Q345R鋼縱向磁場輔助K-TIG焊接接頭組織和性能研究

石永華 寧強 崔延鑫

摘要：采用K-TIG焊接可實現中厚板不開坡口一道焊透，單面焊雙面成形，焊接效率高、焊縫成形好。壓力容器常用的Q345R 鋼傳統焊接工藝需采用多層多道焊，效率較低、成本高。為拓展K-TIG焊接應用范圍，將外加縱向磁場與K-TIG 焊相結合，對Q345R鋼焊接接頭組織和性能進行研究。通過改變電磁場參數來探究磁場對焊縫成形、接頭微觀組織及力學性能的影響，為K-TIG焊接工藝的優化奠定理論基礎。

關鍵詞：K-TIG焊接;磁場輔助焊接;Q345R鋼

中圖分類號：TG457.11? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2020）09-0087-005

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.09

0? ? 前言

K-TIG焊接可實現中厚板不開坡口一道焊透，單面焊雙面成形，焊接效率高、焊縫成形好，因此在中等厚度（4～25 mm）不銹鋼、鈦合金等金屬焊接領域得到了廣泛應用[1，2]。Q345R 鋼作為壓力容器常用材料，對焊接接頭的沖擊韌性要求較高，必須達到國家標準的規定才能使用[3-4]。壓力容器用Q345R鋼一般厚度較大，采用傳統多層多道焊接雖能保證接頭力學性能達到國標要求，但也存在焊接效率低、成本高等問題。前期研究表明，10 mm以下厚度Q345R鋼K-TIG 焊接可不開坡口一道焊透，單面焊雙面成形，正反面焊縫成形良好，大大提高了焊接效率，但接頭的沖擊韌性偏低。

為改善K-TIG焊接接頭性能，天津大學劉祖明等在K-TIG焊槍周圍外加尖角磁場，電弧被壓縮成橢圓形，并在焊接方向上被拉長，達到完全熔透的閾值電流下降了30 A，但焊縫的組織和晶粒尺寸并無明顯的變化[5-6]。香港城市大學的Chen Rong[7-8]通過控制焊縫背面永磁體的位置來改變焊接區域中的磁場強度，將外部磁場應用于Al/Ti 異種金屬激光焊接，有效地提高了焊接接頭的拉伸強度。楊旭[9]對電磁控制TIG 焊的電弧特性及焊縫成形機理進行了研究，設計了雙L 型的橫向磁場磁頭與螺線管繞制的縱向磁場磁頭，并采用高速攝像對磁場控制下的焊接電弧行為進行觀測。結果表明：在縱向直流和低頻交流磁場作用下，電弧形態由錐形變為鐘罩形;在高頻縱向磁場作用下，電弧形態由錐形變為柱形。文中將K-TIG 焊技術與外加可控縱向電磁場相結合，在保證焊縫成形良好的情況下，通過改變電磁場的參數來探究外加縱向磁場對K-TIG焊接接頭的組織和沖擊韌性的影響，優化K-TIG焊接工藝，從而提高沖擊韌性。

1? ?試驗系統

外加縱向磁場輔助的K-TIG焊接試驗系統如圖1所示，主要包括兩部分：K-TIG 焊接系統和勵磁系統。

K-TIG焊接系統主要包括HTIG-1000型直流焊接電源、K-TIG 專用焊槍、冷卻水箱、氣瓶以及焊接機器人等部分。

研制的縱向磁場勵磁裝置如圖 2所示。勵磁系統包括變阻箱、勵磁波形調節裝置和勵磁裝置。由于K-TIG 焊接電流較大，電弧周圍溫度較高，為了保護勵磁導線免受高溫影響導致表皮熔化，采用耐高溫細漆包線作線圈;由于K-TIG 焊接熔池尺寸較大，在縱向磁場勵磁圓柱的外側增加了后拖勵磁磁柱，保證電弧后側的熔池還能受到較強的磁場作用。

焊接試驗用母材為Q345R鋼，尺寸300 mm×150 mm×10 mm。焊接電流500 A，焊接速度240 mm/min，鎢針尖端到工件的距離為2 mm，磁場頻率50 Hz，勵磁波形分別為半波、全波與普通正弦波，波形如圖 3所示。

2 縱向磁場的作用對焊縫組織的影響

縱向磁場作用下K-TIG焊縫的組織形貌如圖4所示。縱向磁場作用下鐵素體含量如圖 5所示，當勵磁波形為半波時，焊縫組織中鐵素體含量為43.5%，且鐵素體的形態大多以小塊狀分布，少量以條狀或者針狀形態分布（見圖4a）。當勵磁波形為全波時，焊縫組織中鐵素體含量為38%，鐵素體的形態多以針狀或者條狀分布（見圖4b）。當勵磁波形為正弦波時，焊縫組織中鐵素體含量降低至32.5%，鐵素體多以點狀分布在珠光體的基體上。

3 縱向磁場對焊縫晶粒尺寸的影響

不同勵磁波形縱向磁場作用下的焊縫晶粒尺寸分布如圖 6所示。由圖6可知，縱向磁場作用下焊縫的晶粒尺寸相對較小，數值集中分布在0～10 μm 的范圍內。其中當勵磁波形為半波時，單位面積內晶粒的數量相較于另外兩種勵磁波形下的更多，并且晶粒尺寸沿X 軸的分布更加集中。

4 縱向磁場作用下的焊縫沖擊韌性

縱向磁場作用下Q345R鋼K-TIG焊縫平均沖擊吸收功如圖 7所示。當縱向磁場勵磁波形為半波時，焊縫的平均沖擊吸收功最高，為53.6 J;而當勵磁波形為全波時，焊縫的平均沖擊吸收功數值居中;當勵磁波形為正弦波時，焊縫的平均沖擊吸收功為27.9 J。究其原因，是半波勵磁時勵磁頻率較低，產生的縱向磁場強度較強，其作用到熔池中的洛倫茲力較大，熔池受到的電磁攪拌效果較好，所以焊縫組織中鐵素體含量相應增高，晶粒尺寸也更加均勻，沖擊韌性值較高。而當采用全波或正弦波勵磁時，勵磁頻率較高，產生的縱向磁場強度較弱，其作用到熔池中的洛倫茲力也較小，熔池受到的電磁攪拌效果較弱，因此焊縫組織中鐵素體含量相應降低，晶粒尺寸較大，沖擊韌性值降低。

5 結論

建立外加縱向磁場輔助K-TIG焊接系統，并對Q345R鋼進行了焊接試驗，主要結論如下：

（1）縱向磁場作用下，當勵磁波形為半波時，焊縫組織中鐵素體含量最高，沖擊韌性也較好，達53.6 J。

（2）縱向磁場作用下焊縫晶粒尺寸相對較小，數值集中分布在0.2～10 μm的范圍內。

（3） 縱向磁場作用Q345鋼K-TIG焊縫組織中鐵素體含量依半波、全波、正弦波勵磁波形依次遞減。

參考文獻：

[1] 崔書婉. K-TIG焊接小孔行為及接頭組織與性能 的研究[D]. 華南理工大學， 2019.

[2] 梁斌， 崔延鑫， 石永華， 等. 深熔K-TIG焊接過程的?聲信號采集及特征分析[J]. 電焊機， 2018，? 48（10）：?94-97.

[3] 畢京璽， 魏傳樹，高慧， 等. 壓力容器制造中雙相鋼S22053與碳鋼Q345R的焊接工藝[J]. 金屬加工（熱加工），? 2019（06）： 78-79.

[4] 陳源昊. 國內某鋼廠壓力容器用鋼Q345R生產淺 析[J]. 中國金屬通報，? 2019（11）： 101-102.

[5] Liu Z， Chen S， Yuan X， et al. Magnetic-enhanced?keyhole TIG welding process[J]. The InternationalJournal of Advanced Manufacturing Technology， 2018，?99（1-4）： 275-285.

[6] Liu S， Liu Z M， Zhao X C， et al. Influence of cusp?magnetic field configuration on K-TIG welding arc penetration behavior[J]. Journal of Manufacturing Processes， 2020（53）： 229-237.

[7] Chen R. Effect of external magnetic field on themicrostructure and strength of laser-welded aluminum to titanium[J]. Journal of materials science， 2020， 55（9）： 4054-4064.

[8] Chen R.， Jiang P.， Shao X.，et al. Effect of static magneticfield on microstructures and mechanical properties of laser-MIG hybrid welding for 304 stainless steel[J]. Int. J. Adv. Manu. of Technol.， 2017（91）： 3437-3447.

[9] 楊旭. 電磁控制TIG 焊電弧特性及焊縫成形機理研究[D]. 遼寧： 沈陽工業大學， 2012.

Microstructure and property of K-TIG welded joints

based on external longitudinal magnetic fields for Q345 steel

SHI Yonghua， NING Qiang， CUI Yanxin

（School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China）

Abstract： Full penetration of mid-thickness metal with one pass welding can be obtained by K-TIG welding process. Single-sided welding and double-sided forming also can be performed， with high welding efficiency and good bead forming quality. Q345R steel is often used as pressure vessel metal， and has to be welded through multi-layer and multi-pass welding by a traditional welding process， which is low efficiency and high cost. In order to expand the application range of K-TIG welding， external longitudinal magnetic field is combined to K-TIG welding and the microstructure and mechanical properties of Q345R steel welded joints were studied. By changing the parameters of electromagnetic field， the influence of magnetic field on weld formation， joint microstructure and mechanical properties were studied. This study can lay a theoretical foundation for the optimization of K-TIG welding process.

Keywords： K-TIG welding; magnetic field assisted welding; Q345R steel