厚板窄間隙MIG 焊接工藝的變形與分析

明 燦， 馬春偉

（上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院， 上海201600）

0 引 言

厚鋼板在發(fā)電領(lǐng)域一直具有大量需求，隨著工業(yè)的發(fā)展，能源的產(chǎn)生越來(lái)越依賴發(fā)電設(shè)備，很多時(shí)候甚至需要在惡劣環(huán)境下服役［1－2］。 傳統(tǒng)的厚板都是使用多層多道焊接［3－6］，需要開(kāi)較大的坡口，坡口的形狀至關(guān)重要［7］，會(huì)導(dǎo)致大量焊接材料的浪費(fèi)、整體工件體積的增加，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致更大的凝固收縮力和殘余應(yīng)力［8］。 與其它焊接相比，窄間隙MIG焊接有焊縫截面積和坡口角度小、焊接效率高、節(jié)約焊材、熱輸入小且冷卻迅速等優(yōu)點(diǎn)。 但是，由于焊接殘余應(yīng)力的存在，焊接構(gòu)件中會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致其殘余變形，直接或者間接地降低構(gòu)件的承載能力。 特別是焊縫區(qū)域附近，較高的拉伸應(yīng)力促使結(jié)構(gòu)脆性斷裂，也可能導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度惡化和減少結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 正是由于焊接殘余應(yīng)力的復(fù)雜多樣性等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在這方面作了大量的研究工作，也取得了一定成就。 但是，這些研究往往集中于薄板和中厚板，對(duì)厚板焊接殘余應(yīng)力的研究還缺乏一定的實(shí)驗(yàn)樣本。 同時(shí)，由于測(cè)量技術(shù)的限制，準(zhǔn)確獲得厚度方向上的殘余應(yīng)力仍然很困難。 因此，研究厚板焊接殘余應(yīng)力，具有重要意義。 所以，采用窄間隙MIG 代替多層多道焊，一層只焊接一道，可解決這些問(wèn)題，從而帶來(lái)更好的機(jī)械性能和焊接效果。

1 研究?jī)?nèi)容與試驗(yàn)方法

窄間隙焊接過(guò)程中，隨著焊接量的增多，會(huì)產(chǎn)生變形，研究變形對(duì)于坡口間隙的預(yù)留具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，如果預(yù)留間隙過(guò)窄，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人焊槍被卡的嚴(yán)重問(wèn)題，若預(yù)留過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)導(dǎo)致焊材填充的浪費(fèi)。 因此，本文通過(guò)測(cè)量和記錄距離的數(shù)值并做圖標(biāo)探究應(yīng)變的規(guī)律，研究變形的趨勢(shì)和規(guī)律對(duì)后期研究殘余應(yīng)力具有重要的指導(dǎo)意義。

焊接過(guò)程中，焊接接頭中心處的溫度可達(dá)到1500 攝氏度左右。 溫度場(chǎng)和熱循環(huán)將導(dǎo)致焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)受熱不同，從而發(fā)生變形，冷卻后不能恢復(fù)，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 因此，在窄間隙焊接工藝中，為解決殘余應(yīng)力導(dǎo)致的殘余變形，需增加適當(dāng)?shù)姆醋冃伍g隙。

本文實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為Q235A 的碳素結(jié)構(gòu)鋼材。焊絲型號(hào)為TG－S2CMH，直徑為1.2 mm，外通稀有氣體保護(hù)氣。 實(shí)驗(yàn)中選用Cloos 機(jī)器人進(jìn)行焊接操作，焊嘴寬度為17 mm。 由于窄間隙MIG 焊接的工藝較為精密，對(duì)試塊試樣具有一定的尺寸要求，側(cè)壁焊接面要達(dá)到粗糙度25。 焊接前，將試樣空出一段間隙對(duì)接放在一起，坡口最下方寬度略小于上方寬度，間隙長(zhǎng)度為20mm、母材每塊的規(guī)格為50×150×400 mm。

裝配前，先進(jìn)行表面的打磨，去除表面的有機(jī)層、紙片、標(biāo)簽和鐵銹。 為方便固定，在焊接試板的兩端需要10mm 的倒角。 裝配時(shí)，用C 型夾具、磚塊，并使用定位試塊進(jìn)行固定位置操作，固定后進(jìn)行打底焊操作。 打底焊結(jié)束后，再次去除表面的夾層，翻面放到工作臺(tái)上，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱的方法采用熱電耦，用紅外線測(cè)溫儀器測(cè)出焊接試樣底部中心位置為150 攝氏度左右時(shí)，預(yù)熱完畢。 預(yù)熱完成后，進(jìn)行MIG 厚板填充，焊接電弧由左側(cè)逐漸向右側(cè)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了焊縫填充和側(cè)壁融合。 本文中板厚50 cm，焊接層數(shù)為11 層，第一層為打底焊，頂層為蓋面焊，其余中間填充為9 層。 其中，中間填充的焊接參數(shù)如表1 所示.擺速、氣流、角度填充過(guò)程中基本平穩(wěn)，焊接電流、焊接電壓基本呈穩(wěn)定式先增后降的趨勢(shì)。

表1 填充過(guò)程中焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding process parameters during filling

2 試驗(yàn)分析

2.1 變形理論分析

由于應(yīng)力與應(yīng)變存在密切關(guān)系，焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力直接導(dǎo)致變形。 一般用盲孔法測(cè)量，應(yīng)變片上的線連接部分的金屬方向夾角為45°，如圖1 所示。 理論依據(jù)［9］如下：

其中：ε1、ε2、ε3表示三個(gè)方向釋放應(yīng)變；σ1、σ2表示最大、最小主應(yīng)力；E 表示材料彈性模量；A、B表示兩個(gè)釋放系數(shù)，該系數(shù)與鉆孔的孔徑、應(yīng)變和尺寸、孔深有關(guān)。

圖1 盲孔法測(cè)量應(yīng)變圖Fig.1 Blind hole method for measuringstrai

2.2 焊接熱循環(huán)與熱積累效應(yīng)

厚板焊接時(shí)，在輸入熱不是很大的基礎(chǔ)上， 殘余應(yīng)力較低。 由于不均勻的熱膨脹，焊縫冷卻收縮時(shí)受周圍母材的約束， 不能自由收縮而受到壓應(yīng)力。 焊接過(guò)程中，由于熱循環(huán)，每焊接一層，焊縫金屬及附近的熱區(qū)域都會(huì)發(fā)生殘余變形。 隨著焊接層數(shù)的累積，變形程度越來(lái)越大。 從焊接變形的理論角度看，短時(shí)間內(nèi)的大量熱輸入會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力與應(yīng)變。

2.3 變形標(biāo)點(diǎn)測(cè)量分析

2.3.1 焊接熱循環(huán)與熱積累效應(yīng)

厚板焊接的時(shí)候， 在輸入熱不是很大的基礎(chǔ)上， 殘余應(yīng)力低。 焊接過(guò)程中不均勻的熱分布和多層的累計(jì)變形是主要原因。 由于不均勻的熱膨脹，焊縫冷卻后收縮時(shí)受周圍母材的約束， 不能自由收縮而受到壓應(yīng)力。 焊接過(guò)程中，由于熱循環(huán)，每焊接一層，焊縫金屬及附近的熱區(qū)域都會(huì)發(fā)生殘余變形。焊接變形指的是焊件由于溫度差異出現(xiàn)的外形大小的改變。 隨著焊接層數(shù)的累積，變形程度越來(lái)越大。可以將這種變形視作角變形。 從焊接變形的理論角度看，短時(shí)間內(nèi)的大量熱輸入會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力與應(yīng)變。

2.3.2 變形標(biāo)點(diǎn)測(cè)量分析

為此，選點(diǎn)測(cè)量五組焊縫間頂部以及同一高度的五組對(duì)稱點(diǎn)的距離。 頂部：取左邊母材靠近焊縫的頂部側(cè)棱的中心點(diǎn)為A0點(diǎn)，沿平行于焊接方向每50 mm 取一個(gè)點(diǎn)，分別為A－2，A－1，A0，A1，A2共五個(gè)點(diǎn)。 以此相對(duì)應(yīng)右邊對(duì)側(cè)的母材為B－2，B－1，B0，B1，B2五個(gè)點(diǎn)。 某點(diǎn)：打底焊并預(yù)熱完畢后，取左邊母材右下棱的中點(diǎn)為C0， 右邊母材左下棱中點(diǎn)為D0。 沿著平行焊縫方向，與上述同理，標(biāo)注左邊母材點(diǎn)為C－2， C－1， C0， C1， C2， 右邊母材為D－2，D－1， D0， D1， D2，如圖2 所示。

圖2 標(biāo)點(diǎn)示意圖Fig.2 Calibration diagram

2.4 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

為了分析和驗(yàn)證規(guī)律的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)采用第7 層偏上的位置，因?yàn)榈? 層數(shù)據(jù)量較為全面，至少能有7 組變形數(shù)據(jù)，而且離頂層也有一定距離具有一定的參考價(jià)值。

由數(shù)據(jù)折線圖可知，隨著焊接層數(shù)的增加，無(wú)論是頂間隙，還是其中的某一層的間隙都會(huì)呈減小趨勢(shì)，測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖3、圖4 所示.所以，固定焊前要預(yù)留比焊嘴寬度稍大一些的距離以防出現(xiàn)卡槍。 從圖5、圖6 中可見(jiàn)，－2 點(diǎn)位到2 點(diǎn)位的間隙呈擴(kuò)大趨勢(shì)，說(shuō)明穩(wěn)定焊接過(guò)程中由于熱輸入，會(huì)導(dǎo)致靠近起弧區(qū)比遠(yuǎn)離起弧區(qū)的變形程度低。

圖3 AB 點(diǎn)距離隨著焊接量變化的示意圖Fig.3 Distance change of AB during welding

圖4 CD 點(diǎn)距離隨著焊接量變化的示意圖Fig.4 Distance change of CD during welding

圖5 同層不同位置的AB 點(diǎn)距離Fig.5 Different distance of AB in the same layer

圖6 同層不同位置的CD 點(diǎn)距離Fig.6 Different distance of CD in the same layer

3 結(jié)束語(yǔ)

本文用CLOOS 機(jī)器人，在側(cè)壁融合上進(jìn)行了一定進(jìn)展，此方法具有線能量低以及熱影響區(qū)小的優(yōu)點(diǎn)。 通過(guò)焊接前，設(shè)計(jì)一個(gè)較小角度的反變形來(lái)滿足焊接后成型良好的需要。 對(duì)兩個(gè)50cm 厚度的鋼板進(jìn)行了窄間隙MIG 填充，采用較為優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行較好的融合和填充。 在焊接過(guò)程中，對(duì)焊縫的頂部間隙量進(jìn)行測(cè)量，分析獲得在此工藝參數(shù)下，隨著焊接層數(shù)變化焊接接頭變形的規(guī)律，并驗(yàn)證了預(yù)留一定反變形的必要性。