K-TIG焊接中厚板的工藝窗口改進(jìn)

王 泰，敖三三?，魏 祺，蔡養(yǎng)川，曾 黎，羅 震

1) 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350 2) 大慶油田第三采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所，大慶 163000

低碳鋼是工業(yè)生產(chǎn)中最常用到的基礎(chǔ)材料之一[1?3].目前，對于低碳鋼厚板的焊接，工業(yè)生產(chǎn)中還是采用常規(guī)的埋弧焊方法[4?6].但是對于埋弧焊而言，在焊接的過程中需要預(yù)制坡口，這就會增加焊接過程的工作量，此外，埋弧焊過程中，很難對實際的焊接過程中進(jìn)行直觀觀察，難以實現(xiàn)焊接過程的質(zhì)量控制，從而限制了埋弧焊方法在實際工業(yè)生產(chǎn)中的進(jìn)一步大規(guī)模的使用[7?8].

穿孔深熔氬弧焊（K-TIG）方法是在傳統(tǒng)鎢極氬弧焊（TIG）焊接方法的基礎(chǔ)之上[9]，通過特制的水冷焊槍，配合大直徑鎢極，使得鎢極可以承受更大的焊接電流，進(jìn)而增大電流密度并增大電弧力，以增大熔深的一種新型焊接方法.較大的電弧力可以直接穿透板材，焊接工件背部的液態(tài)金屬在重力、電弧力以及熔池表面張力的作用下達(dá)到平衡狀態(tài)并在工件背部形成一道均勻的焊縫，進(jìn)而實現(xiàn)穿孔焊接[10].K-TIG焊接可以在不開坡口的情況下實現(xiàn)厚板的一次焊透，并達(dá)到單面焊雙面成形的效果.此外由于穿孔焊接工藝有利于排除熔池中的氣體，所以得到的焊接接頭均勻且不易產(chǎn)生缺陷.Fan等[11]曾對Q345低碳鋼和314L不銹鋼進(jìn)行過異種焊接接頭的研究，證明K-TIG可以應(yīng)用于異種材料的焊接，但是在焊接的過程中得到的焊縫長度較短，不能持續(xù)焊接，此外在焊接過程中焊縫極易受焊接電流的影響，可重復(fù)性不高；Huang等[12]用數(shù)值模擬的方法對K-TIG焊接異種鋼過程的穩(wěn)定性進(jìn)行了評估，但是并沒有對提高K-TIG焊接低碳鋼過程的穩(wěn)定性提出相應(yīng)的解決辦法；Xie等[13]對430鐵素體鋼進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)K-TIG焊接不銹鋼的過程要比焊接低碳鋼的過程穩(wěn)定，但是對于如何提高K-TIG焊接低碳鋼過程的穩(wěn)定性也沒有提出解決辦法.以上各位學(xué)者的研究均是對基于某一特定焊接參數(shù)下得到的焊接接頭性能的研究，并且焊接過程不穩(wěn)定，存在一定的局限性，不利于滿足實際生產(chǎn)的需要.

本文首次提出采用在低碳鋼厚板背面加保護(hù)焊劑的方法來提高K-TIG焊接Q235低碳鋼的穩(wěn)定性.焊劑的鋪加主要有以下兩個方面的作用：（1）焊劑融化吸熱來降低焊接工件背部的熱積累，從而減少焊接工件背部金屬的融化量，使得在焊接的過程中焊接工件背部的熔池重力減小，使其不易脫離焊接工件的背部；（2）背部的焊劑融化并凝固之后可以形成一層保護(hù)空腔，這樣焊接工件背部的熔池會受到空腔一個向上的托力，使得在焊接的過程中焊接工件背部的液態(tài)金屬不易脫落，最終焊接工件背部的液態(tài)金屬在自身重力、電弧吹力、液態(tài)金屬的表面張力以及托力的共同作用下達(dá)到一個平衡狀態(tài)，并形成一道均勻的焊縫.本文通過在Q235的背部鋪加保護(hù)焊劑的方法成功的用430、440、450、460、470和480 A的焊接電流得到了成形良好的焊接接頭.之后對在不同焊接電流下得到的焊接接頭進(jìn)行了組織性能的分析，以確保其滿足工業(yè)生產(chǎn)中的需求.

1 實驗材料與設(shè)備

1.1 實驗材料

本文實驗所用材料為8 mm厚的Q235低碳鋼，試板尺寸為250 mm×150 mm×8 mm，其化學(xué)成分如表1所示.

表1 Q235鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%Table 1 Chemical composition of the Q235

在焊接工件背部鋪加的保護(hù)焊劑是由天津金橋焊材公司生產(chǎn)的SJ101燒結(jié)焊劑.在本次實驗中用到的燒結(jié)焊劑的粒度為20目.

1.2 實驗設(shè)備

采用自行設(shè)計搭建的K-TIG焊接平臺系統(tǒng)，包括機器人手臂、深熔TIG焊槍、水冷箱和三維柔性焊接平臺等.實驗所用的焊接電源為奧太WSME系列逆變式交直流脈沖氬弧焊機，采用430～480 A的直流電流分別進(jìn)行焊接.實際焊接過程中，在低碳鋼厚板背面加保護(hù)焊劑，其焊接過程如圖1所示.焊接過程中其余的焊接參數(shù)如表2所示.其中焊接過程中用到的保護(hù)氣體為Ar，其流量為25 L·min?1.

1.3 實驗方法

圖1 焊接過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the welding process

為保證焊接過程的穩(wěn)定性以及防止工件表面的油污、雜質(zhì)等對焊接過程造成影響.焊前用砂輪機對焊接工件的表面進(jìn)行機械清理，然后用乙醇清洗表面油污、塵垢.整個焊接實驗在三維柔性平臺上進(jìn)行，在焊接之前將焊接工件采用機械的方式固定，防止其焊接過程中發(fā)生位移或變形，在焊接過后，待工件冷卻到室溫時將工件取下.焊后不進(jìn)行熱處理.沿垂直于焊接接頭方向截取試樣進(jìn)行金相觀察，對試樣進(jìn)行預(yù)磨和拋光處理，之后用體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3酒精溶液進(jìn)行腐蝕得到金相試樣，腐蝕時間為10 s.用OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織，用HV-1000A顯微硬度計測定接頭的顯微硬度，用WDW-50KN型電子萬能實驗機進(jìn)行拉伸實驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭宏觀形貌

圖2（a）是不同焊接電流下焊接接頭的正面成形形貌，從正面成形來看，表面平整，焊接過程穩(wěn)定并且沒有飛濺；圖2（b）是不同焊接電流下的背面成形形貌，工件的背面是一條細(xì)長且均勻的焊縫，這是因為在電弧力的作用下工件的背部吹出一個小孔，小孔處的液態(tài)金屬在電弧力、重力、表面張力以及背部焊劑的托力的共同作用下處于平衡狀態(tài)[14].之后在不斷的向前焊接與冷卻過程中在工件的背部形成了一道均勻的焊縫.

圖3是焊接電流從430 A到480 A的情況下焊接接頭橫截面的宏觀形貌，在這個焊接電流范圍內(nèi)Q235鋼均可以焊透并且得到成形良好的焊縫.在不同的焊接電流下得到的焊接接頭的宏觀形狀基本保持不變，均是呈現(xiàn)出一種上寬下窄的酒杯狀形貌.這說明了在焊接工件背部鋪加保護(hù)焊劑的方法可以很好的提高焊接過程的穩(wěn)定性.此外，在不同的焊接電流下的焊接接頭的宏觀形貌中均未發(fā)現(xiàn)氣孔或冷裂紋等焊接缺陷.

在焊接的過程中由于鎢極尖端距離焊接工件上表面之間的距離不變，因此得到的焊接接頭上表面的熔寬隨焊接電流的變化并沒有太大的變化，而焊接工件背部的熔寬隨著焊接電流的增大會有一個增大的趨勢，如圖4所示.通過對焊接接頭的硬度以及拉伸等測量結(jié)果表明：工件背部熔寬的增大，不會對焊接接頭的性能產(chǎn)生影響.

2.2 焊接接頭微觀組織分析

焊接接頭包括焊縫區(qū)、熔合區(qū)以及熱影響區(qū)三個區(qū)域.通常在對焊接接頭的分析過程中，焊縫區(qū)以及熱影響區(qū)的特征比較明顯，但是熔合區(qū)由于其區(qū)域較窄，因此很難對其進(jìn)行分析.而在KTIG的焊接接頭中發(fā)現(xiàn)，可以很清楚的在焊縫區(qū)與熱影響區(qū)之間觀察到熔合區(qū).圖5是焊接接頭中焊縫區(qū)、熔合區(qū)以及熱影響區(qū)的具體位置.

圖6是焊縫區(qū)的微觀組織.從圖6（a）和圖6（b）中可以看出，焊縫中的一次組織主要為胞狀樹枝晶.二次組織大部分為鐵素體以及少量珠光體，如圖6（a）所示；此外，由于焊接過程中焊接電流較大、焊縫中加熱溫度高，焊縫中還有少量的魏氏體組織，由于高溫使得奧氏體的晶粒長得非常粗大，而之后的冷卻速度較快，從粗大的奧氏體晶界向晶內(nèi)生長出鐵素體片，這就形成了魏氏組織，也稱側(cè)板條鐵素體；其余的奧氏體從其邊界往外析出鐵素體，形成室溫下的鐵素體.當(dāng)焊接電流增大時，焊縫中的魏氏組織就比較明顯，如圖6（b）所示.魏氏組織的出現(xiàn)在一定程度上降低了焊接接頭的韌性，在焊接的過程中應(yīng)盡量避免魏氏組織的產(chǎn)生.

圖7是熔合區(qū)的組織，在K-TIG的焊接接頭中可以很清楚的觀察到熔合區(qū)，如圖5所示.融合區(qū)的組織相對均勻，均由魏氏體組織所組成，熔合區(qū)中魏氏體組織是從奧氏體的晶界向晶粒內(nèi)部伸展，最終形成類似梳狀的組織.熔合區(qū)中魏氏體出現(xiàn)的原因是由于熔合區(qū)處于過熱區(qū)，加熱溫度接近熔化溫度，在這個范圍內(nèi)奧氏體晶粒劇烈長大，劇烈長大后的奧氏體在冷卻的過程中開始形成粗大的針狀鐵素體，這就導(dǎo)致了魏氏組織的產(chǎn)生[15?16].

表2 K-TIG焊接參數(shù)Table 2 K-TIG welding parameters

圖2 焊接接頭表面外觀形貌.（a）焊接接頭正面成形；（b）焊接接頭背面成形Fig.2 Surface appearance of the welded joints: (a) front forming of welded joints; (b) back forming of welded joints

圖3 焊接接頭橫截面形貌Fig.3 Cross section appearance of weld joints

圖4 熔寬與焊接電流的關(guān)系Fig.4 Relationship between weld width and welding current

圖5 焊接接頭不同區(qū)域Fig.5 Different areas of welded joints

圖6 焊縫區(qū)微觀組織.（a）鐵素體+珠光體；（b）魏氏體組織Fig.6 Microstructure of weld zone: (a) ferrite + pearlite; (b)widmanstatten

圖7 熔合區(qū)微觀組織Fig.7 Microstructure of fusion zone

圖8是焊接熱影響區(qū)的組織.從圖中可以看出在熱影響區(qū)存在的組織是由鐵素體和珠光體構(gòu)成的.由于焊接熱影響區(qū)的受熱與冷卻速度不一樣，所以在整個熱影響區(qū)的組織并不是均勻的，在靠近母材的區(qū)域，發(fā)生不完全重結(jié)晶，也就是只有一部分的組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過程得到細(xì)小的鐵素體和珠光體；而靠近熔合區(qū)的區(qū)域由于處于過熱區(qū)，奧氏體晶粒急劇長大，就會得到一些粗大的魏氏組織；在這兩個區(qū)域的中間是完全重結(jié)晶區(qū)，得到的組織是細(xì)小的鐵素體和珠光體.由于組織的不均勻，得到的焊接接頭的性能在這個區(qū)域也不均勻.

圖8 熱影響區(qū)微觀組織Fig.8 Microstructure of heat-affected zone

2.3 顯微硬度分析

顯微硬度的分布狀態(tài)可以反映出焊接接頭各個區(qū)域的硬度變化規(guī)律，為了研究不同焊接電流下得到的焊接接頭中的硬度分布情況，利用顯微硬度計對其硬度分布進(jìn)行了測試，實驗中硬度的測量路徑是橫穿母材、熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫的一條直線.在進(jìn)行顯微硬度的測量時，施加的載荷為1000 g，保壓時間為15 s.研究結(jié)果表明：不同焊接電流下得到的焊接接頭硬度分布呈現(xiàn)出一致的分布，均是在熔合區(qū)處取的最大值，焊縫處的硬度值其次，母材本身的硬度值最低.從圖9中可以看出，Q235低碳鋼母材的硬度大約在160 HV，焊縫中心處的硬度約為180 HV，熔合區(qū)處的硬度值最大約為200 HV.而且在不同的焊接電流下焊接接頭的硬度值呈現(xiàn)出一樣的規(guī)律，均為：熔合區(qū)＞焊縫區(qū)＞母材.在大電流的K-TIG焊接過程中，焊接接頭不同位置所經(jīng)歷的溫度循環(huán)曲線不一致，因而引起了不同區(qū)域的硬度值的不同[5,14].

2.4 接頭拉伸性能分析

圖9 焊接接頭顯微硬度Fig.9 Microhardness of welded joint

圖10 焊接接頭應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.10 Stress?strain curve of welded joints

對不同的焊接電流下得到的焊接接頭進(jìn)行了拉伸實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同焊接電流下焊接接頭的斷裂位置基本相似，如圖10所示.之后對Q235母材在相同條件下進(jìn)行了拉伸實驗，通過焊接接頭和母材的應(yīng)力?應(yīng)變曲線可以得出結(jié)論：Q235母材的韌性和抗拉強度均強于焊接接頭，如圖10所示.這說明不同焊接電流下得到的焊接接頭均是在熱影響區(qū)處發(fā)生了斷裂.斷裂位置之所以發(fā)生在熱影響區(qū)處，是由于焊接過程中熱影響區(qū)的組織不均勻，并且產(chǎn)生了少量的魏氏組織.

3 結(jié)論

本論文首次采用在工件背部鋪加保護(hù)焊劑的方法，實現(xiàn)了K-TIG焊接8 mm厚的Q235低碳鋼焊接電流工藝窗口的增大，并得到了如下結(jié)論：

（1）在K-TIG焊接8 mm厚的Q235低碳鋼厚板時，在不開坡口的情況下，通過在工件背部鋪加保護(hù)焊劑的方法可以有效地提高焊接的窗口范圍，并且可以極大地提高焊接過程的穩(wěn)定性.

（2）在430 A至480 A的焊接電流范圍內(nèi)，KTIG焊接8 mm厚的Q235均可以單面焊雙面成形，且正面的成形和背部的成形良好，隨著焊接過程中焊接電流的增大焊接工件背部的熔寬也會有略微的增加.焊接電流對焊接接頭的組織影響主要是對焊縫區(qū)的影響，當(dāng)焊接電流變大時，焊縫中會出現(xiàn)魏氏組織.而對熔合區(qū)和熱影響區(qū)的組織性能影響不大.

（3）在不同焊接電流下得到的焊接接頭在力學(xué)性能上表現(xiàn)出一致性，均是在熔合區(qū)處的硬度值達(dá)到最大，拉伸實驗的斷裂位置均是發(fā)生在熱影響區(qū)處.