搖動(dòng)電弧窄間隙自由成形打底焊工藝研究

摘 要： 針對(duì)厚板坡口根部焊接難的問(wèn)題，文中提出了一種采用搖動(dòng)電弧的窄間隙坡口自由成形打底焊接方法，通過(guò)控制電弧做圓弧形軌跡搖動(dòng)來(lái)調(diào)整電弧熱分布，使焊接熔池自由凝固成形．進(jìn)行了搖動(dòng)電弧窄間隙自由成形打底焊接試驗(yàn)，研究了電弧搖動(dòng)參數(shù)對(duì)打底焊縫自由成形的影響．結(jié)果表明：電弧搖動(dòng)參數(shù)能顯著影響打底焊縫自由成形，過(guò)小的搖動(dòng)參數(shù)易使打底焊縫燒穿，適當(dāng)增大電弧搖動(dòng)參數(shù)可增強(qiáng)坡口側(cè)壁與根部的熔透，過(guò)大的搖動(dòng)參數(shù)會(huì)產(chǎn)生未焊透缺陷．

關(guān)鍵詞： 搖動(dòng)電??；窄間隙熔化極電弧焊；打底焊接；自由成形

中圖分類號(hào)：TG444"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"""" 文章編號(hào)：1673-4807（2024）02-036-05

Research on swing arc narrow gap free forming root welding process

Abstract：In view of the difficulty in root welding for thick plate grooves， this paper proposes a narrow gap free forming root welding method by swing arc， which adjusts the arc heat distribution by controlling the arc to swing circularly， so that the welding pool can solidify and form freely. The swing arc narrow gap free forming root welding experiments are carried out， and the influence of swing parameters on free forming root weld is investigated. The results indicate that the arc swing parameters significantly affect the free forming of root weld. The root weld is easy to be burnt through when the swing parameters are too small， and the penetration of groove sidewall and root can be enhanced by appropriately increasing the arc swing parameters. However， great swing parameters will lead to incomplete penetration defects.

Key words：swing arc， narrow gap metal arc welding， root welding， free forming

我國(guó)船舶、海工平臺(tái)、壓力容器等大型裝備正在向著厚壁化發(fā)展，中厚板鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越多[1-2]，相應(yīng)地對(duì)高效高質(zhì)量的中厚板焊接技術(shù)需求日益凸顯．窄間隙熔化極電弧焊方法具有坡口間隙小、焊接熱輸入低、接頭力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在厚板鋼結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域中受到越來(lái)越多關(guān)注[3-4]．

為解決厚板窄間隙焊接坡口側(cè)壁熔透和焊縫成形問(wèn)題，先后開(kāi)發(fā)了多種單絲窄間隙熔化極電弧焊工藝方法，典型的包括：蛇形焊絲焊接法[5]、高速旋轉(zhuǎn)電弧焊接法[6-8]、搖動(dòng)電弧焊接法[1-2， 9]、超窄間隙電弧焊接法[10]等．但是，對(duì)于密封、不易翻身和背面焊接空間狹小的厚板鋼結(jié)構(gòu)，上述窄間隙電弧焊工藝還不能實(shí)現(xiàn)自由成形打底焊接．

文中提出一種采用搖動(dòng)電弧的窄間隙坡口自由成形打底焊接方法，通過(guò)控制電弧在坡口內(nèi)做往復(fù)式圓弧形軌跡搖動(dòng)，調(diào)節(jié)電弧熱分布，使焊接熔池能自由凝固成形．文中介紹了搖動(dòng)電弧窄間隙自由成形打底焊接系統(tǒng)及方法，并通過(guò)焊接試驗(yàn)研究了電弧搖動(dòng)參數(shù)對(duì)打底焊縫自由成形的影響規(guī)律，為該方法的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)．

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

搖動(dòng)電弧窄間隙自由成形打底焊接系統(tǒng)如圖1，主要由搖動(dòng)電弧窄間隙焊炬、焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，其中搖動(dòng)電弧窄間隙焊炬又包括電弧驅(qū)動(dòng)與饋電裝置、折彎導(dǎo)電桿、導(dǎo)電嘴等．送絲機(jī)構(gòu)送出的焊絲，依次穿過(guò)電弧驅(qū)動(dòng)與饋電裝置、折彎導(dǎo)電桿后，從導(dǎo)電嘴中心孔伸出至窄間隙坡口根部．

焊接時(shí)，通過(guò)控制電弧驅(qū)動(dòng)與饋電裝置來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)折彎導(dǎo)電桿和導(dǎo)電嘴，帶動(dòng)焊絲端部的電弧在窄間隙坡口內(nèi)圍繞焊炬中心做周期性往復(fù)式圓弧形搖動(dòng)，并在坡口兩側(cè)壁處做短暫停留，以充分熔透坡口側(cè)壁．焊接保護(hù)氣體同時(shí)從坡口正上方和背面對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，焊接熔池在電弧力、表面張力及重力的共同作用下自由凝固，實(shí)現(xiàn)搖動(dòng)電弧窄間隙自由成形打底焊接．

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用焊接工藝參數(shù)如表1．試驗(yàn)過(guò)程中，僅改變電弧搖動(dòng)參數(shù)（搖動(dòng)頻率、搖動(dòng)角度、側(cè)壁停留時(shí)間），并同步記錄焊接電流和電弧電壓，來(lái)研究電弧搖動(dòng)工藝對(duì)窄間隙熔化極電弧打底焊縫自由成形的影響規(guī)律．

焊接試板材質(zhì)為Q370，單塊試板尺寸為230 mm×26 mm×20 mm，坡口形式為窄間隙單U形坡口，如圖2．其中，坡口間隙為12 mm，根部間隙為3 mm，鈍邊厚度為2 mm，坡口根部圓弧半徑為4.5 mm．所用焊接材料為直徑1.2 mm的實(shí)心焊絲，牌號(hào)為MG50-6．焊接保護(hù)氣為Ar+20%CO2，流量為20 L/min．

焊后，在距離引弧100 mm處截取厚度10 mm的試樣，用于觀測(cè)焊縫橫截面成形．為研究電弧搖動(dòng)參數(shù)對(duì)打底焊縫成形的影響規(guī)律，定義了焊縫橫截面成形參數(shù)，如圖2．其中：① Bmax為最大熔寬，用于評(píng)價(jià)坡口側(cè)壁的熔透；② Bmin為最小熔寬，用于評(píng)價(jià)鈍邊在坡口寬度方向上的熔透；③ h為鈍邊上端熔深，用于評(píng)價(jià)鈍邊在坡口深度方向上的熔透；④ Hb為背面余高，用于評(píng)價(jià)坡口根部的熔透．

2 結(jié)果與分析

2.1 搖動(dòng)頻率的影響

圖3為不同搖動(dòng)頻率的焊縫宏觀成形照片，其中搖動(dòng)角度α為69°，單個(gè)側(cè)壁停留時(shí)間t為60 ms．從圖中可以看出，調(diào)節(jié)搖動(dòng)頻率f顯著改變了搖動(dòng)電弧打底焊縫成形．搖動(dòng)頻率f為1.5 Hz時(shí)，打底焊縫燒穿明顯，背面成形斷續(xù)；搖動(dòng)頻率f提高到2.0 Hz后，打底焊縫背面成形連續(xù)穩(wěn)定，坡口根部熔透好；但繼續(xù)增大搖動(dòng)頻率f后，打底焊縫的背面成形和熔透均變差，并在搖動(dòng)頻率f為3.0 Hz時(shí)出現(xiàn)明顯未焊透．

圖4為不同搖動(dòng)頻率的電弧U/I圖，該圖反映了焊接過(guò)程中的電弧穩(wěn)定性．搖動(dòng)頻率f從2.0 Hz增大到3.0 Hz后，電弧熄滅與重新引燃次數(shù)明顯增多，短路電流明顯增大，電弧U/I分布明顯分散，表明此時(shí)電弧穩(wěn)定性下降．其它條件一定時(shí)，提高搖動(dòng)頻率使得電弧搖動(dòng)期間的移動(dòng)速度增大，坡口兩側(cè)熔池來(lái)不及搭接就已凝固，打底焊縫背面成形連續(xù)性變差，從而電弧易在坡口中心熄滅并在坡口兩側(cè)壁處重新引燃，電弧穩(wěn)定性下降，對(duì)坡口側(cè)壁加熱作用減弱（圖5），最終導(dǎo)致最大熔寬Bmax減?。▓D6）．

圖5為不同搖動(dòng)頻率的平均電弧能量，其中q1為電弧搖動(dòng)期間的平均電弧能量，q2為電弧側(cè)壁停留期間的平均電弧能量，如式（1）和式（2）：

隨著搖動(dòng)頻率f的增大，單位時(shí)間內(nèi)電弧直接加熱側(cè)壁頻次增多，同時(shí)電弧搖動(dòng)期間的移動(dòng)速度增大，導(dǎo)致電弧側(cè)壁停留期間的平均電弧能量q2增加，而電弧搖動(dòng)期間的平均電弧能量q1減?。?/p>

圖6為搖動(dòng)頻率對(duì)焊縫成形參數(shù)的影響．搖動(dòng)頻率f增大后，電弧對(duì)坡口側(cè)壁的加熱作用增強(qiáng)，而對(duì)坡口中心區(qū)域的加熱作用減弱，最終最大熔寬Bmax先增大后減小，而最小熔寬Bmin、鈍邊上端熔深h和背面余高Hb均逐漸減小．搖動(dòng)頻率f增大至3.0 Hz后，鈍邊上端熔深h和背面余高Hb減小到幾乎為0，同時(shí)最小熔寬Bmin因焊接熱變形而略小于初始根部間隙，表明此時(shí)坡口鈍邊幾乎未熔化，坡口根部產(chǎn)生未焊透．

2.2 搖動(dòng)角度的影響

圖7為不同搖動(dòng)角度的焊縫宏觀成形照片，其中搖動(dòng)頻率f為2.0 Hz，單個(gè)側(cè)壁停留時(shí)間為60 ms．從圖中可以看出，改變搖動(dòng)角度也會(huì)影響打底焊縫的熔透狀態(tài)．搖動(dòng)角度α為59°時(shí)，打底焊縫燒穿明顯，背面成形斷續(xù)，存在大尺寸焊瘤；搖動(dòng)角度α增大到69°后，打底焊縫背面成形連續(xù)穩(wěn)定，坡口根部熔透良好，焊瘤消失；繼續(xù)增大搖動(dòng)角度α至79°后，僅鈍邊上端少量熔化，打底焊縫背面成形連續(xù)性被破壞，出現(xiàn)明顯未焊透．

圖8為搖動(dòng)角度對(duì)焊縫成形參數(shù)的影響．隨著搖動(dòng)角度α的增大，電弧在側(cè)壁處停留時(shí)距離坡口側(cè)壁更近，對(duì)坡口側(cè)壁的加熱作用增強(qiáng)，從而促進(jìn)坡口側(cè)壁熔透，使最大熔寬Bmax增大；同時(shí)，電弧的熱作用范圍變寬，坡口中心的電弧熱作用減弱，導(dǎo)致根部鈍邊在坡口寬度和深度方向上的熔透效果均逐漸降低，相應(yīng)地，最小熔寬Bmin、鈍邊上端熔深h和背面余高Hb均減?。?dāng)搖動(dòng)角度α為79°時(shí)，鈍邊上端熔深h和背面余高Hb幾乎為0，同時(shí)最小熔寬Bmin幾乎等于初始根部間隙，表明此時(shí)坡口鈍邊近似未熔化，坡口根部未焊透現(xiàn)象明顯．

2.3 側(cè)壁停留時(shí)間的影響

圖9為不同停留時(shí)間的焊縫宏觀成形照片，其中搖動(dòng)頻率f為2.0 Hz，搖動(dòng)角度α為69°．從圖中可以看出，類似地，改變側(cè)壁停留時(shí)間也顯著影響了打底焊縫的熔透成形．當(dāng)單個(gè)側(cè)壁停留時(shí)間為20 ms時(shí)，打底焊縫燒穿明顯，背面成形出現(xiàn)了大尺寸焊瘤；停留時(shí)間從20 ms增大到60 ms后，打底焊縫背面成形逐漸連續(xù)，熔透逐漸穩(wěn)定；繼續(xù)增大停留時(shí)間后，部分焊接熔池流淌至根部間隙內(nèi)凝固，僅鈍邊上端少量熔化，坡口根部未焊透現(xiàn)象明顯．

圖10為側(cè)壁停留時(shí)間對(duì)焊縫成形參數(shù)的影響．隨著側(cè)壁停留時(shí)間的增大，單個(gè)搖動(dòng)周期內(nèi)電弧直接加熱坡口側(cè)壁的時(shí)間增長(zhǎng)，而對(duì)坡口中心區(qū)域的加熱時(shí)間縮短，從而使得最大熔寬Bmax逐漸增大，最小熔寬Bmin、鈍邊上端熔深h和背面余高Hb逐漸減?。?dāng)停留時(shí)間增大到100 ms后，最小熔寬Bmin接近初始根部間隙，鈍邊上端熔深h和背面余高Hb減小到接近為0，表明此時(shí)坡口鈍邊幾乎未熔化，坡口根部出現(xiàn)明顯未焊透．

3 結(jié)論

（1） 提出了一種搖動(dòng)電弧窄間隙自由成形打底焊方法，通過(guò)調(diào)節(jié)電弧搖動(dòng)參數(shù)，可改變窄間隙坡口打底焊時(shí)的電弧熱分布，使焊接熔池能自由凝固成形．

（2） 進(jìn)行了搖動(dòng)電弧窄間隙坡口自由成形打底焊接試驗(yàn)，電弧搖動(dòng)參數(shù)過(guò)小易使打底焊縫燒穿，增大電弧搖動(dòng)參數(shù)可增強(qiáng)坡口側(cè)壁和根部的熔透，但過(guò)大的電弧搖動(dòng)參數(shù)又會(huì)造成坡口根部未焊透．

（3） 電弧搖動(dòng)頻率過(guò)大時(shí)，電弧熄滅與重引燃次數(shù)增多，電弧穩(wěn)定性明顯下降，電弧加熱作用顯著減弱，不利于搖動(dòng)電弧自由成形打底焊縫的熔透．

（4） 針對(duì)根部間隙3 mm、鈍邊厚度2 mm的窄間隙單U形坡口，在搖動(dòng)頻率為2.0 Hz、搖動(dòng)角度為69°、單個(gè)側(cè)壁停留時(shí)間為60 ms時(shí)，可獲得熔透良好、無(wú)燒穿缺陷的自由成形打底焊縫．

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