顯著，但易出現(xiàn)由于熱輸入不足引起的未熔合缺陷[4].

三絲間接電弧焊(triple-wire gas indirect arc welding，TW-GIA 焊)通過(guò)引入第三根焊絲，改善了磁場(chǎng)分布以增加電弧穩(wěn)定性，獲得了更寬的工藝窗口，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)間接電弧熱輸入不足缺陷[5].Liu 等人[6]通過(guò)研究揭示了TW-GIA 焊焊絲排布方式對(duì)電弧特性的影響，證明空間對(duì)稱(chēng)式焊絲排布方式可獲得更高的熔敷效率；胡成輝等人[7]提出主絲接正的焊絲極性接法可獲得集中耦合的電弧形態(tài)；于世寶等人[8]通過(guò)研究闡明了工藝參數(shù)對(duì)TW-GIA 焊電弧穩(wěn)定性的影響規(guī)律，獲得了更廣的工藝選取區(qū)間.以上研究證明TW-GIA 焊在降低焊接熱輸入、減小焊接變形方面具備獨(dú)特的潛在優(yōu)勢(shì).

現(xiàn)階段對(duì)TW-GIA 焊的研究集中于電弧特性領(lǐng)域，而對(duì)焊縫成形優(yōu)化的實(shí)際效果未有明確報(bào)道.區(qū)別于傳統(tǒng)電弧焊，TW-GIA 焊母材脫離電極，受熱模式發(fā)生根本變化，現(xiàn)階段母材受熱模式尚不明確，無(wú)法對(duì)焊接熱輸入進(jìn)行準(zhǔn)確把握，制約此技術(shù)的發(fā)展.因此利用紅外測(cè)溫系統(tǒng)及高速成像設(shè)備對(duì)TW-GIA 焊的傳熱機(jī)制進(jìn)行了討論，通過(guò)研究TW-GIA 焊與熔化極惰性氣體保護(hù)焊(metal inertia gas welding，MIG 焊)熱輸入及焊縫成形差異，闡明了TW-GIA 焊具備顯著的小熱輸入優(yōu)勢(shì)，并對(duì)TWGIA 焊顯微組織及力學(xué)性能進(jìn)行了討論，對(duì)推進(jìn)此技術(shù)的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 試驗(yàn)方法

圖1 為T(mén)W-GIA 焊接系統(tǒng)示意圖，主要由兩臺(tái)焊接電源、3 臺(tái)送絲系統(tǒng)組成，空間分布中心位置焊絲為主絲，兩側(cè)為邊絲，采取兩電源正極與主絲相接，負(fù)極分別連接兩邊絲的極性接法.主絲電流IM=IL+IR，IL和IR分別為左、右邊絲電流.采用直流脈沖電源模式，所用焊接電流以主絲電流為依據(jù)，焊接高度定義為引弧前焊絲交點(diǎn)與母材距離.

圖1 TW-GIA 焊接系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of TW-GIA welding system

母材選用規(guī)格為400 mm × 150 mm × 5 mm 的Q345 低碳鋼.TW-GIA 焊間隙2.5 mm，MIG 焊母材采取Y 形坡口，坡口角度60°，鈍邊2 mm，底部間隙1.8 mm，背部采取陶瓷襯墊約束.采用ER50-6焊絲，兩邊絲直徑為1.2 mm，主絲直徑為1.6 mm，邊絲與主絲的夾角為30°，主絲與水平夾角為45 °，焊絲伸出長(zhǎng)度15 mm，3 根焊絲采取點(diǎn)接觸，引弧前3 根焊絲接觸點(diǎn)與母材間的距離定義為焊接高度.保護(hù)氣體80%CO2+20%Ar，氣體流量為25 L/min.表1 為母材及焊絲化學(xué)成分.

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of base metal and wire

采取非接觸式SAT-G95 紅外測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)焊后瞬間焊件平均溫度進(jìn)行捕捉，系統(tǒng)具備選區(qū)測(cè)溫及自動(dòng)調(diào)焦功能，設(shè)置測(cè)距為1 m，輻射率為0.84[9]，環(huán)境溫度設(shè)定15 ℃.采用MS50K 型高速攝像機(jī)(配置中心波長(zhǎng)為659.5 nm 窄帶濾光片)記錄試驗(yàn)過(guò)程中電弧與母材接觸范圍.采用OTC DP500 型MIG 焊焊機(jī)，配備AX-V16 六軸焊接系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)焊接電流及送絲速度自動(dòng)匹配效果.

2 結(jié)果及討論

2.1 焊縫形貌

圖2 為焊接高度4 mm、焊接電流270 A、焊接速度750 mm/min 條件下TW-GIA 焊及MIG 焊典型焊縫及截面形貌.TW-GIA 焊可實(shí)現(xiàn)良好的單道焊成形，焊縫表面無(wú)明顯缺陷(圖2a)，由截面形貌看出無(wú)明顯角變形缺陷，側(cè)邊熔合良好.在相同焊接電流及焊接速度下，MIG 焊焊縫出現(xiàn)了較大的角變形缺陷(圖2b)，且熱影響區(qū)寬度明顯大于TWGIA 焊焊縫.

圖2 典型焊縫及截面形貌Fig.2 Typical weld and cross section appearance.(a) TW-GIA welding；(b) MIG welding

焊接變形及熱影響區(qū)大小主要與焊接熱輸入有關(guān).經(jīng)測(cè)試，焊接電流為240～ 330 A 時(shí)，MIG 焊焊件焊后瞬間平均溫度范圍為327.8～ 547.5 ℃，TW-GIA 焊焊件平均溫度范圍為123.5～ 220.8 ℃，較MIG 焊平均減小60.2 %.證明TW-GIA 焊具備更小的焊接熱輸入，這是因?yàn)門(mén)W-GIA 焊電弧放電路徑的改變使熱輸入模式發(fā)生了變化.

圖3 為兩種工藝電弧放電示意圖.在MIG 焊過(guò)程中，母材與焊絲均連接電源電極，兩電極間空氣中的中性粒子在電離能的作用下不斷被電離成電子和離子，產(chǎn)生放射能.同時(shí)，電子不斷從焊絲溢出，在電場(chǎng)作用下向母材運(yùn)動(dòng)，電子撞擊至母材極性斑點(diǎn)區(qū)域，向母材轉(zhuǎn)移能量.母材原子受到激勵(lì)以及離子與電子再結(jié)合會(huì)釋放能量，并且熔滴在過(guò)渡至熔池后，也向母材轉(zhuǎn)移能量.因此MIG 焊熱輸入來(lái)自于電子攜帶能量、電弧等離子體的放射能、流體傳導(dǎo)和對(duì)流方式轉(zhuǎn)移能量，焊接熱輸入滿(mǎn)足式(1)[10].

圖3 電弧放電示意圖Fig.3 Schematic diagram of arc discharge.(a) MIG welding；(b) TW-GIA welding

式中：Q為焊接熱輸入；U為電弧電壓；I為焊接電流；v為焊接速度；η為焊接熱效率系數(shù)，在MIG 焊中η為0.7～ 0.8.而在TW-GIA 焊過(guò)程中，兩邊絲連接焊接電源負(fù)極，主絲連接焊接電源正極，電流在兩電源及3 根焊絲之間構(gòu)成完整回路，3 根焊絲分別充當(dāng)電弧放電的陰陽(yáng)極，激發(fā)溢出的等離子體在3 根焊絲間運(yùn)動(dòng)，母材不參與電弧放電過(guò)程，無(wú)極性斑點(diǎn)，不承受極區(qū)能量，僅承受與電弧、熔滴(熔池)接觸轉(zhuǎn)移能量，η值應(yīng)遠(yuǎn)小于MIG 焊，因此呈現(xiàn)小焊接熱輸入優(yōu)勢(shì).

2.2 工藝因素對(duì)TW-GIA 焊熱輸入的影響

表2 為不同焊接高度下TW-GIA 焊焊后瞬時(shí)焊件溫度.在相同焊接電流下，焊件溫度隨焊接高度的增加而降低.并且在不同焊接高度規(guī)范下，焊接電流的變化造成的溫度差異程度并不相同，在焊接高度4 mm 時(shí)，焊接電流從330 A 降至240 A，焊件平均溫度降低97.1 ℃；焊接高度升至14 mm 時(shí)，相同電流差異下焊件平均溫度降低41.7 ℃；焊接高度升至24 mm 時(shí)，溫度基本無(wú)變化.即隨焊接高度的增加，焊接電流的變化對(duì)TW-GIA 焊熱輸入影響程度逐漸減小.

表2 不同焊接高度下TW-GIA 焊焊件的平均溫度Table 2 TW-GIA weldments average temperature in different welding height

圖4 為焊接電流270 A、焊接速度750 mm/min條件下不同焊接高度的焊縫及截面形貌.由于焊接熱輸入的減小，與圖2 中焊接高度4 mm 時(shí)的焊縫相比，圖4 中兩焊縫的潤(rùn)濕角度明顯增加，且出現(xiàn)了局部側(cè)壁未熔合缺陷.這表明TW-GIA 焊熱輸入隨焊接高度的增加而降低，但當(dāng)焊接高度過(guò)高時(shí)，過(guò)小的焊接熱輸入不利于焊縫質(zhì)量的提升.

圖4 不同焊接高度下焊縫形貌Fig.4 Weld appearance at different welding heights.(a) welding height 14 mm；(b) welding height 24 mm

將電弧和熔池視為流體，母材表面與熔池接觸位置處由于粘性作用，熔池處于停滯無(wú)滑移狀態(tài)[11]，所以母材所承受熱輸入主要來(lái)自電弧熱對(duì)流及熔池?zé)醾鲗?dǎo).其中熱對(duì)流應(yīng)遵循牛頓冷卻公式(2)[11].

式中：q為 熱對(duì)流熱量；h為 對(duì)流系數(shù)；Δt為對(duì)流界面處溫度梯度.

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉公式(3)[11].

式中：φ為熱傳導(dǎo)熱量；λ為熱導(dǎo)率；A為導(dǎo)熱面積；為溫度梯度.從式(2)～ 式(3)可知，TW-GIA 焊母材受熱與熱源接觸界面的溫度梯度成正比.電弧各區(qū)域溫度不同，TW-GIA 焊焊接高度的改變直接影響母材與電弧的接觸位置，進(jìn)而影響接觸界面的溫度梯度.

圖5 為不同焊接高度下電弧與母材接觸位置.焊接高度4 mm 時(shí)，母材與電弧弧柱區(qū)充分接觸，熱量傳遞模式為電弧熱對(duì)流+熔池?zé)醾鲗?dǎo)，此時(shí)電弧溫度可充分向母材傳遞，焊接熱輸入較大，在此焊接高度下改變焊接電流，可使電弧溫度變化顯著，進(jìn)而對(duì)熱輸入造成較大影響，如圖5a 所示.當(dāng)焊接高度升至14 mm 時(shí)，母材與電弧末端邊緣區(qū)域接觸，電弧邊緣區(qū)域溫度小于中心區(qū)域溫度[9]，此時(shí)熱量傳遞模式為少量電弧熱對(duì)流+熔池?zé)醾鲗?dǎo)，母材所承受熱輸入較低，此時(shí)調(diào)整電流規(guī)范，電弧溫度雖然改變，但電弧熱對(duì)流傳遞熱量仍然較少，造成不同焊接電流下焊件平均溫度差異較小，如圖5b 所示.當(dāng)焊接高度上升至24 mm 時(shí)，母材完全脫離電弧接觸，沒(méi)有電弧熱對(duì)流的傳熱效果，僅靠熔池?zé)醾鲗?dǎo)，此時(shí)焊接熱輸入最小，并且在此焊接高度下改變焊接電流，雖然電弧溫度發(fā)生變化，但熔池溫度必定在金屬熔沸點(diǎn)之間，母材與熔池界面處的溫度梯度的改變十分有限，因此焊件平均溫度無(wú)明顯變化，如圖5c 所示.

圖5 不同焊接高度下電弧與母材接觸位置Fig.5 Contact position between arc and base metal at different welding heights.(a) welding height 4 mm；(b) welding height 14 mm；(c) welding height 24 mm

根據(jù)式(1)，傳統(tǒng)電弧焊中調(diào)整焊接速度可對(duì)焊接熱輸入進(jìn)行有效調(diào)節(jié).當(dāng)TW-GIA 焊焊接高度14 mm 時(shí)，焊接熱輸入較小且出現(xiàn)了側(cè)壁未熔合缺陷.為體現(xiàn)焊接速度變化對(duì)TW-GIA 焊熱輸入的影響，對(duì)此焊接高度下不同焊接速度的焊縫特征進(jìn)行分析.圖6 為不同焊接速度下的焊件溫度分布，溫度場(chǎng)特征及平均溫度并未有明顯差異.這是因?yàn)樵谙嗤附痈叨燃昂附与娏飨?，母材與電弧的接觸位置及電弧的溫度特性相同，則母材與熱源接觸界面的溫度梯度可視為不變.根據(jù)上文分析，此時(shí)母材受熱模式為少量電弧熱對(duì)流+熔池?zé)醾鲗?dǎo)，電弧熱對(duì)流時(shí)間差異引起的熱輸入變化較小.但TWGIA 焊采取3 根焊絲同時(shí)進(jìn)給策略，焊接速度的變化會(huì)對(duì)焊絲熔敷量造成較大影響，如圖7 所示.當(dāng)焊接速度為700 mm/min 時(shí)焊縫內(nèi)金屬填充良好；但當(dāng)焊接速度為800 mm/min 時(shí)焊縫余高顯著降低，出現(xiàn)了由于焊縫未填滿(mǎn)產(chǎn)生的咬邊缺陷，且側(cè)壁未熔合缺陷依然存在.因此，焊接速度的調(diào)整會(huì)對(duì)TW-GIA 焊焊縫形貌造成顯著影響，但從根本上無(wú)法解決側(cè)壁未熔合缺陷.

圖6 不同焊接速度下TW-GIA 焊焊件的平均溫度Fig.6 Average temperature of TW-GIA welding weldments at different welding speeds.(a) welding speed 700 mm/min；(b) welding speed 800 mm/min

圖7 不同焊接速度下TW-GIA 焊焊縫形貌Fig.7 TW-GIA welding welds appearance at different welding speeds.(a) welding speed 700 mm/min；(b) welding speed 800 mm/min

2.3 顯微組織及力學(xué)性能

圖8 為焊接高度4 mm、焊接電流270 A、焊接速度750 mm/min 條件下TW-GIA 焊與MIG 焊顯微組織形貌.母材主要為細(xì)小的塊狀珠光體(pearlite，P)及鐵素體(ferrite，F(xiàn))，如圖8a 所示.TW-GIA 焊熱影響區(qū)主要為細(xì)小的胞狀晶，組織為珠光體及細(xì)小的先共析鐵素體(grain boundary ferrite，GBF)，聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象較少，如圖8b 所示.MIG 焊熱影響區(qū)主要為粗大的胞狀晶，組織為珠光體、先共析鐵素體以及沿晶分布的魏氏體(widmnstatten，W)，熔合區(qū)內(nèi)先共析鐵素體穿過(guò)熔合線(xiàn)向焊縫區(qū)伸展，呈現(xiàn)明顯聯(lián)生結(jié)晶現(xiàn)象，如圖8c 所示.TW-GIA 焊焊縫由細(xì)小的柱狀晶組成，組織主要為珠光體、細(xì)小的先共析鐵素體，并含有少量沿晶分布的針狀鐵素體(acicular ferrite，AF)，如圖8d 所示.MIG 焊焊縫為粗大柱狀晶，組織主要為珠光體、粗大的先共析鐵素體及沿晶析出的側(cè)板條鐵素體(ferrite side plate，F(xiàn)SP)，如圖8e 所示.綜上所述，TW-GIA 焊的小焊接熱輸入效果對(duì)焊縫及熱影響區(qū)組織晶粒起到細(xì)化作用，并消除了魏氏體的存在.

圖8 顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology.(a) base metal；(b) heat affected zone of TW-GIA welding；(c) heat affected zone of MIG welding；(d) welds of TW-GIA welding；(e) welds of MIG welding

圖9 為焊接電流270 A 時(shí)兩種工藝接頭的顯微硬度.TW-GIA 焊熱影響區(qū)較母材具備更大面積的珠光體分布，熱影響區(qū)硬度略大于母材區(qū).所用焊絲中含有Mn，Si 元素，使焊縫區(qū)硬度高于熱影響區(qū)，MIG 焊焊縫粗大鐵素體的存在使其顯微硬度小于TW-GIA 焊焊縫.焊縫區(qū)平均硬度可達(dá)289.8 HV.圖10 為焊接高度4 mm 時(shí)TW-GIA 焊焊縫拉伸性能對(duì)比，不同焊接電流下拉伸試樣的斷裂位置均處于遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)域，最大抗拉強(qiáng)度為472 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為26.5%.

圖9 典型接頭的顯微硬度Fig.9 Microhardness of typical joints

圖10 TW-GIA 焊焊縫的拉伸性能Fig.10 Tensile performance of TW-GIA welding welds

3 結(jié)論

(1) TW-GIA 焊可實(shí)現(xiàn)無(wú)明顯焊接變形的5 mm厚Q345 鋼單道焊成形，相同焊接參數(shù)下較MIG 焊具備小焊接熱輸入優(yōu)勢(shì)，熱影響區(qū)寬度小于MIG 焊.

(2) 與傳統(tǒng)電弧焊不同，隨焊接高度增加，TWGIA 焊熱輸入逐漸降低，焊接電流變化對(duì)TWGIA 焊熱輸入影響程度逐漸減小，傳熱模式由電弧熱對(duì)流+熔池?zé)醾鲗?dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)閮H熔池?zé)醾鲗?dǎo).

(3) TW-GIA 焊的小焊接熱輸入效果對(duì)焊縫及熱影響區(qū)組織晶粒起到細(xì)化作用，并消除了魏氏體的存在.焊縫區(qū)平均硬度可達(dá)289.8 HV，最大抗拉強(qiáng)度為472 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為26.5%.