超窄間隙焊接中送進(jìn)焊劑片與電弧相互作用機(jī)制分析

湯國(guó)璽，朱亮，張愛華，周輝，郭寧，周毅

(1.蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室,蘭州,730050；2.蘭州理工大學(xué),蘭州,730050)

0 序言

焊劑片約束電弧超窄間隙焊是采用最小間隙為5 mm 的I 形坡口，并通過焊劑片對(duì)電弧進(jìn)行約束實(shí)現(xiàn)焊接的一種新型超窄間隙焊接方法[1].其具有熱輸入低、焊接接頭性能優(yōu)異、殘余變形小等特點(diǎn)[2-3].

焊劑片約束電弧超窄間隙焊中焊劑片的放置方式經(jīng)歷了貼敷式[4]、鋪設(shè)式[5-6]和送進(jìn)式[7]的發(fā)展.其中，送進(jìn)式焊劑片約束電弧超窄間隙焊是通過焊絲聯(lián)動(dòng)焊劑片一同送進(jìn)，實(shí)現(xiàn)約束電弧焊接的一種全新焊接方法，其具有工藝適應(yīng)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，因此該方法是目前我們研究的主要方向.前期研究發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)與焊劑片送進(jìn)速度的合理匹配是保證焊縫成形良好的關(guān)鍵因素，其機(jī)理是焊劑片與電弧相互作用的關(guān)系.

在鋪設(shè)式焊劑片約束電弧超窄間隙焊中已經(jīng)對(duì)焊劑片與電弧相互作用的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)[8]、焊劑片裸露高度[9]和焊劑片中合金元素的種類及含量[10]都會(huì)影響到焊劑片對(duì)電弧的約束程度，進(jìn)而影響到電弧的加熱特性.為了進(jìn)一步明確送進(jìn)式焊劑片約束電弧超窄間隙焊中，焊劑片與電弧相互作用的關(guān)系，有必要對(duì)連續(xù)送進(jìn)的焊劑片與電弧相互作用機(jī)制進(jìn)行深入研究，從而精確控制電弧受約束程度，有效保證側(cè)壁根部熔合良好.

文中通過改變電弧電壓及焊劑片送進(jìn)速度進(jìn)行超窄間隙焊接試驗(yàn)，采用快速中斷電弧的方法，獲得了熄弧位置處焊劑片和坡口底部的瞬時(shí)熔化形貌，并通過觀察焊縫橫剖面的熔合情況以及熄弧位置處焊縫縱剖面的熔池形態(tài)和焊劑片瞬時(shí)熔化形貌，分析了焊接過程中焊劑片對(duì)電弧的約束程度以及相互作用的機(jī)制.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置如圖1 所示，該裝置主要包括：自主設(shè)計(jì)超窄間隙專用焊槍、特制焊劑片和電弧中斷控制系統(tǒng).其中專用焊槍是在常規(guī)超窄間隙焊槍上又增加了一套焊劑片自動(dòng)送進(jìn)系統(tǒng)，其運(yùn)行的基本原理是通過焊絲的送進(jìn)力帶動(dòng)焊劑片自動(dòng)輸送，當(dāng)焊絲經(jīng)送絲機(jī)送入板式導(dǎo)電嘴時(shí)，壓絲輪使其與傳動(dòng)輪1 緊密接觸，隨著焊絲的持續(xù)送進(jìn)，巨大的摩擦力帶動(dòng)同軸齒輪1 轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)齒輪2 也開始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)位于壓片輪和傳動(dòng)輪2 之間并處于壓緊狀態(tài)的焊劑片在經(jīng)傳動(dòng)齒輪變速后，同樣依靠摩擦力沿焊絲兩側(cè)持續(xù)送進(jìn)，在經(jīng)板式導(dǎo)電嘴導(dǎo)向后送入間隙寬度為5 mm 的I 形坡口中進(jìn)行約束電弧，實(shí)現(xiàn)超窄間隙焊接.焊劑片由焊劑小片經(jīng)粘接劑與彈簧粘接而成，如圖2 所示，焊劑小片是由一定比例的CaCO3和CaF2經(jīng)壓片機(jī)壓制而成，其長(zhǎng)度為8 mm，寬度為6.8 mm.

圖1 試驗(yàn)方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental method

圖2 焊劑片結(jié)構(gòu)Fig.2 Flux sheet structure

在超窄間隙焊接中，由于正常熄弧時(shí)電弧電壓是由預(yù)設(shè)值逐漸減為零，電弧存在一個(gè)收弧過程，因此很難保留焊接過程的真實(shí)狀態(tài).為此設(shè)計(jì)了一種快速中斷電弧的方法,該方法是通過電弧中斷控制器控制送絲機(jī)中直流接觸器和送絲電機(jī)的開閉狀態(tài)來運(yùn)行的，當(dāng)焊接過程進(jìn)行到焊件2/3 處時(shí)，立即關(guān)閉電弧中斷控制器，焊接回路斷開，送絲電機(jī)斷電，電弧瞬間熄滅，熄弧瞬間的焊縫熔池形態(tài)和焊劑片熔化形貌得以保留.

焊接電源采用平特性，直流反接，焊絲為直徑1.2 mm 的H08Mn2Si，工件材料為低碳鋼，試驗(yàn)所用焊接工藝參數(shù)見表1.

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding process parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過改變電弧電壓和焊劑片送進(jìn)速度進(jìn)行系列焊接試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行電弧中斷試驗(yàn)，并對(duì)焊縫橫剖面、熄弧位置處的焊縫縱剖面和焊劑片瞬時(shí)熔化形貌進(jìn)行分析.

焊劑片送進(jìn)速度一定，在3 種典型電弧電壓條件下，得到的焊縫橫剖面和熄弧位置處焊縫縱剖面的形貌照片如圖3 所示.當(dāng)電弧電壓較小時(shí)，U=23 V 的焊縫形貌如圖3a 所示.可以看出，焊縫呈凸焊縫，在熄弧位置焊縫前端存在明顯的弧坑，弧坑與平焊縫之間存在一段斜面焊道，且側(cè)壁的熔化量較少，焊縫的熔合線呈“波浪”狀.當(dāng)電弧電壓適中時(shí)，U=24.5 V 的焊縫形貌如圖3b 所示.可以看出，焊縫整體平整、致密無明顯缺陷，在熄弧位置處存在斜焊道，焊縫熔合線較平緩.當(dāng)電弧電壓較大時(shí)，U=25.5 V 的焊縫形貌如圖3c 所示.可以看出，焊縫內(nèi)部存在大量孔洞，側(cè)壁熔高突增，坡口底部與側(cè)壁根部熔合不良，在熄弧位置存在一定深度的弧坑，且其中保留有部分熔敷金屬.隨著電弧電壓的增大，焊縫從凸焊縫到平焊縫再到孔洞焊縫，成形逐漸變差.

圖3 焊縫橫剖面及熄弧位置處焊縫縱剖面Fig.3 Cross section of the weld and the longitudinal section of the weld at the arc extinguishing position.(a) U=23 V;(b) U=24.5 V;(c) U=25.5 V

電弧電壓一定，在3 種典型焊劑片送進(jìn)速度條件下，得到的焊縫橫剖面和熄弧位置處焊縫縱剖面的形貌如圖4 所示.當(dāng)焊劑片送進(jìn)速度較小時(shí)，v=3.5 mm/s 的焊縫形貌如圖4a 所示.可以看出，熄弧位置沒有明顯弧坑，焊縫中存在大量的孔洞，間隙側(cè)壁上熔化量較大，且與坡口根部熔合不良.隨著焊劑片送進(jìn)速度的進(jìn)一步增加時(shí)，v=4.0 mm/s的焊縫形貌如圖4b 所示.可以看出，焊縫整體以平焊縫為主，側(cè)壁根部熔合良好，熄弧位置存在斜焊道且與熔池外邊沿相連，焊縫熔合線較平緩.當(dāng)焊劑片送進(jìn)速度增至4.5 mm/s 時(shí)的焊縫形貌如圖4c 所示.可以看出，焊縫呈凸焊縫，整體致密無明顯缺陷，側(cè)壁熔化量較少，熄弧位置存在殘留有熔敷金屬的弧坑.隨著焊劑片送進(jìn)速度的增大，焊縫從孔洞焊縫到平焊縫再到凸焊縫.

圖4 焊縫橫剖面及熄弧位置處焊縫縱剖面Fig.4 Cross section of the weld and the longitudinal section of the weld at the arc extinguishing position.(a) v=3.5 mm/s;(b) v=4.0 mm/s;(c) v=4.5 mm/s

3 種典型電弧電壓及焊劑片送進(jìn)速度下，得到的熄弧位置處焊劑片外部和內(nèi)壁的瞬時(shí)熔化形貌如圖5 所示.

圖5 熄弧位置處焊劑片外部和內(nèi)壁熔化形貌Fig.5 Melting morphology of the outer and inner walls of the flux sheet at the arc-extinguishing position.(a) U=23 V,v=4.5 mm/s;(b) U=24.5 V,v=4.0 mm/s;(c) U=25.5 V,v=3.5 mm/s

可以看出，當(dāng)電弧電壓過小(U=23 V)或焊劑片送進(jìn)速度過快(v=4.5 mm/s)時(shí)，焊劑片外部瞬時(shí)熔化形貌呈“圓弧”狀，內(nèi)壁熔化高度較高呈“錐”狀如圖5a 所示；當(dāng)電弧電壓與焊劑片送進(jìn)速度(U=24.5 V；v=4.0 mm/s)匹配時(shí)，焊劑片外部瞬時(shí)熔化形貌呈“鐮刀”狀，內(nèi)壁熔化高度適中，熔化形貌與焊條套筒相似，存在一個(gè)梯度如圖5b 所示；當(dāng)電弧電壓過大(U=25.5 V)或焊劑片送進(jìn)速度過小(v=3.5 mm/s)時(shí)，焊劑片外部瞬時(shí)熔化形貌呈“一字”狀，內(nèi)壁熔化高度較小如圖5c 所示.電弧電壓的增大與焊劑片送進(jìn)速度的減小對(duì)熄弧位置處焊劑片瞬時(shí)熔化形貌的影響規(guī)律相似.

為方便描述焊劑片與電弧相互作用的關(guān)系，反映電弧對(duì)側(cè)壁根部的加熱特性，將焊接過程中的相關(guān)熔化參數(shù)做如下定義如圖6 所示.其中B為焊縫寬度，hs為焊劑片端部距坡口底部的距離，hb為焊縫底部熔深，C為焊劑片內(nèi)壁熔化高度(下文將稱之為焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度)，單位均為毫米(mm).

圖6 熔化參數(shù)示意圖Fig.6 Schematic diagram of melting parameters

通過系列試驗(yàn)得到了，在相同焊劑片送進(jìn)速度下(4.0 mm/s)，不同電弧電壓對(duì)相關(guān)熔化參數(shù)的影響試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖7 所示.從圖中可以看出，隨著電弧電壓的增加，焊劑片端部距坡口底部的距離hs同步增加，當(dāng)U>25 V 時(shí)，hs上升的速度增大；底部熔深hb與焊縫寬度B隨電弧電壓的增加先增加后減小，hb在24 V 25 V 時(shí)快速減小，而B在U>24.5 V 時(shí)緩慢減小；而焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度C隨電弧電壓的增加逐漸減小.

通過系列試驗(yàn)還得到了，在相同電弧電壓下(24.5 V)，不同焊劑片送進(jìn)速度對(duì)相關(guān)熔化參數(shù)的影響試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖8 所示.可以看出，隨著焊劑片送進(jìn)速度的增加，焊劑片距坡口底部的距離hs逐漸減小，在v>4.5 mm/s 時(shí)緩慢減小；底部熔深hb和焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度C同步增加；焊縫寬度B在3.0 mm/s 4.5 mm/s 時(shí)逐漸減小.

圖8 焊劑片送進(jìn)速度與熔化參數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between the feeding speed of the flux sheet and the melting parameter

電弧電壓與焊劑片送進(jìn)速度對(duì)焊縫成形的影響如圖9 所示.當(dāng)電弧電壓在23.8～ 25.5 V 之間，只有焊劑片送進(jìn)速度在實(shí)線區(qū)域內(nèi)與之匹配時(shí)，才能獲得側(cè)壁與根部熔合良好的平焊縫，此時(shí)焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度維持在2.2～ 5.1 mm 之間.當(dāng)焊劑片送進(jìn)速度過快，也就是在實(shí)線區(qū)域上方時(shí)，焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度因電弧能量太低致使焊劑片的熔化速度小于送進(jìn)速度而過長(zhǎng)，形成凸焊縫.當(dāng)焊劑片送進(jìn)速度位于實(shí)線區(qū)域下方時(shí)，焊劑片的送進(jìn)速度不足以有維持其熔化速度，致使焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度過短，電弧集中在側(cè)壁燃燒，產(chǎn)生側(cè)壁根部熔合不良，形成孔洞焊縫.

圖9 電弧電壓與焊劑片送進(jìn)速度對(duì)焊縫成形的影響Fig.9 Effects of welding voltage and flux sheet feeding speed on weld forming

從上述試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在送進(jìn)式焊劑片約束電弧超窄間隙焊接中，焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度C是影響焊縫相關(guān)熔化參數(shù)的重要因素.只有作用長(zhǎng)度在2.2～ 5.1 mm 時(shí)，才能獲得熔寬均勻，坡口根部熔合良好的平焊縫.

采用圖9 實(shí)線區(qū)域內(nèi)的焊接參數(shù)，對(duì)30 mm 厚板進(jìn)行層數(shù)為10 層的多層單道超窄間隙焊接試驗(yàn)，獲得的焊縫截面形貌如圖10 所示.其中，1，2 道的焊接參數(shù)：U=24 V，v=3.8 mm/s；3～ 10 道的焊接 參 數(shù)：U取24～ 25 V，v取3.8～ 4.5 mm/s.可以看出，焊縫整體無明顯缺陷，焊縫根部層與層之間良好熔合；焊縫高度均勻，平均熔寬為6.8 mm.但前兩道焊縫熔寬較后幾道焊縫更窄,這主要是因?yàn)楦笗r(shí)，電弧電壓較小造成的.

圖10 多層單道焊焊縫截面形貌Fig.10 Cross-sectional morphology of multi-layer single-pass welding

在送進(jìn)式焊劑片約束電弧超窄間隙焊中，電弧引燃后，焊劑片在電弧熱的作用下內(nèi)壁被加熱熔化，隨即外側(cè)也被加熱熔化，由于內(nèi)側(cè)焊劑熔化速度比外側(cè)快，使得焊劑片瞬時(shí)形成一個(gè)梯度，該梯度會(huì)對(duì)電弧產(chǎn)生一個(gè)固壁約束作用，同時(shí)，熔化的焊劑片還會(huì)吸收部分電弧熱，使電弧產(chǎn)生熱收縮效應(yīng).在此過程中，電弧受到雙重約束作用，其中，焊劑片對(duì)電弧的固壁約束是實(shí)現(xiàn)超窄間隙焊接不可或缺的約束條件.因此針對(duì)焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形、熔化參數(shù)及焊劑片熔化形貌的影響，可用焊劑片對(duì)電弧的固壁約束長(zhǎng)度，也就是作用長(zhǎng)度進(jìn)行說明.

焊劑片送進(jìn)速度一定(4.0 mm/s)，電弧電壓對(duì)作用長(zhǎng)度的影響如圖11 所示.可以看出，電弧電壓影響著電弧的長(zhǎng)度和錐度.當(dāng)電弧電壓較低時(shí)，電弧能量、電弧陰極斑點(diǎn)范圍和焊劑片熔化量均較小，此時(shí)焊劑片來不及被加熱熔化，致使焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度較長(zhǎng)為C2，電弧受約束程度過強(qiáng)，電弧只能在坡口底部很小的范圍內(nèi)燃燒，有效加熱側(cè)壁的量很少，造成焊縫熔寬和熔深均較小，熔敷金屬堆在焊劑片之間形成凸焊縫；隨著電弧電壓的增大，電弧弧長(zhǎng)增長(zhǎng)，錐度增大，電弧的高溫區(qū)增寬，電弧對(duì)焊劑片的熔化量增大，致使焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度減小至C，此時(shí)電弧對(duì)坡口側(cè)壁的加熱面積增大，大量電流流經(jīng)側(cè)壁根部和坡口底部，致使焊縫熔寬增寬，熔深加深，形成側(cè)壁和根部良好熔合的平焊縫，在此過程中電弧的約束程度合適；隨著電弧電壓的進(jìn)一步增大，焊劑片的熔化量也同步增大，盡管熔化的大量焊劑會(huì)吸收部分電弧熱，使電弧產(chǎn)生一定的熱收縮，但此時(shí)焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度急劇減小至C1，即使電弧有一定收縮，但還是無法被有效約束，致使大量電弧在側(cè)壁上燃燒，流經(jīng)坡口底部的電流密度很少，很難在坡口底部形成有效熔池，造成焊縫根部熔合不良，形成底部熔深和焊縫熔寬均較小的孔洞焊縫.

圖11 電弧電壓對(duì)作用長(zhǎng)度的影響Fig.11 Influence of welding voltage on action length

電弧電壓一定(24.5 V)，焊劑片送進(jìn)速度對(duì)作用長(zhǎng)度的影響如圖12 所示.可以看出，焊劑片的送進(jìn)速度直接影響著焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度.當(dāng)焊劑片的送進(jìn)速度過慢時(shí)，較小的送進(jìn)速度不足以維持焊劑片的熔化速度，此時(shí)焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度過小為C1，電弧受約束程度過小，大量電弧在側(cè)壁上燃燒，流經(jīng)坡口底部的電流密度減小，造成間隙側(cè)壁和坡口根部熔合不良，熔深較小，形成孔洞焊縫；當(dāng)焊劑片的送進(jìn)速度增至與其熔化速度相匹配時(shí)，焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度適中為C0，電弧受約束程度合適，此時(shí)電弧主要作用在坡口底部和側(cè)壁根部上，形成有效熔池，獲得熔寬最寬，熔深適中，坡口根部熔合良好的焊縫；當(dāng)焊劑片送進(jìn)速度過快時(shí)，電弧來不及加熱熔化持續(xù)送進(jìn)的焊劑片，造成焊劑片對(duì)電弧的約束長(zhǎng)度過長(zhǎng)為C2，此時(shí)電弧受約束程度過強(qiáng)，電弧被壓縮在坡口底部，作用在側(cè)壁上的電弧面積減小，造成焊縫熔寬減小，熔深加深，大量熔敷金屬堆積在焊縫中間形成凸焊縫.

圖12 焊劑片送進(jìn)速度對(duì)作用長(zhǎng)度的影響Fig.12 Influence of flux sheet feeding speed on action length

3 結(jié)論

(1) 在送進(jìn)式焊劑片約束電弧超窄間隙焊接中，電弧電壓影響著電弧對(duì)焊劑片的熔化能力，焊劑片送進(jìn)速度影響著焊劑片對(duì)電弧的約束程度.隨著電弧電壓的增大和焊劑片送進(jìn)速度的減小，都會(huì)使焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度C變小.

(2) 焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度是影響電弧約束程度，保證焊縫成形的重要因素.當(dāng)C<2.2 mm時(shí)，電弧受約束長(zhǎng)度過小，電弧加熱區(qū)域作用在兩側(cè)壁上，形成孔洞焊縫，熄弧處焊劑片熔化形貌呈“一字”狀；當(dāng)C>5.1 mm 時(shí)，電弧受約束程度過強(qiáng)，電弧加熱區(qū)域被壓縮在坡口底部，形成凸焊縫，熄弧處劑片熔化形貌呈“圓弧”狀；只有當(dāng)2.2 mm

(3) 電弧電壓與焊劑片送進(jìn)速度的合理匹配是保證側(cè)壁根部熔合良好的關(guān)鍵.當(dāng)焊劑片送進(jìn)為3.8，4.0，4.3 mm/s 時(shí)，電弧電壓在23.8～ 25 V，23.9～ 25.2 V，24.2～ 25.4 V 的范圍內(nèi)，此時(shí)焊劑片對(duì)電弧的作用長(zhǎng)度維持在2.2～ 5.1 mm 之間，電弧的受約束程度合適，獲得坡口根部熔合良好的平焊縫.