PHS1800熱成形鋼自動化TIG焊接成形特性及工藝優(yōu)化

劉巖，劉兆真，劉佳朋，杜安娜，鞠小龍

先進(jìn)焊接與連接

PHS1800熱成形鋼自動化TIG焊接成形特性及工藝優(yōu)化

劉巖a，劉兆真b，劉佳朋b，杜安娜b，鞠小龍b

（沈陽大學(xué) a.遼寧省先進(jìn)材料制備技術(shù)重點(diǎn)實驗室；b.機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110044）

研究不同焊接參數(shù)下PHS1800熱成形鋼自動化TIG焊接的成形特性及其工藝優(yōu)化。利用自動化TIG焊接技術(shù)對厚度為1.4 mm的PHS熱成形鋼板進(jìn)行焊接，采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和萬能實驗機(jī)，對焊接接頭的熔深、熔寬以及拉伸性能進(jìn)行測試。隨著焊接速度的增大，焊縫熔深從板厚深度（1.4 mm）減小至0.99 mm，焊縫熔寬從8.69 mm減小至5.70 mm；隨著焊接電流的增大，熔深從0.85 mm增大至板厚深度（1.4 mm），熔寬從4.52 mm增大至9.83 mm；隨著脈沖頻率的增大，熔深從0.98 mm增大至1.35 mm，但熔寬變化相差不明顯?；贚25(53)正交實驗，確定焊接接頭最大拉伸載荷為23.34 kN，其斷口為脆性斷裂。焊接電流對成形特性影響最大，焊接速度對拉伸性能影響最顯著。為了得到成形效果良好的焊接接頭，熱輸入量不宜過高，因此需適當(dāng)增大焊接速度或降低焊接電流。制備出的焊接接頭成形與力學(xué)性能均良好，且優(yōu)化后的工藝參數(shù)如下：焊接速度為6 mm/s，焊接電流為116 A，脈沖頻率為26 Hz，可為汽車企業(yè)實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

自動化TIG焊；PHS1800熱成形鋼；正交實驗；成形特性；工藝優(yōu)化

氬弧焊（tungsten inert gas，TIG）作為目前能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)金屬材質(zhì)焊接的連接技術(shù)，因其具有焊接成本低、操作簡單及無需焊劑焊接的特點(diǎn)而深受企業(yè)和研究人員的青睞[1-3]。為順應(yīng)我國焊接技術(shù)發(fā)展浪潮，提高焊接效率，提出了自動化TIG焊接工藝，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張宗郁等[4]提出在航空飛機(jī)導(dǎo)管焊接時采用數(shù)字化TIG焊取代手工TIG焊，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品成形質(zhì)量。

PHS1800熱成形鋼是一種抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 800 MPa的超高強(qiáng)度熱成形鋼，作為一種先進(jìn)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼，具有高硬度、高抗拉強(qiáng)度及高屈服強(qiáng)度的特點(diǎn)。熱成形鋼在焊接時不產(chǎn)生回彈效應(yīng)，具有良好的成形性，且制造成本較低，因此被廣泛應(yīng)用在汽車用加強(qiáng)桿和防撞結(jié)構(gòu)件中[5-7]。超高強(qiáng)度熱成形鋼的熔焊方法有很多，如電弧焊、電子束焊和激光焊等，其中電子束焊接[8]的設(shè)備復(fù)雜，且焊接時易受磁場影響；激光焊接[9]造價昂貴，且難以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。雖然電弧焊中的TIG焊[10-12]在小而精零件中的應(yīng)用遠(yuǎn)不及前兩者，但它在大型結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用最為廣泛。蔣永等[13]使用TIG焊技術(shù)實現(xiàn)了大型復(fù)合鋼管道的焊接。通過自動化對TIG焊接的精確控制可以極大提高焊接接頭的精度，提升產(chǎn)品質(zhì)量，TIG焊目前仍具有研究價值[14-16]。

文中采用自動化TIG焊接技術(shù)焊接PHS1800熱成形鋼，從焊縫熔深、熔寬與深寬比的角度，研究各個焊接工藝參數(shù)對焊接接頭熔深、熔寬及深寬比的影響規(guī)律?；趩我蛩氐膶嶒灁?shù)據(jù)及結(jié)果分析，進(jìn)行多因素的正交實驗，以拉伸性能最優(yōu)作為標(biāo)準(zhǔn)，確定PHS1800熱成形鋼自動化TIG焊接的最佳工藝參數(shù)，為我國各汽車企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)方案。

1 實驗

1.1 材料與設(shè)備

實驗選用汽車用新型材料PHS1800熱成形鋼，其尺寸為70 mm×50 mm×1.4 mm，化學(xué)成分如表1所示。實驗設(shè)備采用YP–300BP型號的Panasonic TIG焊機(jī)，將焊槍與新松機(jī)器人連接，通過數(shù)控機(jī)械手臂完成PHS1800熱成形鋼的對接焊實驗，自動化TIG焊接實驗裝置如圖1所示。經(jīng)過多組預(yù)實驗確定焊接參數(shù)范圍如下：焊接速度為6～10 mm/s，焊接電流為112～120 A，脈沖頻率為14～30 Hz。

表1 PHS1800熱成形鋼的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of PHS1800 press hardening steel wt.%

圖1 自動化TIG焊接實驗裝置

1.2 方法

采用單因素方法分別研究了焊接速度、焊接電流及脈沖頻率對自動化TIG焊接成形的影響。使用線切割機(jī)將焊件沿垂直于焊縫方向進(jìn)行切割，制成30 mm×10 mm×1.4 mm的金相試樣。經(jīng)研磨拋光后，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硝酸無水乙醇溶液進(jìn)行腐蝕處理。使用OLYMPUS SZ61光學(xué)顯微鏡觀察其焊縫截面，設(shè)置放大倍數(shù)為20，測量焊縫的熔深及熔寬。

采用三因素五水平的正交實驗研究了PHS1800熱成形鋼自動化TIG焊接的最佳焊接工藝參數(shù)。實驗完成后，使用線切割機(jī)將焊件切成GB.T 2651—2008《焊接接頭拉伸實驗方法》標(biāo)準(zhǔn)的拉伸件，如圖2所示。采用WDW–100B萬能實驗機(jī)，設(shè)定拉伸速度為2.0 mm/min，對試樣進(jìn)行拉伸實驗。取每次水平總和作為試樣在該參數(shù)條件下的最終拉伸實驗數(shù)據(jù)，最后采用日立S–4800掃描電鏡放大500倍觀測拉伸斷口形貌。

圖2 拉伸試樣示意圖

基于自動化TIG焊接技術(shù)，主要研究3種焊接工藝參數(shù)對焊縫成形特性的影響規(guī)律，以獲得成形美觀、無焊接缺陷的焊接接頭。隨后采用拉伸正交實驗，探究試樣最優(yōu)拉伸性能下的工藝參數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化PHS1800的自動化TIG焊接的工藝參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接速度

在焊接電流為116 A、脈沖頻率為30 Hz的條件下，研究不同焊接速度對焊接接頭熔深、熔寬及深寬比的影響規(guī)律。焊接接頭的成形外觀如圖3所示，主要分為母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)。采用單因素方法研究不同焊接速度下焊縫熔深、熔寬的變化趨勢，測得實驗數(shù)據(jù)如表2所示。可知，當(dāng)焊接速度由6 mm/s增大至10 mm/s時，焊縫熔深從1.40 mm減小至0.99 mm，焊縫熔寬從8.69 mm減小至5.70 mm，而深寬比基本呈逐漸增大的趨勢。深寬比是焊縫熔深與熔寬的比值，可在一定程度上表征焊機(jī)穿透力。深寬比越大，則獲得的焊縫成形質(zhì)量相對越好。當(dāng)焊接速度高于9 mm/s時，深寬比突然下降，這是由于焊槍行走速度過快，導(dǎo)致非熔化鎢極產(chǎn)生的電弧熱在基板上停留的時間較短，造成焊縫深寬比突然降低的現(xiàn)象。

圖3 焊接接頭宏觀區(qū)域形貌

若保持其他參數(shù)不變，并繼續(xù)增大焊接速度，易導(dǎo)致焊縫未焊透、未完全熔合及出現(xiàn)焊接氣孔等加工缺陷，而焊接速度過慢則會導(dǎo)致單位面積上熱量聚集嚴(yán)重，最終使焊縫金屬燒穿。此外，對表2深入研討發(fā)現(xiàn)，隨焊接速度的增大，熔深減小的速率逐漸加快，說明熔深受焊接速度影響更強(qiáng)烈。焊槍行走速度逐漸加快，堆積在焊縫表層的重熔金屬面積減小，熔寬面積顯著減小，且熱輸入總量低，使焊透到金屬心部的深度也減小，導(dǎo)致焊縫熔深的減小程度逐漸加快。

表2 不同焊接速度下焊縫的熔寬和熔深

Tab.2 Welding width and depth at different welding speeds

2.2 焊接電流

采用同樣方法研究了焊接電流對TIG焊接接頭熔深、熔寬及深寬比的影響。固定8 mm/s的焊接速度和30 Hz的脈沖頻率不變，探究不同焊接電流下焊縫熔寬和熔深的變化情況，測得實驗數(shù)據(jù)如表3所示。可知，保證焊接速度和脈沖頻率不變，當(dāng)焊接電流由112 A增大至120 A時，熔深從0.85 mm增大至1.40 mm，熔寬從4.52 mm增大至9.83 mm。這是因為焊接電流增大會增加電弧熱輸入量，而單位面積上熱量輸入高，即熱量集中會導(dǎo)致焊接熔池深度、寬度增大。但焊縫深寬比隨著焊接電流的增大呈先增大后減小的趨勢，這是因為當(dāng)熱輸入過高時，焊接易產(chǎn)生燒穿現(xiàn)象和咬邊成形缺陷，而電流過低則會導(dǎo)致引弧困難、引弧不穩(wěn)定及夾渣等問題。

表3 不同焊接電流下焊縫的熔寬和熔深

Tab.3 Weld width and weld depth at different welding current

焊縫熔深及熔寬隨著焊接電流的增大而均勻增大，說明改變焊接電流大小只能影響焊接過程的熱輸入總量，而改變焊接速度則會直接影響焊縫成形效果。當(dāng)焊接速度固定時，可以通過改變焊接電流來調(diào)整焊接熱輸入總量，避免焊接速度過快或過慢而造成焊縫成形缺陷。當(dāng)焊接電流固定時，可以通過控制焊接速度達(dá)到控制熱輸入總量的目的。但此方法具有一定的局限性，由于焊接速度成為了不可控因素，難以解決因焊接速度較小而引起的生產(chǎn)效率低等問題。

2.3 脈沖頻率

在焊接速度為8 mm/s、焊接電流為116 A條件下，不同脈沖頻率下測得的焊縫熔深、熔寬及深寬比見表4?？芍?，當(dāng)脈沖頻率由14 Hz增大至30 Hz時，熔深從0.98 mm均勻增大至1.35 mm，這是因為高脈沖頻率使單位時間內(nèi)電流放電頻率增大，放大了平行于焊槍方向的電弧穿透力，結(jié)果使焊縫熔深增大。但脈沖頻率對焊縫熔寬的影響不明顯，說明這種電弧穿透力只是單向力，并不是影響熱輸入總量的因素，即只增大了電子流動的頻率。另一方面，深寬比隨脈沖頻率的增大而增大，證明這種脈沖頻率可以影響焊機(jī)的穿透力，且這種變化不影響焊縫熔寬的變化，易于得到成形外觀精美的焊件，但脈沖頻率不是影響熱輸入量的根本因素。

表4 不同脈沖頻率下焊縫的熔寬和熔深

Tab.4 Weld width and weld depth at different pulse frequency

2.4 TIG焊接參數(shù)的工藝優(yōu)化

通過三因素五水平的正交實驗，研究常溫下靜載拉伸實驗條件下的最優(yōu)力學(xué)性能及其焊接參數(shù)組合，這樣不僅可以減少實驗次數(shù)，而且還能更直觀地得到影響實驗結(jié)果的最主要因素[17]。設(shè)計L25(53)正交實驗，具體如下：選取焊接速度、焊接電流及脈沖頻率作為正交實驗3個實驗因素，且平均分成5個實驗水平度，設(shè)計25組對比實驗，探究最佳拉伸性能的焊接參數(shù)組合以及最優(yōu)水平。對拉伸實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，確定影響拉伸性能效果最顯著的焊接參數(shù)，極差分析結(jié)果如表5所示。

由表5可知，焊接速度的極差值最大，其次是焊接電流和脈沖頻率。值越大代表影響效果越顯著，說明影響焊接接頭拉伸性能最關(guān)鍵的因素為焊接速度，此數(shù)據(jù)結(jié)果與前文焊縫成形分析結(jié)果一致。值代表該水平條件下，各組拉伸力數(shù)據(jù)之和，如焊接速度的水平總和1代表焊件的焊接速度為6 mm/s、焊接電流與脈沖頻率為變量時所獲得的全部拉伸實驗結(jié)果的總和；焊接電流的水平總和1代表當(dāng)焊接電流為112 A、與為變量時所獲得的全部拉伸實驗結(jié)果的總和，以此類推。值越高則拉伸斷裂所需的力越大，其拉伸性能越好。因此，獲得焊接參數(shù)的最優(yōu)解為134，即在6 mm/s焊接速度、116 A焊接電流和26 Hz脈沖頻率的條件下，得到的焊件拉伸性能最優(yōu)，試樣拉伸曲線如圖4所示，此時可承受最大拉伸載荷為23.34 kN。

對拉伸性能最優(yōu)結(jié)果的拉伸斷口進(jìn)行SEM顯微分析，結(jié)果如圖5所示。拉伸試樣斷裂于熱影響區(qū)，這是由于焊接工藝的優(yōu)化產(chǎn)生了最為合適的熱輸入量，使焊縫對焊區(qū)緊密結(jié)合，不易發(fā)生拉伸斷裂，而熱影響區(qū)由于受熱程度不均勻而易發(fā)生拉伸斷裂。此外，由于斷口宏觀截面的外觀形貌較平整，斷口顏色呈灰白色，初步判斷為脆性斷裂。再根據(jù)圖5中斷口的微觀SEM形貌可知，拉伸試樣在裂紋擴(kuò)展階段產(chǎn)生了河流花樣，為解理斷裂，屬于典型的脆性斷裂。

表5 拉伸性能極差分析法分析結(jié)果

Tab.5 Tensile properties range analysis results

圖4 焊接接頭拉伸曲線

圖5 焊接接頭拉伸斷口SEM形貌

3 結(jié)論

1）通過單因素分析法可知，影響焊接接頭成形最主要因素為焊接電流，當(dāng)焊接速度由6 mm/s增大至10 mm/s時，焊縫熔深從板厚深度（1.4 mm）減小至0.99 mm，焊縫熔寬從8.69 mm減小至5.70 mm；當(dāng)焊接電流由112 A增大至120 A時，熔深從0.85 mm增大至板厚深度（1.4 mm），熔寬從4.52 mm增大至9.83 mm；當(dāng)脈沖頻率由14 Hz增大至30 Hz時，熔深從0.98 mm增大至1.35 mm，熔寬變化相差不明顯。

2）通過拉伸正交實驗極差分析可知，影響焊接接頭拉伸性能最主要的因素為焊接速度，焊接電流次之，脈沖頻率的影響最小。以拉伸性能最優(yōu)為標(biāo)準(zhǔn)，得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)如下：焊接速度為6 mm/s，焊接電流為116 A，脈沖頻率為26 Hz。在此條件下，試樣可承受最大拉伸載荷為23.34 kN，拉伸斷口屬于脆性斷裂，且焊件外觀成形良好，符合實際生產(chǎn)需求。

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Forming Characteristics and Process Optimization of Automatic TIG Welding for PHS1800 Press Hardening Steel

LIU Yana, LIU Zhao-zhenb, LIU Jia-pengb, DU An-nab, JU Xiao-longb

(a. The Liaoning Provincial Key Laboratory of Advanced Materials & Preparation Technology; b. School of Mechanical Engineering, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

The paper aims to study the forming characteristics and process optimization of PHS1800 press hardening steel automatic TIG welding under different welding parameters. Automatic TIG welding technology was used to weld PHS press hardening steel plate with the thickness of 1.4 mm. The welding depth and width were measured and tensile properties were tested by metallographic microscope, scanning electron microscope and universal testing machine. With the increase of welding speed, the welding depth decreased from plate thickness (1.4 mm) to 0.99 mm, and the welding width decreased from 8.69 mm to 5.70 mm. With the increase of welding current, the welding depth increased from 0.85 mm to plate thickness (1.4 mm), and the welding width increased from 4.52 mm to 9.83 mm. With the increase of pulse frequency, the welding depth increased from 0.98 mm to 1.35 mm, but the change of welding width was not obvious. Based on L25(53) orthogonal experiment, it is determined that the maximum tensile load of the welded joint is 23.34 kN, and the fracture is brittle fracture. Under the experimental conditions, welding current has the greatest influence on forming properties, and welding speed has the most significant effect on tensile properties. In order to obtain the welding joint with good forming effect, the heat input should not be too high, so the welding speed should be properly increased or the welding current should be reduced. The welded joint with good forming and mechanical properties can be prepared by the experiment. The optimized process parameters are as follows: welding speed of 6 mm/s, welding current of 116 A, pulse frequency of 26 Hz, which can provide some theoretical basis for the actual production of the automobile enterprises.

automatic TIG welding; PHS1800 press hardening steel; orthogonal experiment; forming characteristics; process optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.016

TG442

A

1674-6457(2022)06-0117-06

2021–08–01

遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新人才支持計劃（LR2019042）；遼寧省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2020JH2/10100011）

劉巖（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向為先進(jìn)材料焊接工藝、增材制造技術(shù)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨