雙V形坡口圓環(huán)鏈的閃光對(duì)焊工藝研究

王福明 高國(guó)印 馮錦國(guó)

1中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司 張家口 075025 2河北省高端智能礦山裝備工程技術(shù)研究中心 張家口 075025

0 引言

圓環(huán)鏈作為一種廣泛應(yīng)用于煤礦采掘、煤化工、火力發(fā)電、港口起重、海洋船舶甚至軍事領(lǐng)域的工業(yè)產(chǎn)品，焊接質(zhì)量是其所有質(zhì)量要素中最重要的一環(huán)。圓環(huán)的焊接成型方式主要有電阻對(duì)焊和閃光對(duì)焊2種。電阻對(duì)焊一般用于材料強(qiáng)度較低、直徑φ20mm以下的圓環(huán)鏈的焊接成型；材料強(qiáng)度較高、直徑較大的圓環(huán)鏈一般都采用閃光對(duì)焊。閃光對(duì)焊是將待焊工件裝配成等截面的對(duì)接接頭，并利用液壓、機(jī)械等結(jié)構(gòu)在接通電源后使待焊工件的端面逐步接近并達(dá)到局部接觸，利用接觸電阻的電阻熱加熱這些觸點(diǎn)，使待焊端面的金屬觸點(diǎn)受熱融化，直至在垂直端面的方向上形成一定深度的溫度梯度之后，迅速施加頂鍛力，依靠焊接區(qū)高溫金屬的塑性變形和持續(xù)電阻熱，使2個(gè)待焊表面的金屬原子之間接近到晶格距離，形成牢固的金屬鍵，當(dāng)在結(jié)合面上產(chǎn)生足夠多的共同晶粒時(shí)就能得到永久接頭。如何提高閃光對(duì)焊焊接接頭質(zhì)量是許多焊接從業(yè)人員一直在研究的課題。馮元秋等[1]詳細(xì)介紹了閃光對(duì)焊工藝和設(shè)備的研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀；王洪飛[2]對(duì)閃光對(duì)焊過(guò)程中出現(xiàn)的燒傷、未焊透等各種缺陷進(jìn)行了原因分析；黃華剛等[3]研究了閃光對(duì)焊工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭金相組織、熱處理后接頭力學(xué)性能的影響；本文使用KSH402D閃光對(duì)焊機(jī)焊接雙V形坡口的22×66規(guī)格的圓環(huán)鏈，對(duì)焊接成型的鏈環(huán)熱處理后進(jìn)行彎曲、沖擊、靜拉伸、金相分析等，對(duì)焊接工藝的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

用于焊接試驗(yàn)的材料為德國(guó)生產(chǎn)的φ22mm的熱軋退火圓鋼，原材料表面經(jīng)過(guò)了磨外圓處理，材質(zhì)為低碳合金鋼23MnNiCrMo52（以下簡(jiǎn)稱(chēng)52鋼），其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 23MnNiCrMo52鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

52鋼主要用于生產(chǎn)井下?tīng)恳\(yùn)輸鏈條和港口起重鏈條，由于作業(yè)環(huán)境惡劣，鏈環(huán)在使用工況下頻繁受到交變載荷、應(yīng)力腐蝕、高速?zèng)_擊以及受力摩擦。鋼材質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到工作人員的人身安全，故要求鏈條必須具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的冷彎性能、可靠的焊接質(zhì)量和優(yōu)良的耐疲勞性能。52鋼在低碳鋼的基礎(chǔ)上添加Mn、Ni、Mo、Gr、Al、Cu等合金元素，通過(guò)這些合金元素的固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化及第二相強(qiáng)化來(lái)提高材料的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，通過(guò)控制鋼材中的有害元素S、P等提高鋼材的疲勞壽命，該材料具有高強(qiáng)度、高韌性、良好的冷彎能力，較高的破斷拉力及綜合力學(xué)性能。用52鋼生產(chǎn)的鏈條，具有耐磨性能好，疲勞壽命高，破斷強(qiáng)度高，抗沖擊能力強(qiáng)，承載負(fù)荷大的特點(diǎn)。

1.2 焊接設(shè)備及焊接試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用的焊接設(shè)備為德國(guó)生產(chǎn)的KSH402D全自動(dòng)液壓閃光對(duì)焊機(jī)，設(shè)備功率250 kVA。鏈環(huán)通過(guò)KBA型中頻加熱鏈條編結(jié)機(jī)編結(jié)成型。單V形坡口、雙V形坡口鏈環(huán)編結(jié)成型后如圖1所示。

圖1 鏈環(huán)編結(jié)成型示意圖

閃光對(duì)焊分為連續(xù)閃光對(duì)焊、預(yù)熱閃光對(duì)焊和閃光-預(yù)熱-閃光對(duì)焊3種[4]。具體焊接模式根據(jù)焊接件的橫截面來(lái)選取，由于選取的材料直徑為φ22 mm，大于φ20 mm，故本次試驗(yàn)采用預(yù)熱閃光對(duì)焊的模式。預(yù)熱閃光對(duì)焊過(guò)程主要由環(huán)背預(yù)熱、往復(fù)焊口預(yù)熱、連續(xù)閃光、頂鍛（包括有電頂鍛和無(wú)電頂鍛）、保壓和去刺等步驟組成；環(huán)背預(yù)熱為恒流加熱，通過(guò)設(shè)定電流大小與加熱時(shí)間長(zhǎng)短調(diào)整預(yù)熱效果；預(yù)熱、閃光為恒壓控制，但往復(fù)預(yù)熱電流大于閃光電流；頂鍛開(kāi)始為帶電頂鍛，之后為無(wú)電頂鍛。此次雙V形坡口試驗(yàn)的主要焊接參數(shù)如表2所示，為方便對(duì)比，單V形破口的焊接參數(shù)也同步列于表2。

表2 22×66鏈環(huán)閃光對(duì)焊參數(shù)

從表2可以看出，在相同焊接電壓、焊接電流、閃光電流、頂鍛電流及保壓時(shí)間條件下，雙V形坡口鏈環(huán)的往復(fù)預(yù)熱效果更好，用明顯少于單V形破口的預(yù)熱次數(shù)就達(dá)到了焊接所需的溫度梯度，且成功實(shí)現(xiàn)了焊接成型。

熱傳導(dǎo)是熱量由系統(tǒng)的一個(gè)部分傳導(dǎo)到系統(tǒng)的另一個(gè)部分或由一個(gè)系統(tǒng)傳導(dǎo)到另一個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)象，是熱量傳遞的3種基本方式之一，也是熱量在固體中傳遞的主要方式。熱傳導(dǎo)過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是大量的物質(zhì)分子通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)相互撞擊，從而把能量從物體的高溫部分傳遞到低溫部分，或由高溫物體傳遞到低溫物體。在固體中，熱傳導(dǎo)的具體微觀過(guò)程是：在溫度較高的部分，晶體節(jié)點(diǎn)上的微粒振動(dòng)動(dòng)能較大；在溫度較低的部分，晶體節(jié)點(diǎn)上的微粒振動(dòng)動(dòng)能較??；由于微粒是互相聯(lián)系的，且在固體內(nèi)部微粒不間斷地發(fā)生振動(dòng)，動(dòng)能由能量高的部分向能量低的部分傳遞，故在固體中的熱傳導(dǎo)就是能量的遷移。在固體金屬中由于自由電子的存在，自由電子不停地在做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，自由電子在金屬晶體中對(duì)熱的傳導(dǎo)起主要作用，其熱傳導(dǎo)效率也比其他固體高得多。根據(jù)相關(guān)熱力學(xué)理論研究，在二維的矩形平面上，熱源在中間位置的熱傳導(dǎo)速度呈現(xiàn)傳熱較快的特點(diǎn)，且這種速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于熱源在兩邊位置的熱傳導(dǎo)速率，基本上呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)暴漲。

分析認(rèn)為，雙V形坡口鏈環(huán)在往復(fù)預(yù)熱時(shí)熱量由端面中心向四周擴(kuò)散，端面預(yù)熱更加快速、均勻，且熱量擴(kuò)散行程較單V形破口縮短一半，焊接端面溫度能較快達(dá)到焊接溫度，且能快速地在待焊端面縱向建立適宜焊接的溫度梯度，滿足后續(xù)的連續(xù)閃光需求，為獲得優(yōu)質(zhì)接頭打下良好的基礎(chǔ)。

2 分析與討論

使用上海某廠生產(chǎn)的WE-100型液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接成型并熱處理后的鏈環(huán)與鏈條進(jìn)行彎曲撓度試驗(yàn)、靜拉伸試驗(yàn)，使用濟(jì)南某司生產(chǎn)的JB-W300C型微機(jī)控制擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭部位做常溫V形缺口沖擊試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 22×66鏈環(huán)(雙V形坡口)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行彎曲試驗(yàn)的5個(gè)22×66鏈環(huán)的彎曲撓度值均達(dá)到18 mm，大于歐標(biāo)EN818規(guī)定的DN0.8，且未出現(xiàn)斷裂、目視裂紋等缺陷，故判定5環(huán)抗彎全部合格。焊接接頭部位V形缺口沖擊值均達(dá)到70 J以上，5條靜拉伸試驗(yàn)鏈條均為肩部斷裂，破斷載荷均達(dá)到歐標(biāo)EN818規(guī)定的80級(jí)以上，使用英國(guó)某司生產(chǎn)的CS3400型掃描電鏡對(duì)斷口做微觀形貌觀察，掃描圖片如圖2所示。

圖2 焊接鏈環(huán)彎曲、沖擊斷口、靜拉伸斷口及SEM圖片

2.1 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)主要用于測(cè)定焊接接頭的抗裂紋能力并反映焊接接頭塑性指標(biāo)，通過(guò)彎曲試驗(yàn)，同時(shí)可反映出焊接接頭各區(qū)域的塑性差別，暴露出構(gòu)件的焊接缺陷。彎曲試驗(yàn)主要過(guò)程為：在壓力機(jī)上安裝專(zhuān)用的抗彎胎具之后，使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸的彎曲輥，將試樣緩緩彎曲到規(guī)定的撓度，以此檢驗(yàn)焊接接頭抵抗塑性變形的能力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN818的規(guī)定，鏈環(huán)在熱處理后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)使用的彎曲輥直徑為DN2，同時(shí)要求彎曲撓度不小于DN0.8。如果彎曲后鏈環(huán)未出現(xiàn)斷裂、目視裂紋等缺陷，則視為抗彎合格，彎曲試驗(yàn)的具體形式如圖3所示。

圖3 焊接鏈環(huán)彎曲試驗(yàn)示意圖

2.2 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)是用來(lái)研究材料、組織、結(jié)構(gòu)在經(jīng)受外力沖撞或作用時(shí)構(gòu)件的安全性、可靠性和有效性的一種試驗(yàn)方法。是用來(lái)度量材料在高速狀態(tài)下的韌性或斷裂的抵抗能力。與構(gòu)件受靜載荷時(shí)不同，由于沖擊試驗(yàn)加載速度很快，構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力驟然提高，而變形速度往往會(huì)影響構(gòu)件的機(jī)構(gòu)性質(zhì)，故構(gòu)件對(duì)動(dòng)載荷作用很可能表現(xiàn)出另一種反應(yīng)。通常在靜載荷下表現(xiàn)為極佳塑性性能的接頭，在沖擊載荷下會(huì)呈現(xiàn)出脆性的性質(zhì)。金屬材料沖擊試驗(yàn)還可以揭示在靜載荷條件下不易發(fā)現(xiàn)的應(yīng)力集中、材料內(nèi)部缺陷、化學(xué)成分不均勻、受力狀態(tài)不均勻及熱處理缺陷等問(wèn)題。按沖擊試驗(yàn)溫度來(lái)分，沖擊試驗(yàn)可分為常溫沖擊試驗(yàn)、低溫沖擊試驗(yàn)，本次沖擊試驗(yàn)為常溫沖擊試驗(yàn)。根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定，在23±5℃條件下，對(duì)焊接成型并熱處理之后的鏈環(huán)做焊縫V形缺口沖擊試驗(yàn)，按沖擊試驗(yàn)的形狀和破斷方式，沖擊試驗(yàn)分為彎曲沖擊試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)沖擊試驗(yàn)和拉伸沖擊試驗(yàn)3種，本次沖擊試驗(yàn)采用的方式為彎曲沖擊試驗(yàn)。通過(guò)圖2b的焊縫處宏觀沖擊斷口和圖2c焊縫處微觀沖擊斷口可以發(fā)現(xiàn)，本次試驗(yàn)的焊縫處沖擊斷裂方式為延性斷裂，間接表明本次試驗(yàn)的焊接質(zhì)量、熱處理質(zhì)量均合格。從表2的數(shù)據(jù)可得出，單個(gè)試樣的最低沖擊值為82.3 J，高于MT 244.1—2005《煤礦窄軌車(chē)輛連接件 連接鏈》中關(guān)于焊縫處常溫平均沖擊值不低于64 J的規(guī)定。

2.3 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)是指在承受軸向拉伸載荷下測(cè)定材料特性的方法，又稱(chēng)為抗拉試驗(yàn)，是測(cè)定材料機(jī)械性能的基本試驗(yàn)方法之一，主要用于檢驗(yàn)材料是否符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)或者研發(fā)的新材料能否達(dá)到預(yù)定性能。拉伸試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)可以用來(lái)確定材料的彈性極限、伸長(zhǎng)率、彈性模量、斷面收縮率、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等其他指標(biāo)。在高溫下進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)可得到材料的高溫蠕變數(shù)據(jù)。但是圓環(huán)鏈的拉伸試驗(yàn)和棒料的拉伸試驗(yàn)又不完全相同。圓環(huán)鏈在靜拉伸試驗(yàn)時(shí)的正常斷裂方式為肩部和頂部受到了拉伸-剪切復(fù)合應(yīng)力，故其最終反映的破斷強(qiáng)度為鏈環(huán)肩頂部的抗剪切能力。通過(guò)圓環(huán)鏈靜拉伸試驗(yàn)可得到鏈條破斷強(qiáng)度、破斷延伸率、試驗(yàn)延伸率等的基本力學(xué)性能指標(biāo)。由表3的靜拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，22×66鏈條(雙V形坡口)靜拉伸破斷載荷與破斷延伸率都滿足標(biāo)準(zhǔn)EN818-2中關(guān)于T8級(jí)鏈條的規(guī)定。由靜拉伸斷口圖2d、圖2e可以看出，鏈環(huán)肩部斷裂前發(fā)生了明顯塑性變形，相對(duì)于原始尺寸斷口尺寸也發(fā)生了明顯的變化。從其宏觀斷口形貌圖2d可以看出，斷口比較光滑且呈現(xiàn)弱金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)放射線，此為典型的延性剪切斷裂。其微觀掃描電鏡照片（見(jiàn)圖2f）具有明顯的韌窩狀斷裂特征，也證明鏈環(huán)靜拉伸斷裂種類(lèi)為典型的延性斷裂。

2.4 金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)的主要目的是檢查原材料或零部件的質(zhì)量，評(píng)定構(gòu)件的各種缺陷，檢驗(yàn)工藝過(guò)程是否合理以及失效分析等，分為宏觀金相檢驗(yàn)與微觀金相檢驗(yàn)[5]。焊接接頭的金相檢驗(yàn)是用放大鏡、顯微鏡來(lái)檢查焊縫、近逢區(qū)及焊接工件的金相組織以及確定內(nèi)部缺陷、評(píng)判熱處理質(zhì)量等。宏觀金相檢驗(yàn)是指用肉眼或低倍的放大鏡檢查金屬表面、斷口或宏觀組織及其缺陷的方法，這種檢驗(yàn)方法操作簡(jiǎn)捷、迅速，能反映金屬宏觀區(qū)域內(nèi)組織和缺陷的形態(tài)及分布狀況；本次試驗(yàn)宏觀金相主要被用來(lái)觀察焊縫與近縫區(qū)的宏觀形貌，如夾雜、宏觀裂紋等。微觀金相檢驗(yàn)是指用高倍光學(xué)顯微鏡或電鏡來(lái)觀察金屬材料內(nèi)部各組成物微觀結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)，微觀金相主要被用來(lái)觀察材料的顯微組織、偏析、缺陷以及析出相的種類(lèi)、性質(zhì)、形態(tài)等，以分析材料的均勻性，焊接、熱處理工藝的穩(wěn)定性等。對(duì)焊接成型的鏈環(huán)熱處理以后的焊縫進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相圖片如圖4所示。

圖4 雙V形坡口鏈環(huán)焊縫金相

從圖4a可以看出，由于碳燒損的原因，其中白亮的貧碳帶為焊縫，2個(gè)端面之間的焊縫融合良好。根據(jù)圖4b分析可得，焊縫組織為回火索氏體，未見(jiàn)顯微裂紋和其他異常組織。

3 結(jié)論

1）在相同的參數(shù)下，雙V形坡口鏈環(huán)的往復(fù)預(yù)熱效果更好，用明顯少于單V形破口的預(yù)熱次數(shù)就達(dá)到了焊接所需的溫度梯度，其焊接效率更高。

2）雙V形坡口鏈環(huán)焊接成型并經(jīng)過(guò)熱處理以后，其機(jī)械性能能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫組織均勻，未見(jiàn)裂紋及其他缺陷。