閃光焊接速度對不銹鋼圓環(huán)鏈焊口質量的影響

李堂學

山東良莊礦業(yè)有限公司 山東 泰安 271219

0 引言

目前,不銹鋼圓環(huán)鏈產品,是輸送系統(tǒng)中鏈板式輸送機的主要部件,應用于化工、化纖、食品工業(yè)等行業(yè)。主要用于輸送粉狀、小顆粒及小塊狀等散狀物料的連續(xù)輸送,而不銹鋼圓環(huán)鏈在使用中是受力件,因此對該產品焊接質量要求極高,推動了不銹鋼圓環(huán)鏈的焊接質量發(fā)展,對不銹鋼焊接質量的研究有利于提高產品質量。

在研究不銹鋼鏈條焊接問題時,一般將焊接部位分為焊接區(qū)和熱影響區(qū),其中焊接接頭的焊口區(qū)和熱影響區(qū)的組織不均勻,往往是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié),焊接區(qū)和熱影響區(qū)越大,接頭的耐腐蝕性和抗拉強度就越差。提高焊接速度可以顯著減小接頭的焊接區(qū)和熱影響區(qū),使接頭既具有較好的力學性能,又具有良好的耐腐蝕性,因此,人們在制定焊接速度時,在保證焊接成形良好的情況下,往往選擇較高的焊接速度。但是,對直徑20×100 mm的304L不銹鋼鏈條采用德國MRP生產的焊接設備進行閃光焊接時發(fā)現(xiàn),焊接速度達到一定程度后繼續(xù)增加,接頭的強度不穩(wěn)定、耐蝕性下降,通過不斷的焊接試驗對此現(xiàn)象進行了研究和分析。

1 試驗材料及方法

試驗材料為直徑20的不銹鋼材料304L,304L材料是一種易焊接的不銹鋼材料,采用編鏈機將棒料編成鏈條的形狀見圖1,材料的主要化學成分以及性能指標見表1和表2.

圖1 不銹鋼圓環(huán)鏈形狀Fig 1:Stainless Steel toroidal chain shape

表1 試驗用不銹鋼304L的主要化學化學成分%Table 1 Composition of the austenitic stainless steel tested%

表2 試驗用304L不銹鋼的性能指標Table 2 Mechanical properties of the austenitic stainless steel tested

不銹鋼圓環(huán)鏈生產的基本工藝流程為:下料→熱編鏈→閃光焊接→拉伸到規(guī)定尺寸→檢驗。

焊接設備采用德國MRP公司生產的KSH-500閃光焊接機,采用閃光焊接的方式對不銹鋼鏈條進行焊接,焊接參數采用控制面板調整,焊接質量穩(wěn)定,焊接的工作過程包括預熱、閃光、頂鍛、保持、休止等程序。主要焊接參數:閃光長度3～4mm、頂鍛長度2～3 mm、焊接速度0.9～1.5 mm/s、最大閃光電流10 000～12 000 A、頂鍛速度10 mm/s、預熱1～2次、預熱時間2S以內。

不銹鋼鏈條焊接后采用600KN萬能材料試驗機進行拉力試驗;不銹鋼硝酸-氫氟進行酸腐蝕試驗;采用布氏硬度計進行接頭的硬度測試;采用光學顯微鏡進行金相觀察。

2 試驗結果

金屬的焊接性是金屬能否適應焊接加工而形成完整的、具有一定使用性能的焊接接頭的特性。由于閃光對焊過程是在熱─機械力聯(lián)合作用下進行的,其焊接性與點焊相似,通常比熔焊工藝條件好。

對于對直徑20×100 mm的304L不銹鋼鏈條焊接,選定焊接參數:閃光長度3mm、頂鍛長度3mm、最大閃光電流10 000 A、頂鍛速度10 mm/s、預熱2次、預熱時間2S以內,焊接速度分別選用0.9mm/到1.5mm/s,從圖2可以看到,穩(wěn)定的焊接速度在拉力試驗的情況下,焊口處獲得和棒料相等的力學性能,鏈環(huán)焊口處不會出現(xiàn)斷裂,不同的焊接速度,拉力強度的變化也不一致,焊接速度過低或過高,在拉力相等的情況小,焊口處會出現(xiàn)斷裂,使焊口處成為鏈環(huán)薄弱環(huán)節(jié)。

圖2 不同焊接速度的拉力試驗結果Fig 2:Tensile test results at different welding speeds

焊接設備的焊接參數不變,通過調整焊接速度對不銹鋼鏈條進行焊接,焊接后通過600KN拉力試驗機進行拉力試驗,拉力強度達到圖3中的指標。從表中可以看到,焊接速度在10 mm/s和12 mm/s之間是焊接最穩(wěn)定,拉力強度變化不大,焊接速度小于10 mm/s和大于13 mm/s時,焊口質量明顯下降,試驗時焊口處開裂,穩(wěn)定性逐漸變差,焊口質量的不穩(wěn)定,直接影響鏈條的使用壽命。

圖3 不同的焊接速度鏈條的拉力試驗數據Fig 3:Tensile test data of chains with different welding speeds

按圖4所示反映了在其他條件不變的情況下,接頭焊接速度與腐蝕率之間的關系,當焊接速度在10 mm/s和12 mm/s時,接頭的腐蝕率變化不大,隨著焊接速度的變化,焊接處的腐蝕率迅速增加,造成鏈條耐腐蝕下降,降低使用壽命

圖4 焊接速度與腐蝕率的關系Fig 4:Relationship between welding speed and corrosion rate

3 分析討論

閃光對焊接頭與傳統(tǒng)焊接接頭不同,其焊接是由母材直接融合而成,對其金相組織的性能評定有別于傳統(tǒng)的焊接接頭。焊接的性能主要取決于接頭的金相組織,而其金相形態(tài)則取決于焊接材料焊接時所采取的工藝。在確定工件材料的情況下,閃光對焊焊接區(qū)域金相組織決定于合理的溫度場分布和合適的閃光速度。

焊接接頭的組織可以分為焊接區(qū)組織和熱影響區(qū)組織,其中焊接區(qū)組織和熱影響區(qū)組織與母材相比,性能都很不均勻,是接頭的薄弱環(huán)節(jié)所在,因此人們在保證焊接成形良好的同時,都盡量地減小焊接區(qū)和熱影響區(qū)的大小。焊接區(qū)與熱影響區(qū)的大小與焊接速度的關系密切,從圖2、圖3已經看到,焊接速度的變化,則焊接區(qū)和熱影響區(qū)就越出現(xiàn)變化。因此,在焊接速度方面,人們往往認為,在保證焊接成形良好的同時,采用越高的焊接速度越有利于提高接頭的性能。但是,從圖3、圖4看到,采用了過低或過高的焊接速度之后,接頭強度的穩(wěn)定性下降,試驗時焊口處開裂,且焊接接頭的耐腐蝕性明顯變差,這種現(xiàn)象往往被焊接工作者們忽略。

對焊接接頭處進行觀察發(fā)現(xiàn),隨著焊接速度的不同,焊接背面出現(xiàn)了不同大小的氣孔。按圖5所示這些焊接氣孔經腐蝕試驗后呈現(xiàn)出來的形貌,焊接速度越快,氣孔越明顯。過高的焊接速度一方面會使焊接在高溫下就暴露于空氣中,接頭的氧化較嚴重;另一方面,焊接速度過慢或過快,使焊接組織很不均勻,不容易焊透而出現(xiàn)氣孔。氣孔的產生一方面使焊接接頭拉伸強度的穩(wěn)定性下降,另一方面使接頭的耐蝕性下降。

圖5 焊接背面出現(xiàn)的氣孔Fig 5 Pores appearing on the backside of the welding seam

由此可見,在適當的范圍內適合的焊接速度有利于減小焊接區(qū)和熱影響區(qū),增加材料強度的穩(wěn)定性,但是當焊接速度小于或大于某一個值時,接頭強度的穩(wěn)定性就變差,耐蝕性也變弱,因此,焊接速度應當有一個合適的值,合適的焊接速度既可以保證焊接成形性良好、接頭強度穩(wěn)定,又能保證接頭有良好的耐蝕性能。

4 結論

(1)焊接設備采用德國MRP公司生產的KSH-500閃光焊接機,采用閃光焊接的方式對不銹鋼鏈條進行焊接,合適的焊接速度既可以保證焊接成形性良好、接頭強度穩(wěn)定,又能保證接頭有良好的耐蝕性能。

(2)在保證焊接成形良好的條件下,以合適的焊接速度進行焊接可以縮小焊接區(qū)和熱影響區(qū),提高焊接接頭強度的穩(wěn)定性。

(3)過高或過低的焊接速度會導致焊接區(qū)形成氣泡,使接頭強度穩(wěn)定性和耐蝕性下降。