薄板不銹鋼旁路分流雙面電弧高速焊接工藝分析

張政，苗玉剛，吳一凡，孫宏偉，劉超

(1.哈爾濱工程大學(xué),哈爾濱 150001;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一六研究所,江蘇 連云港 222000)

0 前言

船舶行業(yè)對(duì)鋼材的需求量大，體現(xiàn)在船舶的各個(gè)領(lǐng)域，例如船舶結(jié)構(gòu)件、海工平臺(tái)等多種關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位置[1]，而這些船用結(jié)構(gòu)的連接都需要高效的焊接工藝來(lái)完成。船用鋼的焊接工藝發(fā)展對(duì)船舶行業(yè)的發(fā)展有著直接的推動(dòng)作用，提高焊接效率意味著節(jié)約成本，改善焊接質(zhì)量更是意味著更高的安全性以及更長(zhǎng)的使用壽命[2]。因此改進(jìn)原有焊接工藝，或是發(fā)明新的焊接工藝以提高焊接效率、改善焊接質(zhì)量的意義重大。傳統(tǒng)的焊接方法無(wú)法解決提高熔敷率與減少熱輸入的矛盾[3]，在高熱輸入的焊接條件下，會(huì)出現(xiàn)各種如咬邊、塌陷、焊縫不連續(xù)等缺陷。而采用先進(jìn)的現(xiàn)代焊接技術(shù)，雖然能在一定程度上減少缺陷，得到成形良好的焊縫，但是其焊接設(shè)備相當(dāng)昂貴[4]。因此改進(jìn)傳統(tǒng)焊接工藝以降低焊接成本成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

國(guó)外學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)焊接工藝的改進(jìn)開(kāi)展了大量的研究，以期實(shí)現(xiàn)在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，提高焊接速度并降低焊接成本。2001年美國(guó)肯塔基大學(xué)的Zhang[5]提出了單電源雙面電弧焊(double-sided arc welding)工藝，在焊接過(guò)程中，等離子弧變得更加集中，并且雙面電弧焊具有減小熱輸入、控制熱影響區(qū)等方面的優(yōu)點(diǎn)。但是該工藝在薄板高速焊接過(guò)程中，其電弧穩(wěn)定性難以控制，且容易出現(xiàn)熔池塌陷和焊穿等缺陷[6]?？纤髮W(xué)Li等人[7]對(duì)雙旁路高熔敷率的電弧MAG焊系統(tǒng)做了大量的前期工作，雙旁路GMAW方法的提出有著重要的意義，與單旁路GMAW方法比較，雙旁路電弧最大的特征在于可以使熔滴受力對(duì)稱(chēng)均勻。

為減少焊接過(guò)程中的熱輸入和增大熔敷率，杜晶晶等人[8]提出了薄板不銹鋼旁路分流雙面焊接的方法，在提高總電流、增大熔敷率的同時(shí)，減少了流經(jīng)母材的電流，降低了對(duì)母材的熱輸入，并增加了焊接速度，提高焊接效率，建立了整套的薄板不銹鋼高速焊接系統(tǒng)，探究了焊接速度對(duì)焊縫成形及接頭形貌的影響，并結(jié)合微觀組織和力學(xué)性能，對(duì)改進(jìn)工藝的焊接接頭性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)方法

采用2 mm厚的304不銹鋼作為試驗(yàn)材料，板材尺寸為180 mm×50 mm×2 mm，焊絲選擇為同質(zhì)的304不銹鋼，焊絲直徑為1.2 mm。試驗(yàn)材料化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。

表1 304不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 304不銹鋼的物理和力學(xué)性能

薄板不銹鋼高速焊接系統(tǒng)由YD-500AG2型MIG焊機(jī)和YC-300WX4型TIG焊機(jī)分別作為主路和旁路，同時(shí)在板材背部加入副TIG焊槍?zhuān)€包含了電流電壓監(jiān)測(cè)裝置和焊接行走機(jī)構(gòu)等部分，試驗(yàn)原理示意圖如圖1所示。旁路分流雙面電弧焊基本原理：采用加大焊接電流的方式提高焊接速度，為防止因電流過(guò)大而使焊縫出現(xiàn)咬邊、較大變形等缺陷，通過(guò)正面加入TIG焊槍進(jìn)行旁路分流，流經(jīng)MIG焊槍的總電流I被分成了旁路流回焊接電源的旁路電流Ip和流經(jīng)背部副TIG槍的Im[9]。通過(guò)探究不同旁路電流和焊接速度對(duì)焊縫成形的影響，使得電弧在速度提升的同時(shí)依舊保證穩(wěn)定性，并且消除由于電流較大帶來(lái)的焊接缺陷[10]。

圖1 試驗(yàn)原理圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

為使不銹鋼薄板焊接效率提升，通過(guò)旁路分流雙面電弧焊接工藝方法，對(duì)焊接過(guò)程中的熱輸入達(dá)到準(zhǔn)確調(diào)控的目的，從而在保證熱輸入前提下，提升焊接速度。試驗(yàn)中對(duì)2 mm的304不銹鋼焊接中的旁路分流與焊接速度的關(guān)系進(jìn)行了工藝特性分析，通過(guò)前期的工藝試驗(yàn)基礎(chǔ)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為正面主路MIG電流110 A，主路電壓32 V，正面TIG旁路電流分別為35，45和55 A，表3為試驗(yàn)工藝參數(shù)。通過(guò)成形良好的焊縫獲得相應(yīng)的焊接速度，圖2為不同旁路分流狀態(tài)下焊縫成形。

表3 試驗(yàn)工藝參數(shù)

圖2 不同旁路分流狀態(tài)下焊縫成形

通過(guò)增大旁路電流可以減小母材的熱輸入，進(jìn)而加快焊接速度，通過(guò)工藝試驗(yàn)得到3組焊縫，其焊接速度可以隨著旁路電流Ip逐漸增大，當(dāng)Ip=45 A時(shí)獲得成形最優(yōu)的焊縫，Ip=35 A時(shí)焊縫出現(xiàn)明顯的鋪展不充分，而Ip=55 A時(shí)焊縫出現(xiàn)了咬邊缺陷，因此旁路分流的值需要控制在一定范圍內(nèi)，超過(guò)這個(gè)范圍則會(huì)產(chǎn)生電弧耦合不好等現(xiàn)象[11]。由以上可以得出，旁路電流設(shè)置為45 A、焊接速度為0.87 m/min時(shí)可獲得成形美觀的焊縫。

2.2 旁路分流對(duì)焊縫成形的影響

為驗(yàn)證薄板不銹鋼高速焊接系統(tǒng)對(duì)焊接速度的提升效果，對(duì)2 mm的304不銹鋼進(jìn)行正交試驗(yàn)。焊接中選用的試驗(yàn)參數(shù)為主路電流110 A，主路電壓32 V，焊接速度0.87 m/min，正面TIG鎢極距離母材4 mm，MIG導(dǎo)電嘴距離母材12 mm，背面TIG鎢極距離母材3 mm，獲得成形良好的焊縫。圖3是旁路分流后焊接接頭的形貌，圖4和圖5為分流后焊接接頭宏觀和微觀形貌。

圖3 旁路分流及無(wú)分流狀態(tài)下焊縫成形

圖4 薄板高速焊接對(duì)接接頭宏觀形貌

圖5 最佳工藝參數(shù)下對(duì)接接頭微觀組織形貌

圖3為有無(wú)旁路的條件下焊縫的外觀成形，從焊縫的正面形貌分析得知，有旁路分流存在時(shí)，焊縫成形均勻，無(wú)塌陷，咬邊等缺陷。當(dāng)撤去旁路時(shí)，主路電流增大，而焊縫出現(xiàn)塌陷等情況。撤去旁路時(shí)，流經(jīng)母材的電流變大，增大了母材的熱輸入，可以觀察到背面的電弧會(huì)變更加明亮。薄板不銹鋼高速焊接中引入旁路分流雙面電弧焊的工藝對(duì)于消除焊縫缺陷有較大的優(yōu)勢(shì)[12]，并且由于旁路電流的引入，增加了焊絲的熔敷率，使得整體效率得到提升。

由圖4可以看出，薄板高速焊接對(duì)接接頭宏觀形貌中無(wú)明顯的焊接缺陷，整個(gè)焊縫成橢圓形，可以清晰地看出熱影響區(qū)沒(méi)有缺陷?？梢则?yàn)證旁路分流在保持焊絲較高熔敷率的同時(shí)，降低作用于母材的熱輸入，是一種高效、低熱輸入的焊接方法[13]，并且通過(guò)焊縫背部的熔深可以看出，在旁路分流雙面焊接時(shí)，背部熔深增加，提高焊接速度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)焊縫的熔透。

圖5通過(guò)VHX-1000E型超景深光學(xué)顯微鏡觀察得到接頭微觀金相組織，可以觀察到焊接熔合區(qū)明顯，熔合線清晰可見(jiàn)。母材區(qū)呈現(xiàn)典型軋制態(tài)晶粒，焊縫一側(cè)呈現(xiàn)鑄造態(tài)晶粒[14]，且有外延生長(zhǎng)趨勢(shì)。在焊縫一側(cè)，晶粒取向基本垂直熔合線，直到焊縫中心。在熱影響區(qū)與熔合區(qū)交匯處靠近焊縫一側(cè)，由于溫度較高，晶粒將再次生長(zhǎng)，觀察上下表面可發(fā)現(xiàn)，靠近焊縫底部的部分，由于有銅墊板的存在，冷卻速度較快，晶粒在過(guò)冷度較大的環(huán)境下晶粒數(shù)目增多，晶粒尺寸繼續(xù)細(xì)化[15]，而焊縫中上部分因?yàn)槔鋮s速度慢，晶粒尺寸較大。

2.3 力學(xué)性能

用型號(hào)CSS-44300萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為4 mm/min。為了保證拉伸試驗(yàn)的合理性，取同一焊縫上寬度約為10 mm的3個(gè)試件做測(cè)量，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值。圖6為薄板旁路分流雙面電弧高速焊接對(duì)接接頭拉伸曲線及拉伸件斷裂位置。

圖6 焊接接頭的拉伸曲線及斷裂位置

304不銹鋼母材的抗拉強(qiáng)度為520 MPa，根據(jù)拉伸試樣結(jié)果得到焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為618 MPa，約為母材抗拉強(qiáng)度的118.85%；通過(guò)微觀組織分析得出，由于該工藝方法降低了焊接過(guò)程中的熱輸入，有效防止了接頭脆化現(xiàn)象，奧氏體晶粒得到明顯細(xì)化，并根據(jù)拉伸試樣可以看出斷口在母材處，證明焊縫強(qiáng)度符合接頭應(yīng)用的力學(xué)指標(biāo)，驗(yàn)證了旁路分流雙面焊接系統(tǒng)在選擇良好的參數(shù)范圍后，一方面可以提高焊接效率，另一方面增大了填充金屬的熔敷效率，消除了焊縫區(qū)內(nèi)的焊接缺陷，提高了接頭的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)搭建薄板高速焊接系統(tǒng)，旁路分流雙面電弧焊的焊接工藝可以用于焊接2 mm板厚的304不銹鋼，并通過(guò)工藝試驗(yàn)得到穩(wěn)定的焊接過(guò)程和良好的焊縫成形，在引入適當(dāng)?shù)呐月冯娏骱?，進(jìn)一步提升焊接效率，并實(shí)現(xiàn)0.87 m/min的焊接速度。

(2)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)旁路分流與焊縫成形進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到在主路電流110 A的條件下的最佳旁路電流為45 A，并分析了焊接缺陷的形成原因。對(duì)焊接接頭進(jìn)行了宏觀形貌和微觀組織分析，驗(yàn)證了該工藝方法無(wú)明顯缺陷。

(3)薄板高速焊接系統(tǒng)得到的焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了618 MPa，為母材抗拉強(qiáng)度的118.85%，斷裂位置發(fā)生在母材，焊縫的力學(xué)性能達(dá)到接頭應(yīng)用的力學(xué)指標(biāo)。