無(wú)電焊接熱循環(huán)測(cè)試研究

劉宏偉，劉吉延，馬世寧，王韶勇，吳 勇

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造工程系，北京100072;2.中國(guó)人民解放軍6409工廠(chǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)部，遼寧撫順113105)

焊接過(guò)程中，焊縫附近母材上某點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程稱(chēng)為焊接熱循環(huán)，通常以焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)描述。焊件上不同部位在焊接過(guò)程中經(jīng)歷的非均勻加熱和冷卻過(guò)程，不僅會(huì)使母材熱影響區(qū)組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻變化，還會(huì)使焊接區(qū)域產(chǎn)生變形及殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響焊接接頭的力學(xué)性能。因此，研究焊接熱循環(huán)、了解焊接過(guò)程中母材不同位置處溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)于制訂焊接方案、確定焊接工藝、控制和提高焊接質(zhì)量均具有重要意義。作為一種戰(zhàn)場(chǎng)裝備及野外民用設(shè)施損傷應(yīng)急修復(fù)的有效技術(shù)手段，無(wú)電焊接一直以來(lái)受到研究者的廣泛關(guān)注。目前對(duì)無(wú)電焊接的研究主要集中在焊接工藝、焊接接頭組織結(jié)構(gòu)與性能、焊縫合金強(qiáng)化等［1－5］方面，而對(duì)焊接過(guò)程中的熱循環(huán)規(guī)律則缺乏相應(yīng)研究。筆者利用試驗(yàn)方法，系統(tǒng)測(cè)試了無(wú)電焊接過(guò)程中同一厚度鋼板不同位置、不同厚度鋼板同一位置處的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)，探討了無(wú)電焊接熱循環(huán)規(guī)律及焊接母材厚度對(duì)無(wú)電焊接熱循環(huán)的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

無(wú)電焊接熱循環(huán)測(cè)試試驗(yàn)中，所用焊接筆規(guī)格為直徑18 mm，長(zhǎng)度250 mm。選用大小100 mm×60 mm，厚度分別為15、10、8、5 mm 的4 種45 鋼板作為焊接母材。

利用熱電偶分別測(cè)量焊件縱向(沿厚度方向)上及橫向(焊件表面方向)上不同位置處的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)。焊前先對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)處理，清除焊縫兩側(cè)各200 mm范圍內(nèi)的氧化層，使焊接母材露出金屬光澤，減少雜質(zhì)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。將熱電偶傳感器端頭分別埋在待測(cè)部位，進(jìn)行無(wú)電焊接試驗(yàn)，實(shí)時(shí)測(cè)試不同位置處的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)。縱向及橫向上測(cè)試點(diǎn)的位置分別如圖1、2所示。

圖1 縱向上(沿厚度方向)的測(cè)試點(diǎn)分布

圖2 橫向上(焊件表面)的測(cè)試點(diǎn)分布

縱向上，對(duì)于厚度h=15 mm的焊接母材，取A1孔深為d1=5 mm，A2孔深為 d2=8 mm，A3孔深為d3=10 mm。對(duì)于厚度h=10 mm的焊接母材，取A1孔深為d1=4 mm，A2孔深為 d2=5 mm，A3孔深為d3=6mm。橫向上，圖2右側(cè)箭頭所指為焊接方向。以焊縫線(xiàn)中心為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，各測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)(單位 mm)分別為:B1(20，0)、B2(30，0)、B3(40，0)、B4(30，10)，B5(30，－10)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 相同厚度焊接母材不同位置點(diǎn)的熱循環(huán)曲線(xiàn)

以厚度10 mm焊接母材為研究對(duì)象，分別測(cè)試其縱向與橫向不同點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)，如圖3、4所示。由圖3可知:其表面距離焊縫不同距離處的各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)大體相同，均是在溫度快速升高并達(dá)到峰值溫度后又以較高速度冷卻。這一變化趨勢(shì)與電弧焊相似［6］。同時(shí)看到，與電弧焊在峰值溫度處的“陡峭”趨勢(shì)相比，無(wú)電焊接的熱循環(huán)曲線(xiàn)要平緩得多，也即無(wú)電焊接在加熱階段的升溫速度與冷卻階段的降溫速度均顯著小于電弧焊。尤其是冷卻階段的降溫速度，僅為電弧焊時(shí)相應(yīng)位置降溫速度的1/4左右。其根本原因是:電弧焊時(shí)，電弧可持續(xù)提供熱量，且母材的受熱部位僅為焊條燃弧端的很小面積處，能量較為集中;而無(wú)電焊接時(shí)，焊接筆供熱量(焊藥反應(yīng)放熱)一定，而截面積卻很大，反應(yīng)時(shí)大量熔體同時(shí)形成，并在焊接吹力作用下大面積流動(dòng)，因而其對(duì)母材加熱面積也大。在能量一定的條件下，增大母材的受熱面積勢(shì)必會(huì)大幅降低其升溫速度。冷卻時(shí)，由于測(cè)試點(diǎn)周?chē)?包括整個(gè)焊件)均處于較高溫度，測(cè)試點(diǎn)與周?chē)h(huán)境溫差較小，熱量傳遞相對(duì)較慢，因而其降溫速度也會(huì)較低，遠(yuǎn)低于電弧焊時(shí)相應(yīng)位置的降溫速度。

圖3 厚度10 mm焊件縱向上測(cè)試點(diǎn)的熱循環(huán)曲線(xiàn)

電弧焊過(guò)程中，離焊縫越近的點(diǎn)，其加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越大，并且加熱速度比冷卻速度大得多［6］。由圖3中 A1、A2、A3三點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線(xiàn)可知:隨著測(cè)試點(diǎn)離焊縫距離的減小，測(cè)試點(diǎn)在焊接過(guò)程中所達(dá)到的峰值溫度逐漸變大(A1、A2、A3三點(diǎn)處的峰值溫度分別為 639、671、765℃)，且離焊縫表面越近，溫度上升越快，升溫速度也明顯大于冷卻速度，這一變化規(guī)律與電弧焊時(shí)基本一致［6］。上述測(cè)試結(jié)果表明:無(wú)電焊接熱循環(huán)既具有焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)的共性特征，也有其自身顯著區(qū)別于其他焊接方法的個(gè)性特征。

圖2 中 B1、B2、B3、B4、B5位置處的峰值溫度分別為1 008、904、819、838、811 ℃。由圖 4 可知:與焊件沿厚度方向相似，焊件表面上也是測(cè)試點(diǎn)越靠近焊縫，其峰值溫度越高，且升溫速度越快，這是由于離焊縫越近，其接受的熱量也越多、越快。

圖4 厚度10 mm焊件橫向上各測(cè)試點(diǎn)的熱循環(huán)曲線(xiàn)

將焊件上橫向與縱向上的溫度變化情況進(jìn)行對(duì)比。縱向上取A1點(diǎn)為研究對(duì)象，該點(diǎn)在無(wú)電焊接加熱階段的平均升溫速度為38.9℃/s;橫向上取B1點(diǎn)為研究對(duì)象，該點(diǎn)在無(wú)電焊接加熱階段的平均升溫速度為186.2℃/s。考查A1點(diǎn)、B1點(diǎn)實(shí)際位置，A1點(diǎn)為縱向上焊縫中心線(xiàn)下方6 mm處，而B(niǎo)1點(diǎn)為橫向上焊縫中心線(xiàn)右側(cè)10 mm處。以焊縫中心線(xiàn)為參照，橫向上的B1點(diǎn)較縱向上的A1點(diǎn)更遠(yuǎn)，但B1點(diǎn)處的平均升溫速度為A1點(diǎn)處平均升溫速度的近5倍，表明:無(wú)電焊接過(guò)程中，沿焊件表面的橫向傳熱速度遠(yuǎn)高于沿厚度方向的縱向傳熱速度。這一結(jié)果還表明:無(wú)電焊接對(duì)焊接母材的厚度變化異常敏感，焊件厚度增加少許，其焊接能量需求相應(yīng)增加許多，同時(shí)也意味著實(shí)現(xiàn)無(wú)電焊接的難度增加許多。

圖2中測(cè)試點(diǎn) B4、B2、B5的峰值溫度分別為1 193、1 178、1 068℃。相鄰兩點(diǎn)間的距離為10 mm，溫度變化趨勢(shì)基本相似，峰值溫差相對(duì)也很小，均在15℃以?xún)?nèi)，表明焊件表面平行于焊縫的焊接方向上溫度變化不明顯，根本原因是測(cè)試各點(diǎn)經(jīng)歷了基本相似的熱過(guò)程，僅在到達(dá)峰值溫度的時(shí)間上有少許差異。

2.2 不同厚度焊件上同一位置測(cè)試點(diǎn)的熱循環(huán)曲線(xiàn)

以不同厚度焊件俯視面上同一位置測(cè)試點(diǎn)(圖2中B1點(diǎn))的熱循環(huán)曲線(xiàn)為研究對(duì)象。分別以15、10、8、5mm四種不同厚度的母材進(jìn)行無(wú)電焊接試驗(yàn)，測(cè)試相應(yīng)焊件上B1點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知;當(dāng)母材厚度由15 mm依次減小為10、8、5 mm時(shí)，焊件表面距焊縫中心線(xiàn)20 mm處的峰值溫度由987℃逐漸升高為1 008、1 098、1 198℃。即不同厚度的焊件上同一位置測(cè)試點(diǎn)的峰值溫度不同，且厚度越小溫度越高。其主要原因是隨焊接母材厚度的減小，其質(zhì)量也相應(yīng)減小，而測(cè)試時(shí)所用無(wú)電焊接筆規(guī)格、型號(hào)均相同，放熱量大小也一定，因而母材厚度越小，其吸收相同熱量升高的溫度越高。對(duì)比觀察圖5中母材厚度分別為10 mm與8 mm時(shí)B1點(diǎn)的焊接熱循環(huán)線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn):二者母材厚度僅相差2 mm，但在測(cè)試點(diǎn)處的峰值溫度相差近100℃。這表明在所用無(wú)電焊接筆相同的情況下，焊件厚度的變化對(duì)無(wú)電焊接的效果會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。也正因?yàn)槿绱?，試?yàn)中發(fā)現(xiàn):利用焊接5 mm以下厚度鋼板的無(wú)電焊接筆難以焊接厚度10 mm以上的鋼板。

圖5 不同厚度焊件俯視面上B1點(diǎn)的熱循環(huán)曲線(xiàn)

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