防飛濺劑性能及其對焊接質(zhì)量影響的評價方法

李 凱 何廣忠 閆占奇 王春生 謝元立 李萬君

(中車長春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心，130062，長春//第一作者，高級工程師)

列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是低碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，在焊接工序中常常產(chǎn)生飛濺粘連在部件表面，進入后道工序前需要將這些飛濺用機械方式進行清除[1]。近年來，生產(chǎn)企業(yè)嘗試從焊接材料[2]、焊接設(shè)備控制算法[3]、優(yōu)化焊接工藝[4]等方面改善焊接過程產(chǎn)生的飛濺量，但這些改善方法投入大且通用性不強。

焊接防飛濺劑的采用能夠極大地改善飛濺粘連的情況[5-6]。其方法是通過在焊接飛濺可達區(qū)域噴涂薄層，使工件的表面能顯著的降低，從而避免焊接過程中的飛濺粘附或降低粘附力，降低工人清理飛濺的工作強度、提高生產(chǎn)效率。焊接防飛濺劑已經(jīng)成為焊接生產(chǎn)領(lǐng)域常用的輔助材料，但現(xiàn)階段暫無統(tǒng)一的成分要求及相關(guān)質(zhì)量標準，而且在焊接過程中防飛濺劑會受到熱作用產(chǎn)生揮發(fā)。為了評價其對焊接質(zhì)量是否產(chǎn)生影響，往往通過焊接試驗來確認防飛濺劑的性能。本文提出了一套焊接防飛濺劑性能及影響評價試驗方法，并對某品牌的防飛濺劑進行了試驗驗證。

1 試驗方案與方法

為了綜合評估防飛濺劑性能及其對焊接質(zhì)量的影響，試驗需要制備試驗試板并進行飛濺數(shù)量統(tǒng)計，隨后進行無損檢測及破壞性檢測。試驗試板采用高鐵轉(zhuǎn)向架常用鋼材S355，試板尺寸為300 mm×150 mm×10 mm，根部無鈍邊60° V型坡口。

采用相同的焊接參數(shù)完成兩對試板施焊試驗。焊接沿試板長度方向進行，平焊位置，起弧與收弧點均距試板邊緣10 mm，即焊縫總長為280 mm。將試板按焊接方向劃分為兩部分，前半部分保留原有表面不變，后半部分噴涂防飛濺劑(坡口不噴涂)，并標記出分界線，如圖1所示。

為了減少人為因素的干擾，焊接方法選擇自動活性氣體保護焊(MAG)，其工藝參數(shù)如表1所示。焊接系統(tǒng)由Fanuc機器人，福尼斯TPS5000焊接電源組成，試驗設(shè)備如圖2所示。

為驗證防飛濺劑性能，焊接完成后將試板置于水平面內(nèi)，用擦拭紙沿焊接方向擦拭若干次，用以去掉試板表面未黏連的飛濺。定義防飛濺性能評價系數(shù)k按式(1)計算：

(1)

分別統(tǒng)計兩對試板上的飛濺系數(shù)并取平均值，k平均值小于0.5時認為防飛濺劑性能合格。

表1 防飛濺劑性能試驗焊接工藝參數(shù)

圖1 防飛濺劑性能試驗方案示意圖

圖2 防飛濺劑性能試驗設(shè)備實景

為驗證防飛濺劑對焊接質(zhì)量的影響，采用EN 15614-1標準第7部分“試驗和檢驗”中的規(guī)定進行驗證。其中：外觀檢查按EN 970標準執(zhí)行；X射線探傷按EN 1435標準執(zhí)行；低倍金相按EN 1321標準執(zhí)行；硬度試驗按ISO 9015/EN 1043-1標準執(zhí)行；橫向拉伸試驗按ISO 4136/EN 895標準執(zhí)行；橫向彎曲試驗按ISO 5173/ EN 910標準執(zhí)行；-40 ℃沖擊試驗按ISO 9106/EN 875標準執(zhí)行。

2 試驗結(jié)果與分析

兩對試板焊接后表面如圖3所示。噴涂防飛濺劑區(qū)域有持續(xù)的可見煙霧揮發(fā)。焊接完成后未噴涂防飛濺劑表面飛濺數(shù)量分別為24個、35個，噴涂防飛濺劑表面的飛濺數(shù)量分別為3個、8個。按式(1)計算得出防飛濺劑性能評價系數(shù)k的平均值為0.18，說明防飛濺劑性能合格。

a) 試板1

b) 試板2

外觀檢測表明，噴涂防飛濺劑區(qū)域電弧陰極斑點有所擴展，但未見質(zhì)量缺陷。射線檢測結(jié)果表明，噴涂防飛濺劑區(qū)域與原區(qū)域并無明顯區(qū)別，底片平均黑度2.4，焊道符合ISO 5817-B標準要求。

根據(jù)破壞性檢驗要求加工試樣，試樣分為兩組：組1為噴涂防飛濺劑的試樣；組2為未噴涂防飛濺劑試樣。破壞性檢測中，橫向彎曲正彎、背彎采用直徑40 mm壓頭，組1、組2共8個試樣，彎曲角度均能達到180°且無裂紋產(chǎn)生；拉伸性能試驗中，組1平均抗拉強度為570 MPa，組2平均抗拉強度為553 MPa；金相檢測結(jié)果見圖4，兩組試驗中均獲得了全熔透的合格焊縫，焊縫未見未熔合及氣孔缺陷。

維氏硬度(HV10)試驗結(jié)果如圖5所示。組1中母材HV10平均值為175.3、熱影響區(qū)HV10平均值203.3、焊縫金屬HV10平均值185.8；組2中母材HV10平均值為177.5、熱影響區(qū)HV10平均值206.7、焊縫金屬HV10平均值186.7。噴涂防飛濺劑與否并未對硬度與拉伸結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。

a) 噴涂防飛濺劑組

b) 未噴涂防飛濺劑組

a) 噴涂防飛濺劑組

b) 未噴涂防飛濺劑組

-40 ℃沖擊試驗結(jié)果為：組1平均沖擊功19.3 J；組2平均沖擊功40 J。根據(jù)上述對比試驗結(jié)果表明，該品牌防飛濺劑對自動MAG焊碳鋼接頭的影響主要表現(xiàn)在沖擊功上。

3 結(jié)論

本文提出了一套焊接防飛濺劑性能及影響評價試驗方法，重點評價防飛濺劑性能及對焊接質(zhì)量的影響，并對某品牌防飛濺劑進行了試驗方法驗證，驗證結(jié)果表明：

(1) 該試驗方法能夠表征焊接防飛濺劑的施工前后的防飛濺效果。

(2) 施工防飛濺劑會對電弧陰極斑點產(chǎn)生影響，陰極斑點覆蓋范圍加大，但射線探傷未見質(zhì)量缺陷。

(3) 噴涂防飛濺劑后，未對橫向彎曲、拉伸、金相、硬度試驗結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，但沖擊功有較明顯降低。建議應(yīng)用時需要避免在坡口附近噴涂。