高氣壓環(huán)境脈沖頻率對(duì)超音頻脈沖TIG焊接頭焊縫成形和性能的影響

王海龍，楊建偉，黃松濤，焦向東

(1.北京石油化工學(xué)院, 能源工程先進(jìn)連接技術(shù)研究中心,北京 102617; 2.浙江國(guó)自機(jī)器人技術(shù)有限公司,杭州 310000)

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類對(duì)油氣資源的需求正在快速增長(zhǎng)[1-2]。陸地石油和天然氣的不斷開(kāi)采,儲(chǔ)量在不遠(yuǎn)的將來(lái)就會(huì)枯竭, 人類開(kāi)始把目標(biāo)轉(zhuǎn)向了海洋油氣資源,把鉆取的油氣資源通過(guò)油氣管道或別的途徑輸送到陸地[3]。油氣管道是海上平臺(tái)與陸地資源輸送的最主要的方式, 且隨著長(zhǎng)輸管道輸送壓力的提高和對(duì)輸送效率的要求[4]，海上平臺(tái)與海底管道的建設(shè)與維修需要與之相匹配的水下焊接設(shè)備與工藝來(lái)支撐[5]。國(guó)內(nèi)水下焊接技術(shù)相對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)發(fā)展較晚, 所以要進(jìn)一步加強(qiáng)水下焊接設(shè)備和工藝的研究，深化焊接技術(shù)與質(zhì)量性能控制[6]。目前世界海底管線鋪設(shè)超過(guò)2 000 km, 每年都在不斷增長(zhǎng),并快速的向3 000 km邁進(jìn)[7], 鋪設(shè)區(qū)域從淺海域向深海域發(fā)展,深海域比淺海域和陸地有著更加復(fù)雜的環(huán)境, 油氣管線在這種環(huán)境下就必須提高要求,海底管線往往面臨著低溫、海水腐蝕和沖擊、高壓環(huán)境等各種各樣嚴(yán)峻的問(wèn)題[8]，其中最重要的是所處的環(huán)境為高壓環(huán)境, 而且越往海洋深處鋪設(shè)所面臨環(huán)境壓力就越高。

高壓環(huán)境下采用傳統(tǒng)焊接方式和工藝得到的焊縫容易出現(xiàn)氣孔、夾渣、熱影響區(qū)硬化和裂紋等常見(jiàn)缺陷, 嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量而且焊接過(guò)程不穩(wěn)定。研究發(fā)現(xiàn),超音頻直流脈沖TIG焊電弧產(chǎn)生電磁場(chǎng)和洛倫茲力使得電弧收縮,增強(qiáng)電弧的挺度和穿透力，使焊接能量較為集中, 并且對(duì)焊接熔池起到了攪拌、振動(dòng)等特殊作用[9],進(jìn)而具有改善熔池流動(dòng)性和細(xì)化焊縫晶粒等作用。

文中以脈沖頻率為主要研究參數(shù), 對(duì)不同壓力環(huán)境下的超音頻脈沖TIG焊接頭焊縫成形和性能進(jìn)行對(duì)比和分析。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)比較接頭的熔寬、熔深、余高和維氏硬度,探索超音頻直流脈沖TIG焊在高氣壓環(huán)境下的焊接優(yōu)勢(shì)和作用機(jī)理, 為X80管線鋼和超音頻直流脈沖TIG焊在海底管道的應(yīng)用提供了理論支持和實(shí)際價(jià)值。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用北京石油化工學(xué)院的WXC2.4DL1型高氣壓焊接試驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示。系統(tǒng)主要由高壓艙本體結(jié)構(gòu)、供氣系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、盥洗消防水系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)組成,試驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)有焊接三軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)以及送絲機(jī)構(gòu)、照明裝置、水冷設(shè)備等輔助裝置,艙外設(shè)有電流電壓采集系統(tǒng),采用自主研發(fā)的超音頻直流脈沖TIG焊電源,輸出頻率可達(dá)35 kHz。

圖1 高壓焊接試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)條件為母材X80管線鋼，厚度10.0 mm，焊絲型號(hào)為ER70-3，直徑1.2 mm，保護(hù)氣體為純Ar，氣體流量25 L/min，焊絲伸出長(zhǎng)度20 mm，送絲速度1 m/min，峰值電流120 A，基值電流100 A，焊接速度10 cm/min，占空比10%，平板堆焊。試驗(yàn)過(guò)程中，分別在常壓、0.1,0.3和0.5 MPa壓力環(huán)境下進(jìn)行焊接試驗(yàn), 脈沖頻率分別為10，15，20，23，25，28，30，33和35 kHz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 脈沖頻率對(duì)焊縫成形的影響

高壓環(huán)境下焊接過(guò)程不穩(wěn)定,焊接電弧能量損失嚴(yán)重,容易出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象,通過(guò)提高焊接電流的脈沖頻率可以提高焊接過(guò)程的穩(wěn)定性,超音頻直流脈沖TIG焊電源最高能夠產(chǎn)生上萬(wàn)赫茲的脈沖電流,可大幅提高焊接過(guò)程中電弧的穩(wěn)定性。根據(jù)電磁學(xué)理論[10]，不斷變化的電流能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場(chǎng)，焊接產(chǎn)生的電弧就會(huì)受到沿徑向收縮的電磁力,電弧挺度增加,而且脈沖頻率越高焊接電弧徑向收縮程度越發(fā)明顯。電弧收縮程度的增加，焊接熔池受到的機(jī)械攪拌作用變強(qiáng)，進(jìn)而會(huì)影響到焊縫的成形。

根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)焊接試驗(yàn),研究不同環(huán)境壓力下脈沖頻率對(duì)焊縫成形的影響，脈沖頻率從10 kHz逐步增加到了35 kHz，焊接試驗(yàn)完成后對(duì)所得焊縫進(jìn)行試樣的切割制備，打磨拋光后使用電子顯微鏡對(duì)焊縫的表面形貌進(jìn)行觀察,并標(biāo)注焊縫熔寬、熔深和余高的尺寸。

從圖2和圖3可知,在常壓環(huán)境下改變脈沖頻率時(shí),焊縫表面成形良好，且無(wú)明顯缺陷。當(dāng)脈沖頻率為10 kHz 時(shí),焊絲填充區(qū)的熔寬為7.08 mm、熔深為 0.72 mm;當(dāng)脈沖頻率提高到 35 kHz 時(shí),熔寬減小到 5.93 mm,熔深減小到0.61 mm,即焊絲填充區(qū)的熔寬和熔深隨脈沖頻率的提高而減小;從余高曲線圖可以發(fā)現(xiàn),隨著脈沖頻率的提高,余高也隨之變化,但整體變化量在 0.3 mm 以內(nèi),說(shuō)明常壓環(huán)境下脈沖頻率對(duì)焊縫余高的影響有限。從圖4可得,脈沖頻率為10 kHz時(shí)，焊縫區(qū)的熔寬為1.81 mm，熔深為0.87 mm；脈沖頻率為35 kHz時(shí),焊縫區(qū)的熔寬減小到0.82 mm，熔深增加到1.00 mm,即隨著脈沖頻率的提高,焊縫區(qū)的熔寬逐漸減小,熔深逐漸增加。

圖2 常壓下不同脈沖頻率焊縫宏觀形貌

圖3 常壓下不同脈沖頻率焊絲填充區(qū)曲線

圖4 常壓下不同脈沖頻率焊縫區(qū)的熔寬-熔深

由圖5～圖15可知,在0.1，0.3和0.5 MPa環(huán)境壓力下,焊縫成形良好，且不存在裂紋、夾渣、未熔合和咬邊等缺陷,熔合區(qū)和熱影響區(qū)分界明顯; 0.1 MPa壓力下焊絲填充區(qū)的熔寬從7.27 mm減小到6.22 mm,熔深從1.21 mm減小到1.01 mm;0.3 MPa壓力下焊絲填充區(qū)的熔寬從12.31 mm減小到6.12 mm,熔深從1.90 mm減小到1.17 mm;0.5 MPa壓力下焊絲填充區(qū)的熔寬從10.73 mm減小到8.41 mm,熔深從1.76 mm減小到1.08 mm,即焊絲填充區(qū)的熔寬和熔深隨脈沖頻率的提高而減小;隨著脈沖頻率的提高,余高的整體變化不大,脈沖頻率對(duì)焊縫余高的影響有限;試驗(yàn)結(jié)果與常壓環(huán)境下的一致。

圖5 0.1 MPa壓力下不同脈沖頻率(10～28 kHz)焊縫宏觀形貌

圖6 0.1 MPa壓力下不同脈沖頻率(30～35 kHz)焊縫宏觀形貌

圖7 0.1 MPa壓力下不同脈沖頻率焊絲填充區(qū)曲線

圖8 0.1 MPa壓力下不同脈沖頻率焊縫區(qū)的熔寬-熔深

圖9 0.3 MPa壓力下不同脈沖頻率(10～20 kHz)焊縫宏觀形貌

圖10 0.3 MPa壓力下不同脈沖頻率(23～35 kHz)焊縫宏觀形貌

圖11 0.3 MPa壓力下不同脈沖頻率焊絲填充區(qū)曲線

圖12 0.3 MPa壓力下不同脈沖頻率焊縫區(qū)的熔寬-熔深

圖13 0.5 MPa壓力下不同脈沖頻率焊縫宏觀形貌

圖14 0.5 MPa壓力下不同脈沖頻率焊絲填充區(qū)曲線

圖15 0.5 MPa壓力下不同脈沖頻率焊縫區(qū)的熔寬-熔深

0.1 MPa壓力下焊縫區(qū)的熔寬從1.42 mm減小到1.04 mm,熔深從0.67 mm增加到0.92 mm；0.3 MPa壓力下焊縫區(qū)的熔寬從1.41 mm減小到0.95 mm,熔深從0.83 mm增加到0.92 mm;0.5 MPa壓力下焊縫區(qū)的熔寬從1.62 mm減小到0.91 mm,熔深從0.43 mm增加到0.98 mm,即隨著脈沖頻率的提高,焊縫區(qū)的熔寬逐漸減小,熔深逐漸增加,與常壓環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果一致。同時(shí),試驗(yàn)中平板堆焊采用相同的送絲速度，因此填充到板材上的焊絲量相同,但焊縫區(qū)的熔寬逐漸減小,熔深逐漸增加。分析認(rèn)為, 超音頻脈沖電流周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，而帶電粒子在磁場(chǎng)內(nèi)受到洛倫茲力的影響而逐漸壓縮,在宏觀上就造成電弧的收縮[11-13], 超音頻電弧脈沖頻率提高時(shí),焊接電弧磁場(chǎng)的吸引力增強(qiáng)，引起電弧的收縮,增強(qiáng)了焊接電弧的剛度和挺度,電弧能量更加集中且穩(wěn)定性提高,導(dǎo)致對(duì)熔池的機(jī)械攪拌作用增強(qiáng)，使得填充的焊絲與熔化的母材進(jìn)行充分的熔合, 造成焊縫區(qū)熔深增加, 熱影響區(qū)面積減小。因此超音頻直流脈沖TIG焊焊接高強(qiáng)管線鋼時(shí),脈沖頻率的提高有利于焊縫成形。

從圖16和圖17可以發(fā)現(xiàn), 隨著脈沖頻率的提高,熱影響區(qū)的寬度和深度隨之減小,熱影響區(qū)的整體尺寸變小;因此在保證焊接質(zhì)量和電弧穩(wěn)定性的情況下,脈沖頻率越高越好,而且說(shuō)明超音頻直流脈沖TIG焊在高壓環(huán)境下具有減小熱影響區(qū)的優(yōu)勢(shì), 提高焊接接頭的質(zhì)量。由于設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制,試驗(yàn)所研制的超音頻直流脈沖TIG焊電源能穩(wěn)定工作的最高脈沖頻率為35 kHz。

圖16 不同壓力下不同脈沖頻率的熱影響區(qū)寬度曲線

圖17 不同壓力下不同脈沖頻率的熱影響區(qū)深度曲線

2.2 不同脈沖頻率下的焊縫維氏硬度

為了驗(yàn)證焊接電弧對(duì)焊縫熔池的機(jī)械攪拌作用隨脈沖頻率的提高而增強(qiáng), 焊縫填充金屬與母材之間熔合度提高, 對(duì)焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)。在 0.3 和0.5 MPa壓力下進(jìn)行不同脈沖頻率(10，15，20，23，25，28，30，33和 35 kHz)的焊接試驗(yàn), 焊接完成后進(jìn)行打磨拋光, 使用顯微硬度計(jì)從焊縫頂端開(kāi)始往下每隔 0.25 mm 測(cè)量一個(gè)硬度值,圖18和圖19為相應(yīng)的硬度曲線。

圖19 0.5 MPa壓力下不同脈沖頻率的硬度曲線

從圖18可以發(fā)現(xiàn), 0.3 MPa環(huán)境壓力下不同脈沖頻率得到的焊縫硬度曲線整體趨勢(shì)相同,硬度值依次從焊縫區(qū)—熔合區(qū)—熱影響區(qū)—母材不斷降低。硬度值最高處在焊縫區(qū), 平均值250～280 HV，其次是熔合區(qū)平均硬度為220 HV, 熱影響區(qū)平均硬度為180 HV, 母材硬度值最低為150 HV左右; 當(dāng)脈沖頻率在30～35 kHz時(shí),熔合區(qū)和熱影響區(qū)整體的硬度比脈沖頻率低時(shí)的硬度高,表明脈沖頻率越高焊接電弧對(duì)熔池的攪拌和振動(dòng)作用越強(qiáng), 熔合區(qū)的內(nèi)部金屬與填充金屬之間進(jìn)行了充分熔合, 熱影響區(qū)的組織在電弧軸向等離子流力帶來(lái)的機(jī)械攪拌作用下變得更加細(xì)小, 提高焊縫硬度。

圖18 0.3 MPa壓力下不同脈沖頻率的硬度曲線

從圖19可以發(fā)現(xiàn), 0.5 MPa環(huán)境壓力下不同脈沖頻率得到的接頭硬度曲線整體趨勢(shì)相同,硬度值依次從焊縫區(qū)—熔合區(qū)—熱影響區(qū)—母材不斷降低。焊縫區(qū)硬度值最高,平均270～310 HV, 其次是熔合區(qū)平均硬度為220 HV。熱影響區(qū)硬度平均值在180 HV左右,母材硬度值最低為150 HV左右; 脈沖頻率為35 kHz時(shí),焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)整體的硬度比其它脈沖頻率的硬度要高,說(shuō)明脈沖頻率越高對(duì)熔池的機(jī)械攪拌作用越強(qiáng),再加上環(huán)境壓力的提高帶來(lái)電弧收縮效應(yīng)的增加,使熔合區(qū)的內(nèi)部金屬與填充金屬之間進(jìn)行了充分熔合,而且熱影響區(qū)的組織在電弧軸向等離子流力帶來(lái)的機(jī)械攪拌作用下變得更加細(xì)小, 提高了整體的硬度。

比較圖18和圖19可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境壓力相同時(shí),不同脈沖頻率焊接得到的接頭硬度變化曲線基本一致, 硬度值從焊縫區(qū)—熔合區(qū)—熱影響區(qū)—母材連續(xù)下降; 脈沖頻率相同時(shí)，0.5 MPa壓力下的焊縫區(qū)硬度比0.3 MPa壓力下的更大,分析認(rèn)為是隨著環(huán)境壓力的增加, 焊縫區(qū)金屬冷卻速率加快[14], 焊縫中脆硬組織增加，焊縫硬度增大。

3 結(jié)論

(1)同一環(huán)境壓力下, 隨著脈沖頻率的提高, 焊縫區(qū)的熔寬逐漸減小, 熔深逐漸增加。隨著脈沖頻率的提高, 熱影響區(qū)的寬度和深度隨之減小, 熱影響區(qū)的整體尺寸變小, 表明超音頻直流脈沖 TIG 焊在高壓環(huán)境下具有減小熱影響區(qū)的優(yōu)勢(shì),進(jìn)而提高焊接接頭的質(zhì)量。

(2)在常壓、0.1，0.3及0.5 MPa壓力下, 焊絲填充區(qū)的熔寬和熔深隨脈沖頻率的提高而減小, 余高的整體變化不大, 脈沖頻率對(duì)焊縫余高的影響有限。

(3)在同種環(huán)境壓力下不同脈沖頻率得到的焊縫硬度曲線整體趨勢(shì)相同,硬度值依次從焊縫區(qū)—熔合區(qū)—熱影響區(qū)—母材不斷降低。試驗(yàn)證實(shí), 0.3 MPa壓力下接頭硬度值最高處在焊縫區(qū),平均值為250～280 HV，其次是熔合區(qū)平均硬度為220 HV, 熱影響區(qū)平均硬度為180 HV, 母材硬度值最低為150 HV左右。

(4)脈沖頻率相同時(shí),0.5 MPa壓力下的焊縫硬度比0.3 MPa壓力下的更大。試驗(yàn)證實(shí), 0.5 MPa壓力下焊縫區(qū)硬度值平均在270～310 HV;0.3 MPa壓力下焊縫區(qū)硬度值平均為250～280 HV; 分析認(rèn)為隨環(huán)境壓力的增加,焊縫區(qū)金屬冷卻速率加快, 焊縫中脆硬組織增加，焊縫硬度增大。