車間環(huán)境下Q235 碳鋼MIG 焊工藝研究

葉景鋒，陳木鳳，韓彬，符靈銘，范秋月

（龍巖學(xué)院福建省焊接質(zhì)量智能評估重點實驗室，福建 龍巖 364012）

Q235 碳鋼憑借其焊接性能優(yōu)良、壓力和拉伸性能良好，廣泛應(yīng)用于新能源汽車電池箱薄板等關(guān)鍵零部件的制造[1]。多年來許多學(xué)者對Q235 碳鋼的焊接工藝[2-3]進(jìn)行了研究，其焊接工藝較為成熟，但焊接工藝范圍較寬泛，在特殊車間情況下其焊接工藝與焊接質(zhì)量不匹配。任俊和等[4]指出，在實際工業(yè)生產(chǎn)中車間生產(chǎn)環(huán)境較差，粉塵、油污等因素導(dǎo)致常規(guī)焊接工藝下焊接質(zhì)量不理想，因此減少現(xiàn)場焊接量和現(xiàn)場污染，可以提高工作質(zhì)量與效率；羅鳳[5]指出影響定位格架電子束焊接質(zhì)量的主要因素為焊接粉塵，通過清潔各部位焊接粉塵，觀察發(fā)現(xiàn)定位格架焊接質(zhì)量明顯提升；劉敬堂[6]在高濕環(huán)境下進(jìn)行MIG 焊接，發(fā)現(xiàn)焊接接頭氣孔含量比常規(guī)焊接條件下多。目前針對車間環(huán)境下的Q235 碳鋼MIG 焊焊接工藝未見研究，因此本文針對Q235 碳鋼在車間環(huán)境下對其MIG焊（Melt Inert-Gas Welding，熔化極氬弧焊）焊接工藝進(jìn)行研究，結(jié)合超聲無損檢測、金相組織分析進(jìn)行焊縫質(zhì)量分析，得出適用于車間生產(chǎn)環(huán)境下的最佳焊接工藝，提高實際工業(yè)生產(chǎn)中新能源汽車電池箱薄板等零部件的質(zhì)量。

1 實驗材料

焊接材料為Q235 碳鋼，主要化學(xué)成分如表1 所示；采用直徑Φ1 mm 的ER50-6 焊絲，主要化學(xué)成分如表2 所示，機(jī)械性能為焊態(tài)下抗拉強度≥500 MPa、屈服點≥420 MPa、斷后伸長率或延伸率≥22。

表2 ER50-6 焊絲主要化學(xué)成分

焊接結(jié)構(gòu)為I 型坡口對接焊，材料厚度為T＝2.8 mm、間隙為C＝1.5 mm，如圖1 所示。

圖1 焊接接頭坡口

2 實驗方法

本實驗焊接車間生產(chǎn)環(huán)境較差，存在較多粉塵、油污與煙霧，環(huán)境溫度為25～30℃，濕度為40%～45%，實驗采用焊接機(jī)器人MIG 焊，使用CPM-500P 作為焊接電源，參照車間生產(chǎn)經(jīng)驗及相關(guān)研究[7-10]，本文選取焊接電壓19 V、速度50 cm/min、電流為直流正極性、保護(hù)氣體為85% Co2＋15%Ar。實驗根據(jù)焊接電流的不同分為5 組，其余參數(shù)均不改變，焊接參數(shù)如表3 所示。

表3 焊接參數(shù)

本實驗通過改變焊接電流大小來改變焊接線能量（式1），對Q235 碳鋼的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測，通過宏觀目檢、掃描電鏡、超聲波無損檢測及微觀金相組織分析對其焊縫質(zhì)量進(jìn)行評估，確認(rèn)最佳焊接參數(shù)。

式中：q為線能量；I為焊接電流；U為焊接電壓；v為焊接速度。

焊接前清除焊口邊緣的鐵銹、水分、氣割的熔渣與毛刺等，并使用紗布、鋼絲刷打磨工件以去除焊件表面氧化膜[11]。

對焊縫通過宏觀目視對焊縫外觀形貌、成形質(zhì)量進(jìn)行初步分析。通過電鏡掃描實驗來驗證對焊縫外觀的初步目檢分析，本實驗采用S3400 掃描電子顯微鏡（天美科學(xué)儀器有限公司），放大倍數(shù)MSG 為853 倍，加速電壓HV為15.0 kV，工作距裹WD 為10.1 mm。

將符合焊縫外觀質(zhì)量要求的試件進(jìn)行超聲波無損檢測，本實驗采用SF670 數(shù)字超聲波探傷儀（南通三豐電子科技有限公司），探頭選取斜探頭。實驗材料厚2.8 mm，為保證無檢測盲區(qū)，探頭K值選取3；耦合劑選取甘油耦合劑，其粘稠性好、聲阻抗與實驗材料接近，對聲接觸壓力不敏感，利于工件之間的傳播；對超聲探傷儀進(jìn)行校準(zhǔn)后探頭前沿為13 mm；晶片尺寸為13 mm×13 mm；探頭頻率為2.5 P。通過對試件進(jìn)行雙面多角度檢測，剔除由于角度不適而引起的漏檢，對試件檢出的缺陷位置進(jìn)行線切割，使用砂紙打磨與金相拋光處理，驗證超聲無損檢測結(jié)果。

在超聲無損檢測的結(jié)果中選取最佳的焊接試件樣本，從中取一小塊試樣進(jìn)行切割、研磨、拋光，得到平整光滑的表面，將樣品置于腐蝕液中，每一步均需使用酒精進(jìn)行洗滌，在空氣或儀器中自然干燥樣品。使用金相顯微鏡對試件的組織成分進(jìn)行檢測分析，使用照明模式、對比度、聚焦、增益和顏色過濾器等設(shè)置來分析樣品并捕獲圖像，對微觀金相組織進(jìn)行分析得出實驗結(jié)果。

3 分析與討論

3.1 焊縫質(zhì)量宏觀目檢分析

在不改變其他參數(shù)的情況下，對比5 組試件在不同焊接電流下工件的焊縫成形質(zhì)量與現(xiàn)象分析。

通過宏觀目檢如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)：1 號焊縫出現(xiàn)未熔合、咬邊等缺陷，成形質(zhì)量極差，主要原因為焊接電流過小，線能量不足，焊絲融化不充分產(chǎn)生飛濺；2 號焊縫未焊滿，成形質(zhì)量差，較1 號試件電流增大，但線能量仍不足，熔池溫度不足，焊絲融化不均勻；3 號焊縫較為平整，飛濺小，無明顯表面缺陷，成形較為美觀，其焊接電流大小適合、線能量適中；4 號焊縫表面產(chǎn)生間斷的黑色氧化皮，推測其主要原因是焊縫發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化鐵，金屬冷卻結(jié)晶滲碳體比例增加焊縫發(fā)黑，根本原因是焊接電流、線能量較大，焊接過程溫度高加大了氧化速度形成黑色氧化皮； 5 號焊縫較4 號焊縫表面產(chǎn)生連續(xù)片狀、顏色愈深的黑色氧化皮，推測其原因為焊接電流、線能量過大，溫度過高，進(jìn)一步加快了氧化時間。

圖2 焊縫表面質(zhì)量

對4 號、5 號焊縫做掃描電鏡實驗進(jìn)行微觀分析和成分分析，電鏡掃描結(jié)果如圖3 所示。

圖3 電鏡掃描圖

焊縫鐵、氧元素比例如圖4 所示，其中4號焊縫為 2.2731:3.8580 、 5 號焊縫為2.3245:4.4724，主要原因為焊接過程中氧氣會與熱焊接金屬反應(yīng)，生成Fe2O3與Fe3O4，5 號試件電流增大故反應(yīng)更加劇烈導(dǎo)致氧元素比例更大，在常溫下焊縫遇到空氣又會反應(yīng)生成FeO，故焊縫成分主要為Fe3O4、Fe2O3、FeO 的混合物，與上文分析一致。

圖4 焊縫鐵、氧元素比例圖

3.2 超聲波無損檢測分析

在宏觀目檢中2、3、4 號試件符合焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對其進(jìn)行超聲無損檢測，檢測波形如圖5 所示。2 號試件的波形陡直尖銳，回波在往返聲程內(nèi)呈多次反射的單鋸齒形回波，可能存在形態(tài)粗糙形狀不規(guī)則缺陷，判斷為條狀裂紋缺陷[12]；3 號試件未檢出缺陷；4 號試件回波在往返聲程內(nèi)，超聲反射回波高且波形鋒利陡峭、波根清晰，保持聲程不變對缺陷進(jìn)行轉(zhuǎn)角掃查回波高度基本相同，極可能為點狀未熔合或氣孔缺陷。

圖5 超聲無損檢測回波示意圖

對檢出缺陷試件進(jìn)行線切割驗證，結(jié)果圖圖6 所示：2 號試件為裂紋缺陷，裂紋形狀較規(guī)則，波形圖也較為對稱，波高與缺陷面積呈正比與上文超聲無損檢測結(jié)果相符；4 號試件為點狀未熔合缺陷，缺陷形狀不規(guī)則，最高波兩邊波形有較大的差異，未熔合內(nèi)有氣體聲阻抗相差大，缺陷回波高度較高，其也驗證了上文超聲無損檢測結(jié)果。

圖6 試件缺陷線切割圖

3.3 金相組織檢測分析

根據(jù)檢測結(jié)果，1、2、4、5 號試件均存在表面或內(nèi)部缺陷，其焊接質(zhì)量已不達(dá)標(biāo)，無需進(jìn)行金相組織實驗對其綜合性能進(jìn)一步分析。

選取在車間環(huán)境下具有最佳焊接質(zhì)量的3號試件，對其母材、焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行金相組織分析，各區(qū)域經(jīng)過金相顯微鏡（×200 倍放大鏡）觀察拍取的微觀金相圖，如圖7 所示：

圖7 金相檢測圖

（1）母材區(qū)的塊狀多面體組織為鐵素體，黑色多面體為珠光體，兩者均勻分布；

（2）熱影響區(qū)的組織成塊狀分布，區(qū)域受到高熱影響，使得鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程加速，從而促進(jìn)了珠光體的生成，但珠光體增加的數(shù)并不多，對性能影響較小，柱狀晶區(qū)較細(xì)小，具有更加均勻、細(xì)致的結(jié)構(gòu)和更好的耐腐蝕性能[13]；

（3）焊縫區(qū)的金相組織中鐵素體的晶粒較為密集，晶粒越細(xì)小，工件硬度和強度就會更高，特別是在拉伸、壓縮和彎曲等應(yīng)力狀態(tài)下，工件更加耐磨和耐腐蝕[14]。

4 結(jié)論

在車間環(huán)境下，粉塵、油污、溫度、濕度等因素均會對焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響，Q235 碳鋼MIG 焊接過程中的不確定因素較多，焊縫成形質(zhì)量不確定。在其他參數(shù)不變的情況下，焊接電流過小或過大，均會影響焊縫質(zhì)量；電流過高，會使焊縫表面氧化嚴(yán)重形成黑色氧化皮，甚至產(chǎn)生咬邊、燒穿等缺陷；電流過低，會導(dǎo)致焊接區(qū)域沒有達(dá)到足夠高溫度，金屬材料、焊絲不能完全熔化，焊縫不連續(xù)，甚至出現(xiàn)夾渣、氣孔、未熔合等缺陷。

金相測試結(jié)果表明：

（1）焊接線能量對焊接接頭的性能影響很大；線能量過大，容易造成接頭和熱影響區(qū)組織過熱，產(chǎn)生過熱組織，而使其脆化，降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度和韌性；

（2）線能量小，焊接熱輸入不足，熔池溫度不夠，冷卻速度快，容易產(chǎn)生淬硬組織造成焊縫應(yīng)力集中，嚴(yán)重會產(chǎn)生變形開裂；

（3）3 號焊縫區(qū)的柱狀晶小、熱影響區(qū)晶粒較小，粗晶區(qū)上的鐵素體晶粒密集，硬度、強度高也更加耐磨和耐腐蝕，焊縫質(zhì)量好。

綜上，為保證車間環(huán)境內(nèi)Q235 碳鋼MIG焊焊接質(zhì)量，焊接工藝參數(shù)如下：電流為126 A、電壓為19 V、焊接速度為50 cm/min、氣體流量為1.7 L/min。