超窄間隙焊接中送進(jìn)式焊劑帶約束電弧的加熱特性

陳歡，朱亮，姚仁，張愛華，湯國(guó)璽

摘要：開發(fā)了一種連續(xù)送進(jìn)式焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法，通過改變焊劑片厚度和送帶速度進(jìn)行工藝試驗(yàn)，分析各參數(shù)下的電弧的加熱特性。結(jié)果表明，增加焊劑片厚度和送帶速度能夠增強(qiáng)對(duì)電弧的約束效果，使焊縫根部熔化寬度增加，側(cè)壁熔化高度減小;增大焊劑片熔化系數(shù)，熔化后焊劑片的固壁約束高度也會(huì)變大，電弧在側(cè)壁燃燒的高度變小，提高電弧能量密度，更有利于電弧對(duì)側(cè)壁根部的加熱。當(dāng)焊劑片熔化系數(shù)小于0.31時(shí)，熔化后焊劑片的固壁約束高度較小，電弧對(duì)側(cè)壁的加熱效果增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：超窄間隙焊接;送進(jìn)式焊劑帶;加熱特性;固壁約束高度

中圖分類號(hào)：TG444? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）09-0041-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.08

0? ? 前言

與窄間隙焊接技術(shù)相比，超窄間隙焊接技術(shù)有著更好的發(fā)展前景，它具有熱輸入低、焊接效率高、焊接接頭性能好等特點(diǎn)[1-2]。然而，在間隙小于6 mm的Ⅰ型坡口中，由于焊絲端頭到側(cè)壁的距離小于靜態(tài)平衡點(diǎn)電弧的長(zhǎng)度，電弧會(huì)沿著側(cè)壁快速攀升，無法滿足對(duì)坡口側(cè)壁和根部的同時(shí)加熱。焊劑帶約束電弧的焊接方法是利用焊劑帶將電弧壓縮在坡口底部，使電弧集中加熱側(cè)壁根部，有利于側(cè)壁和根部的熔合。放置式焊劑帶[3]約束電弧超窄間隙焊接是將制備好的焊劑帶放入到間隙為5 mm的Ⅰ型坡口中進(jìn)行焊接的一種方法，前期已經(jīng)對(duì)焊劑帶的預(yù)置高度[4]、焊劑片的厚度[5]、焊絲與焊劑帶的相對(duì)位置[6]等影響焊縫成形的因素進(jìn)行了研究，并成功對(duì)接了U71Mn鋼軌、槽型鋼軌與轍叉、X70管線鋼等鋼材，且焊縫成形好，無明顯缺陷。

盡管放置式焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法取得了一定的成果，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要將焊劑帶準(zhǔn)確可靠地放入坡口中，應(yīng)用可靠性降低，而且焊劑帶的熔化量只能通過焊劑片的厚度進(jìn)行控制，可焊接的焊接工藝參數(shù)調(diào)整范圍小。因此，文中提出了一種自動(dòng)送進(jìn)式焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法。在該方法中，將U型結(jié)構(gòu)焊劑帶配合超窄間隙專用焊槍實(shí)現(xiàn)了焊劑帶的自動(dòng)送進(jìn)，焊劑帶的熔化量可以通過送帶速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)焊劑帶對(duì)電弧的約束效果不同時(shí)，電弧對(duì)側(cè)壁和根部的加熱效果也不同，因而焊縫形態(tài)也會(huì)有一定的區(qū)別。通過測(cè)量不同參數(shù)下的焊縫截面的相關(guān)尺寸，并記錄其變化規(guī)律，可以對(duì)超窄間隙焊接中焊劑帶約束電弧的加熱特性進(jìn)行分析。

本文利用焊劑片厚度、送帶速度對(duì)電弧約束效果的影響，測(cè)量了不同焊劑片熔化系數(shù)下的焊縫熔合參數(shù)，進(jìn)一步對(duì)超窄間隙焊接中送進(jìn)式焊劑帶約束電弧的加熱特性進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方法

自動(dòng)送進(jìn)式焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接基本原理如圖1所示。設(shè)計(jì)了專用板式焊槍[7]，總長(zhǎng)230 mm，厚度3 mm，在其上邊增加了送帶機(jī)構(gòu)，使U型焊劑帶能夠沿著導(dǎo)軌向坡口底部穩(wěn)定輸送。U型焊劑帶由焊劑片、玻璃纖維繩、粘接劑組成，通過玻璃纖維繩控制焊絲中心線與焊劑帶中心線的距離為0.4 mm，焊劑帶結(jié)構(gòu)如圖2所示。

焊劑片成分為大理石、螢石、鈦鐵、錳鐵、硅鐵和石英砂，在焊劑片的表面有間隔均勻的小棱，用來控制焊絲到焊劑片的距離為0.3 mm。焊接過程中，焊劑帶不斷向坡口底部送進(jìn)，在電弧熱的作用下焊劑片先在其根部熔化，熔化的部分起到造氣、造渣作用，將熔池與外界空氣隔離開;未熔化的部分起到固壁約束作用，將電弧壓縮在坡口底部，使電弧集中對(duì)坡口側(cè)壁和根部加熱。

焊接電源為平特性，焊絲為φ1.6 mm H08Mn2Si，焊件材質(zhì)為Q235A碳素結(jié)構(gòu)鋼，試樣采用Ⅰ型坡口，坡口寬度為5 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

前期已經(jīng)對(duì)焊劑片約束電弧超窄間隙焊接方法進(jìn)行了大量試驗(yàn)，間隙為5 mm的Ⅰ型坡口常用的焊接電壓為20～22 V，送絲速度為64.5～71.5 mm/s，焊接速度為8 mm/s[8]。本文選用的焊接電壓為21V，送絲速度為66 mm/s，焊接速度為8 mm/s，使用不同焊劑片厚度0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、0.96 mm和不同送帶速度2.4 mm/s、3 mm/s、3.6 mm/s、4.2 mm/s、4.5 mm/s進(jìn)行工藝試驗(yàn)，研究焊劑片厚度和送帶速度的匹配關(guān)系對(duì)焊縫成形的影響。初步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊劑片厚度和送帶速度較小時(shí)，形成帶有大型孔洞的焊縫，側(cè)壁熔化高度增大，側(cè)壁與根部熔合不良，焊縫截面形貌如圖3a所示。當(dāng)焊劑片厚度和送帶速度匹配合適時(shí)，側(cè)壁熔化高度減小，焊縫成形好，焊縫截面形貌如圖3b所示。

通過焊縫截面形貌，研究焊劑帶約束電弧的加熱特性。為了方便，引進(jìn)幾個(gè)參數(shù)：hm為側(cè)壁熔化高度，hb為母材熔化深度，hc為根部熔化寬度，其中根部熔化寬度hc是非常重要的參數(shù)，當(dāng)hc≤0等于零時(shí)，會(huì)造成側(cè)壁與根部熔合不良[9]。

送帶速度一定時(shí)，改變焊劑片厚度對(duì)焊縫形貌有著直接的影響，厚度分別為0.8 mm、0.9 mm的焊劑片在送帶速度為3.6 mm/s時(shí)的焊縫截面形貌如圖4所示?？梢钥闯?，兩種厚度的焊劑片均得到了較好的焊縫成形，側(cè)壁與根部熔合良好。為了進(jìn)一步分析焊劑片厚度對(duì)電弧加熱特性的影響，對(duì)焊縫截面形貌的熔合參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著焊劑片厚度的增加，母材熔化深度hb和根部熔化寬度hc不斷增加，增加幅度較為平緩，側(cè)壁熔化高度hm明顯減小。當(dāng)焊劑片厚度過大時(shí)，焊劑片燒損量增加，大量焊渣在電弧前端移動(dòng)，容易形成夾渣，影響焊縫質(zhì)量。

焊劑片厚度一定時(shí)，送帶速度的改變對(duì)焊縫形貌也有直接的影響，圖6是厚度為0.8 mm的焊劑片在不同送帶速度下的焊縫熔合參數(shù)。由圖6可知，隨著送帶速度的不斷增加，母材熔化深度hb和根部熔化寬度hc不斷增加，根部熔化寬度hc增加幅度較為平緩，側(cè)壁熔化高度hm明顯減小。送帶速度過大會(huì)導(dǎo)致未熔化的焊劑片插進(jìn)熔池，與坡口底部刮擦，造成斷弧。

綜上可知，焊劑片厚度和送帶速度對(duì)焊縫成形的影響有著相同的效果，而焊劑片的送進(jìn)量由焊劑片的厚度和送帶速度共同決定。為分析方便，將焊劑片的送進(jìn)量和焊絲的熔化量的體積比定義為焊劑片熔化系數(shù)，用p表示，不同焊劑片熔化系數(shù)p下的焊縫熔合參數(shù)如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)焊劑片熔化系數(shù)p<0.31時(shí)，母材熔化深度hb和根部熔化寬度hc較小，側(cè)壁熔化高度hm較大;當(dāng)0.31≤p≤0.395時(shí)，母材熔化深度hb和根部熔化寬度hc略有增加，側(cè)壁熔化高度hm明顯降低;當(dāng)p>0.395時(shí)，熔合參數(shù)與0.31≤p≤0.395時(shí)相比基本沒有變化，但在焊接過程中容易形成夾渣和斷弧。

基于送進(jìn)式焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接波形分析焊劑片送進(jìn)量對(duì)電弧約束效果的影響，進(jìn)而分析不同焊劑片送進(jìn)量下的電弧的加熱特性。圖8是在不同焊劑片熔化系數(shù)p下得到的焊接電流、電壓波形，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)波形有明顯的區(qū)別，隨著焊劑片熔化系數(shù)p不斷減小，短路過渡頻率明顯增高，對(duì)應(yīng)的焊接電流均值也明顯增加。當(dāng)0.31≤p≤0.395時(shí)，焊接電流、電壓波形如圖8a所示，熔滴過渡形式為正常的短路過渡，短路過渡頻率較低，說明此時(shí)焊劑片對(duì)電弧的約束效果好，將電弧壓縮在坡口底部，使得電弧弧長(zhǎng)較長(zhǎng)，熔滴從形成到與熔池接觸發(fā)生頸縮熔斷的時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)焊劑片熔化系數(shù)p<0.31時(shí)，焊接電流、電壓波形如圖8b所示，熔滴過渡形式仍為短路過渡，短路過渡頻率較高，不規(guī)則的瞬時(shí)短路過渡明顯增多， 說明此時(shí)焊劑片對(duì)電弧約束效果變差，電弧主要作用在側(cè)壁上，導(dǎo)致電弧弧長(zhǎng)變短，熔滴從形成到與熔池接觸發(fā)生頸縮熔斷的時(shí)間明顯縮短，同時(shí)電弧自調(diào)節(jié)作用受到了影響。

根據(jù)以上結(jié)果，對(duì)送進(jìn)式焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接約束電弧機(jī)理進(jìn)行如下分析。當(dāng)0.31≤p

≤0.395時(shí)，對(duì)應(yīng)的約束電弧機(jī)理如圖9a所示，焊劑片在送進(jìn)過程中不斷被電弧加熱并在坡口底部熔化，熔化的部分對(duì)電弧有冷卻收縮作用，未熔化的部分起到固壁約束作用，由于焊劑片送進(jìn)量大，熔化后的焊劑片固壁約束高度h較大，對(duì)電弧有較好的約束效果，電弧能夠集中對(duì)側(cè)壁根部加熱，使母材熔化深度hb和根部熔化寬度hc增加，有利于側(cè)壁根部的熔合。當(dāng)p<0.31時(shí)，約束電弧機(jī)理如圖9b所示，此時(shí)焊劑片送進(jìn)量減少，熔化后的焊劑片的固壁約束高度h減小，對(duì)電弧約束效果減弱，電弧對(duì)側(cè)壁的加熱效果增強(qiáng)，側(cè)壁熔化高度hm明顯增大。

3 結(jié)論

（1）提出了一種自動(dòng)送進(jìn)式焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法，設(shè)計(jì)了U型焊劑帶結(jié)構(gòu)，通過改變焊劑片厚度和送帶速度能夠?qū)﹄娀∵M(jìn)行有效的約束。

（2）增大焊劑片熔化系數(shù)，能夠增強(qiáng)焊劑片對(duì)電弧的約束效果，使電弧集中對(duì)側(cè)壁根部加熱，有利于側(cè)壁根部的熔合;當(dāng)焊劑片熔化系數(shù)小于0.31時(shí)，焊劑片對(duì)電弧的約束效果減弱，電弧對(duì)側(cè)壁的加熱效果增強(qiáng)。

（3）熔化后的焊劑片必須有固壁約束高度才能夠起到約束電弧的作用，增大焊劑片送進(jìn)量，可以獲得較大的固壁約束高度，對(duì)電弧有較好的約束效果，在波形上表現(xiàn)為正常的短路過渡，過渡頻率較低。焊劑片送進(jìn)量不足時(shí)，固壁約束高度變小，對(duì)電弧約束效果變差，在波形上表現(xiàn)為不規(guī)則的短路過渡，過渡頻率較高。

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