纜式實(shí)心焊絲氣保焊熔敷特性與工藝性能研究

賈晨程 趙德龍 周弋琳 包 孔 杜 渝

1上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 200125

2上海海工裝備智能焊接制造工程技術(shù)研究中心 上海 200125

0 引言

隨著起重機(jī)、海洋工程和鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)的發(fā)展，對(duì)于厚板高效化、自動(dòng)化和低成本焊接方法提出了迫切需求。傳統(tǒng)厚板填充焊接方法通常采用埋弧自動(dòng)焊和熔化極氣體保護(hù)焊。埋弧自動(dòng)焊難以實(shí)現(xiàn)全位置焊接，熔化極氣體保護(hù)焊生產(chǎn)效率相對(duì)較低。窄間隙焊接是一種適用于厚板結(jié)構(gòu)的新焊接方法，具有焊縫填充量少、生產(chǎn)效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接等優(yōu)勢(shì)，但窄間隙焊接容易出現(xiàn)焊縫金屬與坡口側(cè)壁母材熔合不良的問題。

近年來，國內(nèi)研制了一種多股復(fù)合焊絲，也稱纜式焊絲，這種新型焊接材料與傳統(tǒng)焊接材料相比，在焊絲結(jié)構(gòu)、制作工藝、電弧形態(tài)和熔滴過渡等方面均不同。圖1、圖2[1]分別為多股復(fù)合焊絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例和多股焊絲組合示意圖。以1×7的多股焊絲為例，其中一根焊絲位于正中心，稱為中心絲，其余6根焊絲圍繞中心絲絞合，稱為外圍絲，一般中心絲比外圍絲直徑大。組成多股復(fù)合焊絲的中心絲與外圍絲類型或相同或不同。張正棟[2]通過改進(jìn)焊材的方式將纜式焊絲應(yīng)用于窄間隙焊接中，研究表明纜式焊絲窄間隙焊接接頭成形優(yōu)良，側(cè)壁熔深大，相比同直徑的實(shí)心單絲更高效節(jié)能。楊志東[3]研究纜式焊絲氣保焊電弧旋轉(zhuǎn)與熔滴過渡行為，發(fā)現(xiàn)電弧旋轉(zhuǎn)對(duì)熔池具有攪拌作用，不僅起到細(xì)化晶粒的作用，提高焊接接頭的強(qiáng)度和沖擊韌性，還促使焊縫金屬與母材坡口側(cè)壁熔合良好?？梢?，纜式焊絲是一種優(yōu)質(zhì)、高效和節(jié)能的焊接材料，且能解決厚板窄間隙焊接焊縫金屬與坡口側(cè)壁母材熔合不良的問題。

圖1 多股焊絲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例

圖2 多股焊絲組合示意圖

本文主要針對(duì)一種直徑為1.6 mm的纜式實(shí)心焊絲，分別進(jìn)行熔敷金屬試驗(yàn)、對(duì)接焊試驗(yàn)和焊縫成形對(duì)比試驗(yàn)，研究纜式實(shí)心焊絲熔敷特性與工藝性能特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼ASTM A709-50-2，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示，熔敷金屬試驗(yàn)試板規(guī)格為20 mm×200 mm×400 mm，鋼襯墊規(guī)格為10 mm×50 mm×500 mm，工藝評(píng)定試驗(yàn)試板規(guī)格為20 mm×200 mm×600 mm。

表1 A709-50-2低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分 %

表2 A709-50-2低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能

試驗(yàn)焊材選用碳鋼無鍍銅多股復(fù)合焊絲，牌號(hào)TPWER70S-6，直徑為1.6 mm，適用標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 8110—2008《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》[4]，焊材型號(hào)為ER50-6。焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表3、表4所示。此纜式實(shí)心焊絲由3根細(xì)絲絞合制成。

表3 焊接材料化學(xué)成分 wt%

表4 焊接材料力學(xué)性能

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的焊接方法為自動(dòng)化焊接小車+熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為混合氣80% Ar+20% CO2。按照GB/T 8110—2008《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》要求進(jìn)行焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能試件制備、檢測(cè)和分析，熔敷金屬力學(xué)性能試件坡口形式如圖3所示。其中，坡口角度α＝45°，根部間隙δ＝13 mm。按照AWS D1.1M—2015《美國鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[5]要求進(jìn)行平位置對(duì)接焊工藝評(píng)定試驗(yàn)試件制備、檢測(cè)和分析，工藝評(píng)定試件坡口形式如圖4所示，坡口角度α＝60°，根部間隙R＝0～1 mm，鈍邊尺寸f＝1～2 mm。焊前對(duì)坡口附近30～50 mm區(qū)域打磨去除鐵銹、毛刺和油污等。試板焊前裝配時(shí)需施加反變形或拘束，采用碳弧氣刨清根并用角磨機(jī)打磨刨槽，刨槽寬度12～14 mm深度6～8 mm。焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)如表5所示。

圖3 熔敷金屬試驗(yàn)坡口形式

圖4 對(duì)接焊試驗(yàn)坡口形式

表5 焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電弧行為

如圖5所示，纜式焊絲電弧上下截面尺寸相差較小，近似為束狀形態(tài)，有收縮的趨勢(shì)。方臣富等[6]研究發(fā)現(xiàn)，與鐘罩狀電弧相比，束狀電弧散熱面積小，熱對(duì)流損失少，弧柱內(nèi)熱量不易散失，熱流密度分布更集中，對(duì)伸出導(dǎo)電嘴的焊絲具有更好的預(yù)熱作用，提高了電弧的穩(wěn)定性和焊絲熔化速度。在焊接過程中，組成纜式焊絲的3根細(xì)絲螺旋式送進(jìn)，使焊接電弧具有自旋轉(zhuǎn)的特征。由于電弧在焊接過程中具有旋轉(zhuǎn)的特征，熔滴在下落過渡到熔池的過程中也會(huì)保持一定的旋轉(zhuǎn)速度，促進(jìn)了熔滴過渡，有利于焊縫成形。同時(shí)，減少熔滴在焊絲端部停留時(shí)間，從而減小熔滴過熱。焊接過程中觀察到熔池呈現(xiàn)漩渦狀，說明旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)熔池有攪拌作用，有利于焊接過程中熔池內(nèi)氣體的逸出和液態(tài)金屬向坡口兩側(cè)鋪展，有助于焊縫金屬與坡口側(cè)壁母材熔合。

圖5 纜式實(shí)心焊混合氣體保護(hù)焊電弧與熔池形態(tài)

3.2 熔敷金屬試驗(yàn)

試件焊接結(jié)束后對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，焊縫成形良好，如圖6所示。焊接接頭截面宏觀腐蝕形貌如圖7所示，焊層與焊道清晰，焊接接頭各區(qū)域未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊縫金屬與坡口側(cè)壁的母材熔合良好。

圖6 焊縫外觀形貌

圖7 焊縫截面宏觀腐蝕形貌

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2652－2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》[7]和GB/T 2650－2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》[8]要求，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，各項(xiàng)力學(xué)性能測(cè)試都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。-40℃低溫條件下，其中一個(gè)試樣沖擊吸收功為30 J，明顯低于同組其余兩個(gè)試樣，可能是由焊縫內(nèi)部存在微觀缺陷所致。

表6 焊材熔敷金屬力學(xué)性能

3.3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

1）焊縫成形與無損檢測(cè)

焊接工藝評(píng)定試板焊接結(jié)束48 h后，按照AWS D1.1/D1.1M－2020《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[9]要求對(duì)焊接接頭進(jìn)行超聲波探傷和射線探傷檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示焊縫未見內(nèi)部缺陷。經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕得到焊接接頭宏觀金相如圖8所示，焊接接頭各區(qū)域熔合良好。

圖8 焊接接頭宏觀金相

2）焊接接頭力學(xué)性能

參照標(biāo)準(zhǔn)AWS D1.1/1.1M－2020《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)等力學(xué)性能檢測(cè)。焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為556 MPa，符合焊接接頭橫向拉伸大于490 MPa的要求。通常斷裂發(fā)生在塑性變形大而強(qiáng)度較低的地方，橫向拉伸結(jié)果顯示斷裂在母材上，說明焊接接頭抗拉強(qiáng)度大于母材。

表7 焊接接頭橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

側(cè)向彎曲試驗(yàn)采用60.3 mm壓頭彎曲180°，試驗(yàn)結(jié)果顯示焊縫無缺陷，焊接接頭具有良好的塑性。

在-30℃和-40℃低溫環(huán)境條件下通過夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)分別測(cè)試焊接接頭的焊縫中心、熔合線+1 mm和熔合線+5 mm等3個(gè)區(qū)域的沖擊吸收功。沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，隨著沖擊試驗(yàn)溫度下降，焊接接頭各區(qū)域沖擊吸收功均減小。焊縫熱影響區(qū)沖擊吸收功最低，是整個(gè)焊接接頭沖擊力學(xué)性能最薄弱的區(qū)域。

表8 焊材熔敷金屬力學(xué)性能

3）焊接接頭硬度試驗(yàn)

采用維氏硬度測(cè)試方法對(duì)焊接接頭各區(qū)域進(jìn)行宏觀硬度試驗(yàn)。在試樣近焊縫表面和近焊縫根部各取11個(gè)硬度測(cè)試點(diǎn)，硬度測(cè)試點(diǎn)位置示意圖如圖9所示。

圖9 硬度測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

試驗(yàn)結(jié)果表明各區(qū)域的硬度值均滿足最大允許硬度350 HV的要求。根據(jù)硬度試驗(yàn)結(jié)果繪制焊接接頭的硬度分布曲線如圖10所示，由圖可知熱影響區(qū)靠近焊縫側(cè)是整個(gè)焊接接頭硬度最高的區(qū)域，達(dá)到274 HV；母材是最低的，最小值為177 HV。熱影響區(qū)的硬度明顯高于母材，最大相差97 HV，焊接接頭出現(xiàn)熱影響區(qū)硬化現(xiàn)象。結(jié)合焊接接頭沖擊力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析，熱影響區(qū)硬度最高，沖擊吸收功最低，是整個(gè)焊接接頭最薄弱的區(qū)域。其原因是在熔合線附近的過熱區(qū)溫度較高（1 300℃～1 350℃），晶粒發(fā)生嚴(yán)重長大導(dǎo)致的[10]。

圖10 焊接接頭硬度分布曲線

3.4 焊縫形狀尺寸對(duì)比試驗(yàn)

針對(duì)直徑均為1.6 mm的纜式實(shí)心焊絲和普通實(shí)心焊絲，采用單道堆焊的方法對(duì)比焊縫形狀和尺寸等方面的差異。共設(shè)置3組試驗(yàn)，除焊接電流和電壓外，其余參數(shù)保持一致，如焊接速度、焊槍角度和干伸長等，焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)如表9所示。

表9 焊接工藝試驗(yàn)參數(shù)

焊接試驗(yàn)結(jié)束后，截取焊縫宏觀金相試樣，使用4%硝酸酒精溶液對(duì)焊縫截面進(jìn)行腐蝕，通過金相顯微鏡觀察和記錄焊縫截面形貌。纜式焊絲與實(shí)心焊絲焊縫截面形貌對(duì)比如圖11所示。

圖11 纜式焊絲（左）與實(shí)心焊絲（右）焊縫截面形貌對(duì)比

焊縫尺寸測(cè)量與統(tǒng)計(jì)如表10所示。在相同的焊絲直徑和焊接工藝參數(shù)條件下，纜式實(shí)心焊絲相較普通實(shí)心焊絲具有更大的熔深，焊接電流為400 A時(shí)，纜式焊絲焊縫熔深達(dá)到8.45 mm，主要與纜式焊絲電弧熱流密度分布更集中有關(guān)，但焊縫余高相對(duì)較大，焊縫與母材之間過渡不平滑。纜式實(shí)心焊絲相較普通實(shí)心焊絲焊縫截面積更大，說明其熔敷效率更高。纜式實(shí)心焊絲焊縫截面形貌類似蘑菇形，與激光電弧復(fù)合焊焊縫形貌類似。

表10 焊縫尺寸測(cè)量與統(tǒng)計(jì) mm

4 總結(jié)

1）纜式實(shí)心焊絲混合氣體保護(hù)焊電弧形態(tài)近似為束狀，電弧具有自旋轉(zhuǎn)特征。熔池呈漩渦狀，說明電弧對(duì)熔池具有攪拌作用，有利于熔池內(nèi)部氣體逸出和液態(tài)金屬向坡口兩側(cè)鋪展，有助于焊縫金屬與坡口側(cè)壁母材熔合。

2）纜式實(shí)心焊絲熔敷金屬試驗(yàn)結(jié)果表明其焊縫成形較好，表面幾乎無飛濺。焊縫熔敷金屬拉伸和沖擊力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）纜式實(shí)心焊絲焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果表明焊縫成形良好，焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能均達(dá)到使用要求。焊接接頭中焊縫熱影響區(qū)硬度最高，沖擊吸收功最低，是整個(gè)焊接接頭最薄弱的區(qū)域。

4）纜式實(shí)心焊絲相較普通實(shí)心焊絲具有焊縫熔深大、熔敷效率高的優(yōu)勢(shì)，但是焊縫余高相對(duì)較大，焊縫與母材過渡不平滑。纜式焊絲焊縫截面形貌類似蘑菇，與激光電弧復(fù)合焊焊縫截面形貌類似。

目前纜式焊絲主要應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)制造、海洋工程、石油工程、船舶重工和工程機(jī)械等領(lǐng)域，在港口機(jī)械制造中尚未見使用。試驗(yàn)結(jié)果顯示纜式實(shí)心焊絲相較普通實(shí)心焊絲具有熔深大的特點(diǎn)，故后續(xù)可將纜式實(shí)心焊絲應(yīng)用于港口機(jī)械箱形梁I形坡口拼板不清根全熔透焊接工藝技術(shù)研究。