中厚板高強(qiáng)鋼冷熱多絲復(fù)合埋弧焊熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量

付 俊，張華軍

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

0 引 言

焊接是一個(gè)特殊的局部加熱和冷卻工藝，處于焊縫熱影響區(qū)(Heat Affected Zone，HAZ)的奧氏體晶粒由于受熱而大幅增長(zhǎng)，在冷卻后產(chǎn)生復(fù)雜粗大的奧氏體組織，韌性較低，容易形成裂紋等缺陷，降低焊縫的性能[1]。因此，對(duì)焊縫HAZ熱循環(huán)曲線進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量較為必要，可作為對(duì)焊接進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算及對(duì)焊縫HAZ性能與焊縫變形等進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和前提。準(zhǔn)確測(cè)量和控制熱循環(huán)參數(shù)對(duì)優(yōu)化控制焊縫及其HAZ微觀組織與力學(xué)性能具有重要意義。

埋弧焊(Submerged Arc Welding，SAW)具有較高的機(jī)械化程度和生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于厚板焊接，例如海洋工程、大型船體和厚壁壓力容器等[2-4]。SAW的較大熱輸入會(huì)引起焊縫中的晶粒粗化而導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低。蔣勇等[5]發(fā)現(xiàn)在焊接過(guò)程中，隨著熱輸入由13.4 kJ/cm增至20.6 kJ/cm，焊縫強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。由于單絲SAW熔覆率低、焊接效率低，因此采用一種新型的冷熱多絲復(fù)合SAW方法：在2根熱絲中間插入1根冷絲，利用熱絲多余的熱量熔化冷絲，在總熱輸入值不變的情況下，提高熔覆率和焊接效率。

國(guó)內(nèi)外對(duì)明弧焊接方法的焊接溫度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行許多深入的研究和探索，并已取得相應(yīng)的科學(xué)研究成果，在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用[6-7]，但關(guān)于SAW熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量的研究較為少見(jiàn)。在實(shí)際焊接過(guò)程中，SAW熱輸入量大，易使HAZ組織粗大，影響焊縫性能。準(zhǔn)確測(cè)量焊縫HAZ熱循環(huán)曲線需要耗費(fèi)大量的人力物力，尚無(wú)針對(duì)中厚板高強(qiáng)鋼焊縫HAZ熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量的簡(jiǎn)易成型方法。采用自行研制的多通道熱電偶測(cè)溫法分別測(cè)量單絲SAW和冷熱多絲復(fù)合SAW的溫度場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)中厚板高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程中的焊縫HAZ熱循環(huán)參數(shù)進(jìn)行定量分析，不僅可優(yōu)化冷熱多絲復(fù)合SAW工藝參數(shù)(焊絲間距、焊槍傾角及電流電壓等)，而且可為生產(chǎn)高強(qiáng)度、高韌性及高可靠性的中厚板高強(qiáng)鋼SAW焊接接頭提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分別采用單絲SAW和冷熱多絲復(fù)合SAW工藝。采用8 mm厚A709-50T-2母材(尺寸為10 000 mm×2 000 mm×8 mm)，焊絲選用ESAB Weld ENi1K，母材與焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。冷熱多絲復(fù)合SAW焊槍排列組合形式如圖1所示，焊槍沿焊接方向前后排列(間距為50 mm)，前置焊絲為單粗絲(直徑為5.0 mm)，后置焊絲為雙細(xì)絲(直徑為2.5 mm)。前絲與后絲均為熱絲，采用焊接電流與送絲速度一元化調(diào)節(jié)方式。中絲為冷絲，需要通過(guò)熱絲的熱量熔化為液態(tài)熔池，作為熔覆金屬填充在工件表面，并通過(guò)可靠的軟件設(shè)計(jì)控制冷絲與熱絲的送絲速度匹配性，以保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。焊接工藝參數(shù)如表2和表3所示。為保證達(dá)到單面焊雙面成型效果，采用Y型坡口，如圖2所示。焊接接頭單面V型坡口a為70°，板厚W為8 mm，鈍邊f(xié)為3 mm，裝配間隙L為0 mm。

表1 母材與焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 單絲SAW工藝參數(shù)

表3 冷熱多絲復(fù)合SAW工藝參數(shù)

圖1 冷熱多絲復(fù)合SAW焊槍排列組合形式

圖2 焊接接頭形式

2 焊縫HAZ尺寸測(cè)量

為準(zhǔn)確獲取焊縫HAZ的溫度場(chǎng)分布及合理布置測(cè)溫點(diǎn)，需要對(duì)已焊接的焊縫尺寸進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，并得到焊縫HAZ的實(shí)際尺寸。在焊接后的鋼板上截取焊接接頭試塊，對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光和腐蝕處理，腐蝕劑選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精，利用顯微鏡進(jìn)行觀察。對(duì)試樣不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，獲取1組同規(guī)格金相樣的焊縫熔深，測(cè)量金相樣的熔合線(Fusion Line，F(xiàn)L)及焊縫尺寸(正背面熔寬)。試樣冷熱多絲復(fù)合SAW焊接接頭橫截面如圖3所示，正面熔寬為13.40 mm，背面熔寬為11.65 mm，余高為2.00 mm，束腰為8.54 mm，焊縫成型質(zhì)量良好，完全熔透。

圖3 冷熱多絲復(fù)合SAW焊接接頭橫截面

根據(jù)上述測(cè)量的焊縫尺寸，針對(duì)焊縫HAZ進(jìn)行溫度測(cè)量，主要將一塊鋼板試樣設(shè)計(jì)為2段，其中：第Ⅰ段采用單絲SAW工藝；第Ⅱ段采用冷熱多絲復(fù)合SAW工藝。在測(cè)溫鋼板焊縫位置的正面設(shè)計(jì)1組等厚度并與FL等距離差的測(cè)溫孔，不同距離的測(cè)溫孔使焊縫HAZ的各分區(qū)均分布測(cè)溫點(diǎn)，其中：第Ⅰ段的5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)分別設(shè)置為1號(hào)～5號(hào)；第Ⅱ段的5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置為1′號(hào)～5′號(hào)。測(cè)溫點(diǎn)位置分布如圖4所示，其中：v為焊接速度；d為焊縫正面熔寬；h為焊縫余高；FL+1～FL+5分別為測(cè)溫點(diǎn)與FL的距離。

圖4 測(cè)溫點(diǎn)位置分布示例

3 熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量

冷熱多絲復(fù)合SAW和單絲SAW的熱循環(huán)曲線如圖5所示。對(duì)比曲線可知：由于在焊接初始階段焊接過(guò)程存在一定的不穩(wěn)定性，因此引起溫度變化較大，熱循環(huán)曲線初期出現(xiàn)較大波動(dòng)；隨著焊接過(guò)程逐漸穩(wěn)定進(jìn)行，熱循環(huán)曲線逐漸趨向平滑，無(wú)較大波動(dòng)。測(cè)溫系統(tǒng)抗外界電磁干擾能力較強(qiáng)，適合強(qiáng)干擾條件下的焊接溫度采集，可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。需要特別指出的是：在焊接過(guò)程中，溫度升至最高開(kāi)始冷卻，急劇下降至室溫，部分焊點(diǎn)可能在受到較高熱量影響時(shí)產(chǎn)生脫落，影響焊縫HAZ溫度信息的準(zhǔn)確采集，破壞數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。因此，在焊接后只保留部分有效點(diǎn)，去除多余無(wú)效點(diǎn)，最終保留3組數(shù)據(jù)。典型焊接過(guò)程中的熱循環(huán)曲線主要參數(shù)如圖6所示，其中：Tmax為峰值溫度，TH為相變溫度，tH為相變溫度停留時(shí)間，t′為升溫階段相變溫度停留時(shí)間，t″為冷卻階段相變溫度停留時(shí)間。

圖5 冷熱多絲復(fù)合SAW和單絲SAW的熱循環(huán)曲線

圖6 熱循環(huán)曲線主要參數(shù)

冷熱多絲復(fù)合SAW與單絲SAW熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量結(jié)果如表4和表5所示。不同焊接工藝的2種熱循環(huán)曲線分布情況為：冷熱多絲復(fù)合SAW對(duì)應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)峰值溫度達(dá)761 ℃；單絲SAW對(duì)應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)峰值溫度達(dá)782 ℃。根據(jù)實(shí)際焊接方向，不同測(cè)溫點(diǎn)依次達(dá)到峰值溫度的時(shí)間不同。冷熱多絲復(fù)合SAW全部測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度平均值為679 ℃，高溫停留時(shí)間平均值為43 s；單絲SAW全部測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度平均值為727 ℃，高溫停留時(shí)間平均值為63 s。單絲SAW的峰值溫度和高溫停留時(shí)間均比冷熱多絲復(fù)合SAW高，這是由于單絲SAW的焊接速度為460 mm/min，而冷熱多絲復(fù)合SAW效率更高，焊接速度達(dá)800 mm/min。較大的熱輸入量對(duì)母材性能具有一定的影響。冷熱多絲復(fù)合SAW增加1根不導(dǎo)電的冷絲，利用導(dǎo)電焊絲在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的電弧熔化冷絲，不僅增加焊接熔覆率，而且明顯降低對(duì)母材的熱輸入量。單絲SAW焊縫冷卻速度較慢，焊縫金屬高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致在冷卻時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生粗大組織，并降低焊縫HAZ主要性能(沖擊和硬度等)，影響最終的焊接接頭質(zhì)量。

表4 冷熱多絲復(fù)合SAW熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表5 單絲SAW熱循環(huán)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

4 沖擊性能試驗(yàn)

冷熱多絲復(fù)合SAW焊接接頭沖擊功分布曲線(-11 ℃)如圖7所示。由圖7可知：冷熱多絲復(fù)合SAW焊接接頭各位置平均沖擊功值在-11 ℃時(shí)均大于27 J，其中單點(diǎn)最高值達(dá)101 J，滿足焊接接頭沖擊功要求。

圖7 冷熱多絲復(fù)合SAW焊接接頭沖擊功分布曲線(-11 ℃)

冷熱多絲復(fù)合SAW焊接接頭-11℃沖擊(92 J)的FL+1位置微觀組織如圖8所示。由圖8可知：在FL+1位置，作為沿晶內(nèi)分布的細(xì)小鐵素體即晶內(nèi)針狀鐵素體占比較大，大多以合適尺寸的夾雜物為形核質(zhì)點(diǎn)，呈放射狀生長(zhǎng)，相鄰針狀鐵素體之間呈大角度晶界。該位置的位錯(cuò)密度較高、沖擊韌性好，可能是在焊接過(guò)程中母材受熱急速升溫，隨后空冷使該位置的組織相當(dāng)于進(jìn)行正火處理，組織轉(zhuǎn)為均勻而細(xì)小的鐵素體，使該位置組織性能較好。

圖8 冷熱多絲復(fù)合SAW焊接接頭-11 ℃沖擊(92 J)的FL+1位置微觀組織

5 溫度場(chǎng)模型構(gòu)建及校正

為進(jìn)一步預(yù)測(cè)大型箱體拼板結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，為焊接工藝參數(shù)優(yōu)化和焊縫組織性能改善提供指導(dǎo)依據(jù)，根據(jù)上述實(shí)際測(cè)溫結(jié)果，利用數(shù)值模擬技術(shù)，構(gòu)建基于熱循環(huán)曲線校正的溫度場(chǎng)模型，預(yù)測(cè)焊接接頭特定位置(FL附近區(qū)域)的加熱速度、加熱峰值溫度、冷卻速度和冷卻時(shí)間等關(guān)鍵熱循環(huán)參數(shù)。

針對(duì)冷熱多絲復(fù)合SAW一個(gè)熔池多個(gè)熱源的情況，為深入分析不同熱絲與冷絲對(duì)熔池的具體影響，可在同一模型中根據(jù)具體要求同時(shí)使用多種熱源模型描述不同電弧功率的前絲和后絲電弧熱源。以雙橢球熱源與平面高斯熱源分別為前后熱絲熱源模型。

雙橢球熱源模型是2個(gè)1/4橢圓組合而成的體熱源，在3組長(zhǎng)軸中1組相同，其他各級(jí)相互獨(dú)立。雙橢球功率密度分布熱源如圖9所示，其中：a1、a2、b和c分別為橢球體半軸長(zhǎng)。

圖9 雙橢球功率密度分布熱源

功率密度的一般形式為

q(r)=qmaxexp(-Cr2)

(1)

前1/4部分橢球體熱流密度公式為

(2)

后1/4部分橢球體熱流密度公式為

(3)

式(1)～式(3)中：q(r)為半徑r的表面熱流密度；qmax為熱源中心的最大熱流密度；C為熱流集中系數(shù)；Q為有效熱量；ff和fr分別為前后2個(gè)部分橢球體的能量分配系數(shù)，且ff+fr=2。

正態(tài)高斯分布表面熱源是常用的熔敷加工熱源模型，對(duì)相關(guān)模擬具有一定應(yīng)用性指導(dǎo)。正態(tài)高斯分布表面熱源如圖10所示。

圖10 正態(tài)高斯分布表面熱源

平面高斯熱源模型表達(dá)式為

(4)

式中：R為熱源有效半徑，即某點(diǎn)在其熱流密度為最大熱流密度的5%時(shí)該點(diǎn)與熱源中心的距離。

通過(guò)給定焊接工藝參數(shù)，利用有限元方法和熱源模型構(gòu)建溫度場(chǎng)模型，并預(yù)測(cè)特定位置的熱循環(huán)曲線，利用實(shí)際測(cè)量的熱循環(huán)曲線進(jìn)行對(duì)比。FL+3位置的熱循環(huán)曲線預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖11所示，兩者的峰值溫度分別為801 ℃和769 ℃。校正焊接溫度場(chǎng)模型參數(shù)，使兩者的熱循環(huán)參數(shù)誤差在允許范圍內(nèi)，即可精確預(yù)測(cè)其他位置的熱循環(huán)參數(shù)。

圖11 FL+3位置的熱循環(huán)曲線預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果

6 基于溫度場(chǎng)模型的熱循環(huán)參數(shù)預(yù)測(cè)

根據(jù)校正的溫度場(chǎng)模型，分別預(yù)測(cè)其他特定位置(FL+1、FL+2、FL+4、FL+5)的熱循環(huán)參數(shù)。不同位置的熱循環(huán)曲線預(yù)測(cè)結(jié)果如圖12所示(FL+3的預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖11(a))。不同位置的熱循環(huán)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果如表6所示。通過(guò)對(duì)比分析不同位置的溫度變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)及改善焊縫HAZ組織性能的目標(biāo)。

表6 不同位置的熱循環(huán)參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果

圖12 不同位置的熱循環(huán)曲線預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述預(yù)測(cè)結(jié)果可知：隨著與FL的距離逐漸增大，熱循環(huán)曲線峰值溫度逐漸降低，升溫速度和冷卻速度隨之減少；結(jié)合焊接接頭沖擊功分布曲線(見(jiàn)圖7)，冷熱多絲復(fù)合SAW對(duì)母材的熱輸入量逐漸減少，可減少焊接接頭的沖擊韌性，焊縫組織性能較好。進(jìn)一步驗(yàn)證通過(guò)校正的溫度場(chǎng)模型可實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)焊接接頭特定位置關(guān)鍵熱循環(huán)參數(shù)和預(yù)測(cè)及改善焊縫HAZ組織性能的目標(biāo)。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同焊絲組合對(duì)應(yīng)的焊縫HAZ熱循環(huán)主要參數(shù)和溫度場(chǎng)模型進(jìn)行綜合分析可知：冷熱多絲復(fù)合SAW工藝主要采用2根熱絲熔化中間冷絲，通過(guò)中間冷絲實(shí)現(xiàn)有效吸收電弧和熔池的多余熱量，避免焊槍的熱輸入對(duì)母材造成的熱損傷，實(shí)現(xiàn)熔池?zé)嵩俜峙洌荚诮鉀Q由于SAW較大熱輸入產(chǎn)生的HAZ脆化問(wèn)題，將其應(yīng)用于中厚板高強(qiáng)鋼焊接可顯著提升焊接熔覆率和焊縫成型質(zhì)量，降低產(chǎn)品生產(chǎn)周期。由焊接接頭各位置沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果可知：冷熱多絲復(fù)合SAW焊縫HAZ沖擊性能達(dá)到要求，且性能良好。