摩擦焊焊接重型H型鋼Z向拉伸試樣的工藝探索 *

何 俊，夏 冰，王慶文，趙志海

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司檢測中心，安徽 馬鞍山 243000)

0 引 言

摩擦焊是在軸向壓力與扭矩的作用下，利用焊接接觸端面之間的相對運(yùn)動及塑性流動所產(chǎn)生的摩擦熱及塑性變形熱，使接觸面及其近區(qū)達(dá)到黏塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形，然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法[1-2]。在重型H型鋼的Z向拉伸性能檢測中需要焊接輔材使試樣滿足于拉伸試驗機(jī)制樣需求使試樣保持在平行段的中間位置。正是由于摩擦焊接過程的復(fù)雜性難以進(jìn)行精確的理論分析。因此通過研究各參數(shù)對焊接接頭性能影響具有重要的意義。

筆者試驗以Q235B重型H型鋼作為母材，45#鋼為輔材進(jìn)行摩擦焊接工藝探索。在焊接固定轉(zhuǎn)速1 200 r/min的情況下，通過經(jīng)驗公式計算得出頂鍛壓力值。焊接轉(zhuǎn)速和頂鍛壓力確定的情況下，進(jìn)行不同頂鍛時間的焊接試驗。對焊接后的試樣進(jìn)行焊接頭檢驗及拉伸試驗，觀察其焊接處情況及拉伸斷裂位置，分析拉伸試驗數(shù)據(jù)，最終得出摩擦焊接重型H型鋼Z向拉伸試樣的最佳頂鍛時間。

1 試驗材料與方案

在摩擦焊接的生產(chǎn)實(shí)際中，焊接工件的直徑、轉(zhuǎn)速、頂鍛壓力、頂鍛時間直接影響摩擦扭矩、摩擦加熱功率、焊接溫度等。這些工藝參數(shù)對摩擦焊接工件表面上的高速摩擦塑性變形層、深塑區(qū)及焊接接頭性能都有著很大的影響。在焊接轉(zhuǎn)速確定后，頂鍛時間以及頂鍛壓力將直接影響焊接質(zhì)量。

1.1 試驗材料

設(shè)備型號：ZCC-32型連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機(jī)，固定轉(zhuǎn)速為1 200 r/rnin。

母材：以Q235重型H型鋼作為研究對象，按GB/T2975-2018[3]取樣標(biāo)準(zhǔn)截取30×30翼緣厚度(以厚度為70 mm的翼緣厚度為例)。

輔材：根據(jù)現(xiàn)場條件和母材尺寸選取直徑為20 mm的45#鋼作為試驗輔材。

1.2 試樣準(zhǔn)備階段

將母材與輔材在砂輪機(jī)上對其表面進(jìn)行磨平。消除表面不平整問題，也防止乳化液等雜質(zhì)黏附于試樣表面，在焊接中產(chǎn)生氣泡影響焊接性能。

1.3 試驗方案

此試驗主要以頂鍛時間為研究對象，頂鍛壓力可通過母材和輔材的直徑代入經(jīng)驗公式：

D2×0.75×(12～15)/1000/2.2

(1)

式中：D為母材和輔材的直徑，mm；(12～15)為焊接系數(shù)，這里取焊接系數(shù)中間值13.5。

根據(jù)公式得出頂鍛壓力為4.5 M/Pa。設(shè)計四組方案進(jìn)行試驗：每個方案選取4根試樣，方案參數(shù)見表1所列。

表1 試驗方案

2 試驗分析

按照上述試驗方案設(shè)置的參數(shù)焊接試樣，對焊接后試樣的焊接性能進(jìn)行分析。

2.1 焊接頭檢驗

目測一個合格的焊接拉伸試樣應(yīng)該有一個封閉的焊縫和發(fā)亮的藍(lán)灰色的外表層，焊縫表面不粗糙，無氣孔，焊接后經(jīng)目測觀察四組試樣均符合(見圖1)。

將毛坯試樣焊接處進(jìn)行酸洗，發(fā)現(xiàn)方案1和方案2中焊接頭有明顯縫隙(如圖2)，不滿足制樣要求，所以頂鍛時間太短會導(dǎo)致焊接不牢固，產(chǎn)生縫隙，無法滿足實(shí)驗要求。方案3和方案4焊接的試樣，焊接處結(jié)合性良好，達(dá)到試驗的預(yù)期進(jìn)行下一步的試驗。

圖1 焊接后毛坯試樣 圖2 毛坯試樣焊接處酸洗形貌

2.2 拉伸試驗分析

將方案3和方案4毛坯試樣，轉(zhuǎn)送數(shù)控車削加工中心進(jìn)行Z向拉伸試樣加工，并根據(jù)GB/T 228.1-2010[4]進(jìn)行拉伸性能試驗。并檢查焊接接頭斷裂位置，記錄斷裂處位于母材處的試樣焊接合格率，試驗結(jié)果見表2所列。

表2 試驗方案

將車削后的拉伸試驗進(jìn)行低倍酸洗，可以看出方案3試樣雖然斷裂在母材位置，但焊接處附近存在一些裂紋(見圖3)且抗拉強(qiáng)度等數(shù)值偏低。方案4試樣拉伸后的試樣，焊接處結(jié)合性良好(見圖4)。針對方案4參數(shù)進(jìn)行40根試樣的驗證試驗：拉伸試樣均斷裂位置位于Q235重型H型鋼母材，焊接接頭力學(xué)性能滿足使用要求。

隨后繼續(xù)加大頂鍛時間測試發(fā)現(xiàn)隨著熱感應(yīng)區(qū)增大會導(dǎo)致試樣拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度數(shù)值偏低[5]。以此得出方案4的頂鍛時間較為符合Z向拉伸試驗要求，保證了重型H型鋼的Z向拉伸試驗。

圖3 拉伸試驗酸洗形貌 圖4 拉伸試驗后酸洗形貌

3 結(jié) 論

(1) 通過試驗得出，摩擦焊接時，時間與壓力給的太小會使焊接接頭不穩(wěn)定，出現(xiàn)焊縫，不能滿足制樣要求。

(2) 時間和壓力給的過大會導(dǎo)致熱感應(yīng)區(qū)增大從而使內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度數(shù)值出現(xiàn)偏低。

(3) 此次試驗通過摩擦焊技術(shù)制備了性能優(yōu)良的Q235重型H型鋼焊接接頭，焊接面結(jié)合性良好，拉伸試樣均斷裂位置位于Q235重型H型鋼母材，焊接接頭力學(xué)性能滿足使用要求。