中厚板雙面脈沖埋弧焊工藝分析及優化

周方明，王偉建，吳興祥，朱正祥

(1.江蘇科技大學江蘇省先進焊接技術重點實驗室，江蘇鎮江212003)

(2.上海滬臨重工有限公司，上海201306)

中厚板雙面脈沖埋弧焊工藝分析及優化

周方明1，王偉建1，吳興祥2，朱正祥2

(1.江蘇科技大學江蘇省先進焊接技術重點實驗室，江蘇鎮江212003)

(2.上海滬臨重工有限公司，上海201306)

以T型接頭為研究對象，著重對T型接頭中咬邊及未熔透現象進行研究，并運用正交試驗法，對脈沖埋弧焊中脈沖頻率、占空比、基值/峰值電流的影響因子進行優化設計，采用宏觀金相得到焊縫幾何參數，以熔深為評價指標，得到最佳影響因子.結果表明:基于正交試驗設計的脈沖埋弧焊工藝能夠很好地解決T型接頭中的咬邊及清根問題，且節省了時間，提高了效率.

正交試驗設計;脈沖埋弧焊;T型接頭;雙面焊;焊接工藝

基于大功率柴油機架零部件T型接頭的焊接，要求T型接頭根部實現全熔透且免清根.而現有焊接工藝中，正面是以MAG焊打底，輔以埋弧焊填充蓋面，工件翻轉后對背面焊縫根部進行碳弧氣刨清根以確保焊縫根部的焊接質量，之后再進行反面填充和蓋面.清根雖然保證了角焊縫的全熔透，避免出現夾渣、未焊透等缺陷［1］，但是，清根會增加焊接金屬的熔敷量，并額外增加熱輸入，造成接頭變形、甚至報廢，而且直接降低焊接效率.

脈沖埋弧焊(pulse submerged arc welding，PSAW)是一種先進的焊接方法，通過P-SAW能得到熔透較大的焊接接頭，同時，熱輸入小，能夠減小粗晶區寬度，產生晶粒細化的作用［2-3］，從而達到提高焊接質量的目的.為解決中厚板雙面焊問題，研究脈沖埋弧焊工藝參數對角焊縫工藝的影響，采用正交試驗方法［4］，用典型焊接工藝參數進行試驗，分析工藝參數對焊接接頭組織、性能的影響規律，得到最優參數，達到工藝優化的目的.

1 研究方法

1.1 試驗材料

試驗用母材為Q235B，其化學成分和力學性能分別見表1，2，交貨狀態下的顯微組織為塊狀鐵素體和帶狀珠光體平行分布，其軋制方向較為明顯.

表1Q235B化學成分Table 1 Chemical composition of Q235B

表2Q235B力學性能Table 2 Mechanical properties of Q235B

試驗用材料為大西洋生產的CHF-101焊劑及CHW-S1焊絲，直徑為Φ 4 mm.

1.2 試驗設計

研究過程中，將電弧電壓及焊接速度設為36V、350 mm/min固定不變，而將基值電流、峰值電流、脈沖頻率和占空比4個因子作為研究對象，考察它們對焊接熔深的影響規律.

試驗采用4因素4水平試驗，不考慮交互作用，4因素共占4列，選L16(45)最合適見表3，并有1空列(E)，可以作為試驗誤差以衡量試驗的可靠性，因此正交試驗設計試驗方案及評價指標，如表4，表中熔深H為主要指標.

表3 因子水平編碼表Table 3 Factor table

表4 試驗方案及結果Table 4 Test scheme and results

1.3 性能檢測

采用機械加工的方法分別從16條焊縫上切取試樣，用4%硝酸酒精腐蝕，然后主要檢驗試樣的顯微組織［5］.

根據GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》及GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》檢測接頭的力學性能.

2 試驗結果及分析

2.1 脈沖工藝參數對焊接熔深的影響

通過計算各影響因素的極差R，可以直觀地分析出各因素的主次影響順序.R越大，表示該因素的水平變化對試驗指標的影響越大，因素越重要.比較表5極差R，可看出因素影響主次順序為峰值電流＞占空比＞基值電流＞脈沖頻率，即峰值電流(因素A)影響最大，為主要因素，脈沖頻率(因素C)為不重要因素，得出工藝組合A3B2C4D4.

試驗結果表明脈沖埋弧焊工藝中峰值電流Ip決定著焊縫的主要熔深，因素與指標趨勢見圖1，能直觀分析出指標與各因素水平波動的關系.峰值電流(因素A)在水平1至3之間，熔深H呈遞增趨勢，而水平3和4之間，熔深值趨于減小.而占空比δ(因素D)隨水平的增大，熔深逐漸遞增.其次，基值電流Ib(因素B)隨著水平的增大呈鋸齒狀波動，在水平1、2及3、4之間熔深增大，而2、3之間熔深遞減.最后，脈沖頻率f(因素C)達到1.5 Hz后，其隨著水平的增大熔深呈遞增趨勢.

圖1 熔深的正交因素示意Fig.1 Orthogonal test coefficient factor of penetration

表5 極差分析表Table 5 Range analysis

此外通過16組試驗的焊縫截面，可以測出10號樣焊縫熔深最大，為12 mm，即方案A3B2C4D3能在現有的因素水平中達到最大的熔深值.而極差組合A3B2C4D4不在正交試驗中，則增加一次試驗，以A、D大熔深，B、C低成本，低能耗為評價標準，得出A3B3C2D4.即，峰值電流1 000 A，基值電流380 A，頻率1.5 Hz，占空比50%.

2.2 T型接頭脈沖工藝參數優化

如圖2，T型接頭采用25 mm規格的腹板和底板，對稱K型坡口，坡口角度為50°，鈍邊為6 mm.

根據正交試驗結果A3B3C2D4對焊接參數進行優化，其中焊接電弧電壓及焊接速度以焊縫成形為評價因素，而焊槍角度及焊絲偏移量以熔池方向及重疊量為評價因素，確保T形接頭兩側熔池于腹板中間重合，同時避免出現脫渣困難、咬邊、裂紋等缺陷.T型接頭平角焊主要焊接工藝參數見表6.

圖2 T型接頭平角焊示意Fig.2 Schematic of T-joint fillet welding

表6中焊絲伸出長度、焊槍角度及焊絲偏移距離為變量，焊槍角度為焊絲伸出部分和水平面的夾角，焊絲偏移距離為焊絲對中時，偏離豎板的距離.焊絲干伸長為45 mm，焊槍和水平面成60°夾角，焊絲的偏移量在3～4 mm時，焊槍的可達性較好，2側的熔池有較大的重疊量.

表6 T型接頭平角焊工藝Table 6 T-joint fillet welding process

2.3 接頭性能

在多組工藝試驗后，發現在脈沖的作用下，焊縫成形更加良好，表6工藝下焊接接頭的宏觀金相照片見圖3，從照片上不難看出，焊道數為2道，根部熔合良好，成形美觀.且焊后檢測，其抗拉強度為465 MPa，單側焊縫表面中心位置沖擊吸收功平均值為 112 J，熔合線位置沖擊吸收功平均值為120 J，焊縫熱影響區位置沖擊吸收功的平均值為235，244 J，每個缺口沖擊試樣所得的平均值均滿足要求，且任一單值均大于規定平均值的70%，沒有出現報廢的試樣.

圖3 焊縫宏觀金相Fig.3 Macroscopic microstructure of weld

圖4為焊縫-母材界面，A區為焊縫，B區為近縫區.圖5中焊縫區呈明顯的柱晶狀，其中片狀先共析鐵素體沿晶界析出，鐵素體向晶內生長，晶內有針狀鐵素體，珠光體P型組織，和普通直流埋弧焊對比，其焊縫區晶粒較為細小韌度較好;在近縫區B內，片狀先共析鐵素體沿晶界析出，緊靠焊縫處晶界大體與焊縫結晶方向一致，垂直于焊縫-母材界面，鐵素體由晶界向晶內生長，晶內黑色區為珠光體.圖6中熱影響區組織由塊狀鐵素體和珠光體均勻分布，晶粒也較小.這說明脈沖工藝參數對焊縫、熔合區及熱影響區有較好的作用.

圖4 焊縫熔合區金相組織Fig.4 Microstructure of fusion zone

圖5 焊縫區金相組織Fig.5 Microstructure of weld zone

圖6 熱影響區金相組織Fig.6 Microstructure of heat affected zone

3 結論

1)采用正交試驗對低頻脈沖下的Q235B鋼焊接工藝參數進行優化設計，試驗結果與分析表明:峰值電流、占空比、基值電流、脈沖頻率對母材熔透深度的影響依次降低.

2)在峰值電流為1 000 A，基值電流為380 A，脈沖頻率為1.5 Hz，占空比為50%時，焊接熔深能達到10.17 mm，滿足規范要求.

3)此接頭的抗拉強度大于母材規定的最小抗拉強度;各區的沖擊以及收功平均值及任一單值均滿足要求.焊縫斷面宏觀及微觀金相顯示焊縫無裂紋、組織合格.

References)

［1］ 張勝男，趙文斌.埋弧焊免清根免打底技術的試驗研究［J］.自動化與儀器儀表，2013(3):37-38.Zhang Shengnan，Zhao Wenbin.The study on the technique of submerged arc welding without backing and un-clearing root［J］.Automation and Instrumentation，2013(3):37-38.(in Chinese)

［2］Hrivnak I.Physical metallurgy of pulsed current submerged arc welding of steels［J］.ISIJ International，1998，38(10):1100-1106.

［3］ 李桓，劉瓊，楊立軍，等.脈沖埋弧焊動態過程仿真模型的建立［J］.焊接學報，2005(4):9-12.Li Huan，Liu Qiong，Yang Lijun，et al.Simulation of pulse submerged arc welding dynamic process［J］.Transactions of the China Welding Institution，2005 (4):9-12.(in Chinese)

［4］ 何為，薛衛東，唐斌.優化實驗設計方法及數據分析［M］.北京:化學工業出版社，2012:35-41.

［5］中國機械工程學會焊接學會.焊接金相圖譜［M］.北京:機械工業出版社，1987:20-23.

(責任編輯:貢洪殿)

Technology analysis and optimization for double-sided pulsed submerged arc welding in the medium plate steel

Zhou Fangming1，Wang Weijian1，Wu Xingxiang2，Zhu Zhengxiang2

(1.Provinical Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China) (2.Shanghai Hulin Heavy Industry Co.Ltd.，Shanghai 201306，China)

The phenomenon of the undercut and incomplete penetration of the T-joint was studied in this paper.And by means of orthogonal experiment method，we optimize the main factors such as the pulse frequency，duty cycle，the base value/peak current in pulsed submerged arc welding.The weld geometry parameters were obtained by the macroscopic metallography and the best impact factor was achieved by taking the penetration as the evaluation index.The results showed that the pulsed submerged arc welding process based on orthogonal experimental design can well solve the problem of the undercut and gouging in T-joints and improve the welding quality.

orthogonal experimental design;pulsed submerged arc welding;T-joint;double-sided welding; welding process

TG445

A

1673-4807(2015)06-0521-04

10.3969/j.issn.1673-4807.2015.06.003

2015-05-30

產學研合作計劃基金資助項目(滬經信法(2013)353號);研究生科研創新計劃基金資助項目(SJLX-0489)

周方明(1964-)，男，教授，博士，研究方向為焊接設備與質量控制.E-mail:fangmingzhou@just.edu.cn

周方明，王偉建，吳興祥，等.中厚板雙面脈沖埋弧焊工藝分析及優化［J］.江蘇科技大學學報(自然科學版)，2015，29(6):521-524.