陳致遠， 郭凱， 王猛， 魏艷紅， 曹承明， 童志武

(1.南京航空航天大學，江蘇 南京210000；2.美的集團，廣東 佛山 528000)

0 前言

電熱水器作為薄壁壓力容器，對強度及耐腐蝕性有很高的要求[1]。搪瓷鋼是第三代熱水器內膽材料，具有較好的防腐性、耐壓性和密封性，已在市場廣泛使用[2-3]。電熱水器搪瓷鋼內膽縱縫等離子弧焊(PAW)是電熱水器內膽制造過程主要焊接工藝之一[4-5]，熱水器行業由于缺少相關的焊接工藝評定標準，一般很少進行嚴格的評定，焊接工藝規范化水平低，造成內膽焊接工藝范圍寬，焊縫質量波動大，導致縱縫經常成為內膽開裂漏水的主要區域。

焊接工作者針對搪瓷鋼內膽進行了廣泛深入的研究，取得了可喜的成果。韓建波[6]及王興國[7]分別針對1.8 mm厚度BTC330R搪瓷鋼內膽縱縫焊接，進行焊接試驗、性能測試及有限元仿真分析，優化了內膽縱縫焊接參數，提高了縱縫性能。Puoza等人[8]對比研究內膽搪瓷前后縱縫微觀組織、顯微硬度及殘余應力等的變化，證明搪瓷可以降低顯微硬度及殘余應力，提高縱縫性能。楊崢等人[9]對電熱水器內膽縱縫開裂進行了研究，通過斷口掃描及微觀組織分析，表明焊縫與母材夾角處組織應力及水壓帶來的應力集中是導致內膽縱縫開裂的主要原因。蔡得濤等人[10]針對薄板進行等離子弧焊，對比研究自熔焊和填絲焊對接頭性能的影響，結果表明2種焊接方式接頭性能差異較小，填絲焊可以提高焊接速度，提高生產效率。對于熱水器內膽縱縫等離子弧焊接，較優的焊接工藝參數可以改善焊縫表面成形，提高接頭性能。為提高接頭質量的穩定性，開展焊接工藝優化試驗研究至關重要。

目前，電熱水器內膽多采用1.8 mm及以上的材料進行制備，激烈的市場競爭促使行業不斷尋求在保障可靠性的前提下降低成本[11]。對1.5 mm厚TC300搪瓷鋼焊接工藝進行研究，探討減薄的可行性具有重要的應用價值。

針對1.5 mm厚TC300搪瓷鋼內膽縱縫等離子弧焊工藝進行優化，開展多因素正交試驗，對比不同焊接工藝下焊縫成形質量，縮小焊接工藝參數范圍，并對成形質量較好的焊縫進行焊縫形貌觀察、金相組織分析、顯微硬度與拉伸性能測試、斷口掃描及疲勞性能試驗，探究接頭性能的可靠性。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為350 mm×150 mm×1.5 mm厚TC300冷軋搪瓷鋼，焊絲為直徑1.2 mm的ER50-6高強度焊絲。搪瓷鋼與焊絲化學成分見表1，力學性能見表2。

表1 TC300及ER50-6化學成分(質量分數 %)

表2 TC300及ER50-6力學性能

1.2 試驗設備及方法

所用的等離子弧焊焊接平臺由飛馬特Transmig-550i大電流等離子焊機搭配P+T自動焊接機器人組成，等離子噴嘴垂直于試板，送絲系統位于噴嘴下方。焊接平臺額定電流為550 A、額定電壓為380 V、等離子氣流量在0～10 L/min，保護氣體和離子氣體均為純度99.9%的氬氣。試驗裝置示意圖如圖1a所示。焊接時為防止試板焊接變形影響焊縫質量，將試板兩側用壓板裝夾，僅留出焊縫部分進行焊接。試板裝夾如圖1b所示。

圖1 等離子弧焊接裝置

焊前清潔試板待焊區域，焊絲伸出長度為12 mm。焊接正交試驗采用焊接電流、焊接速度及等離子氣流量作為正交因素，每個因素中取3個水平，進行9組試驗，并對焊縫表面成形進行評估，獲取較優試驗參數范圍，正交試驗焊接工藝參數見表3。

表3 3因素3水平正交表

2 試驗結果分析

2.1 正交試驗工藝優化

正交試驗焊縫成形結果如圖2所示。對于焊縫正面，1號、3號、5號焊縫表面有局部不均勻現象， 2號、4號、6號、7號及8號焊縫表面成形均勻；對于焊縫背面，1號、2號焊縫背透不明顯且成形較差，3號、4號、5號及7號焊縫未熔透，6號、8號焊縫背透充分，成形良好，9號焊縫明顯焊穿。

圖2 正交試驗焊縫表面成形

采用綜合評價的方法對焊縫成形質量進行量化評價，制定相應評價標準。沒有任何外觀缺陷的焊縫成形為50分，從焊接宏觀缺陷、焊縫表面成形質量、焊縫背面成形質量3個方面作為評價指標，各占20分、15分、15分，針對每項評價指標，分別設置滿分、半滿分和零分[12]。并通過極差分析法分析正交試驗方案評價結果，正交試驗工藝參數及評價結果見表4。

表4 正交試驗焊接工藝參數表

運用極差分析法對焊縫成形質量進行分析，Kij為第i列第j水平焊縫成形質量平均值；R為第i列3個水平的極差值，R越大則該因素對焊縫成形質量影響越大。

對比R值可知，焊接速度對焊縫成形質量影響最大，其次是焊接電流及等離子氣流量。對比Kij值，焊接速度為9 mm/s時，Kij值遠高于其他2個水平，等離子氣流量1.5 L/min與1.8 L/min的Kij值較高且接近，焊接電流145 A時Kij值較高，同時A2B3C1組合焊縫成形質量較好，因此優化焊接工藝參數范圍為：等離子氣流量1.5～1.8 L/min；焊接電流145～155 A；焊接速度9 mm/s。現對成形質量較好的6號焊縫進行力學性能測試。

2.2 焊縫宏觀形貌

使用DK7740型線切割機床從焊接件上切取金相試樣，對試樣進行研磨與拋光。采用4%硝酸酒精對金相試樣進行腐蝕，焊縫截面宏觀形貌如圖3所示。經測量知焊縫寬度為4.64 mm，焊縫高度2.60 mm，焊縫成形系數適中，焊縫內部無明顯焊接缺陷，母材與焊縫界線清晰，焊縫整體飽滿，焊趾處過渡平滑。

圖3 接頭宏觀形貌

2.3 微觀組織分析

在YJ-2006B光學顯微鏡上進行金相組織觀察，接頭金相組織如圖4所示。圖4a為試件接頭母材金相組織，母材組織以鐵素體為主，夾雜少許珠光體，組織細致，塑性韌性較好；圖4b為試件接頭熔合區金相組織，可以看出靠近熔合線左側組織受到焊接熱輸入高溫影響，發生固態相變，鐵素體較母材更加粗大，靠近熔合線處形成片狀珠光體組織，熔合線右側主要為針狀鐵素體，同時伴有側板條鐵素體沿晶界析出；圖4c、圖4d為試件接頭焊縫金相組織，主要由針狀鐵素體組成，同時存在少量的先共析鐵素體及板條馬氏體。

圖4 接頭金相組織

2.4 顯微硬度

采用 HXS-1000AC顯微硬度計測試焊接接頭的顯微硬度，載荷為 2.94 N，保載時間為 15 s，測試點步長為 0.5 mm，接頭顯微硬度曲線圖如圖5所示。由圖可知，顯微硬度從母材到熱影響區到焊縫依次增大，焊縫硬度平均值為213.4 HV，熱影響區硬度平均值為171.1 HV，母材硬度平均值為142.2 HV，焊縫硬度較母材硬度高出50.1%，熱影響區硬度較母材硬度高出20.3%，焊絲中碳及合金元素的添加使得焊縫硬度較母材有所上升。

圖5 接頭顯微硬度曲線圖

2.5 拉伸性能

參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》制備焊接接頭拉伸試樣并進行拉伸性能測試。切取接頭拉伸試樣，用超聲波清洗機將試樣清洗干凈，拉伸測試采用KY-100KN萬能試驗機，拉伸速率為2 mm/min，試驗前打磨焊縫兩側余高以便測量截面尺寸，拉伸試樣尺寸如圖6所示。

圖6 接頭拉伸試樣尺寸示意圖

共進行4組接頭拉伸測試，結果如圖7所示。4組接頭拉伸試樣均斷于母材，母材斷裂位置有明顯頸縮，接頭焊縫處無明顯變形，表明接頭強度要高于母材強度。

圖7 拉伸測試斷裂結果

接頭拉伸測試數據見表5。拉伸樣平均抗拉強度為417.6 MPa，平均斷后伸長率為25.0%。接頭拉伸試樣數據穩定，無明顯偏差，試驗結果穩定可靠，接頭焊縫在拉伸靜載荷下可靠性高于母材。

表5 拉伸試樣

對拉伸試樣進行斷口掃描，斷口形貌如圖8和圖9所示。斷口處表現為典型的單軸拉伸塑性斷口，在較高放大倍數下呈現出明顯韌窩，拉伸件屬于塑性斷裂。

圖8 拉伸試樣低倍斷口形貌

圖9 拉伸試樣高倍斷口形貌

2.6 疲勞性能

參照GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗》設計并加工疲勞試樣，尺寸如圖10所示。

圖10 接頭疲勞試樣尺寸示意圖

在MTS液壓伺服疲勞試驗機上對其疲勞性能進行測試。試驗采用載荷控制方式，應力比r=0.1，頻率為 20 Hz，正弦波載荷。試驗時按設定的循環載荷加載，直至試件斷裂失效，或者達到設定的循環數，記錄每個試驗件的斷裂壽命Nf。試驗設置7組循環載荷，從大到小分別是370 MPa，360 MPa，350 MPa，340 MPa，330 MPa，315 MPa及295 MPa，每組載荷測試至少3個平行試樣，以獲得S-N曲線，部分接頭疲勞試驗結果如圖11所示。由圖可知，接頭疲勞試樣斷裂時均位于焊縫處，表明接頭焊縫疲勞性能弱于母材，熱水器內膽使用過程中，內膽縱縫處有可能因疲勞導致失效。

圖11 接頭疲勞試驗結果

運用線性回歸方程和最小二乘法擬合S-N曲線，獲得S-N曲線對數表達式為：

lgσ= 2.789-0.046 3lgNf

(1)

以疲勞壽命Nf為橫坐標，以循環載荷σ為縱坐標，TC300搪瓷鋼等離子弧焊接頭S-N曲線如圖12所示。

圖12 疲勞試驗結果擬合接頭S-N曲線

將行業許用壽命1×105周次帶入S-N曲線對數表達式，計算得出疲勞載荷為361 MPa，遠大于水壓測試載荷，滿足行業要求。

3 結論

(1)通過極差分析法得出影響焊縫成形質量的因素依次為焊接速度、焊接電流及等離子氣流量，對比正交試驗方案下的焊縫表面成形及Kij值，優化內膽縱縫等離子弧焊工藝范圍為：等離子氣流量1.5～1.8 L/min；焊接電流145～155 A，焊接速度9 mm/s。

(2)焊縫內部無明顯缺陷，母材與焊縫界線清晰，接頭焊縫飽滿，焊趾處過渡平滑，焊縫區組織主要為針狀鐵素體。

(3)焊縫顯微硬度較母材硬度高出50.1%，接頭拉伸測試時斷于母材處，母材處有明顯頸縮，焊縫抗拉強度高于母材。

(4)疲勞試樣斷裂時均斷于焊縫處，焊縫疲勞性能弱于母材，擬合出接頭S-N曲線，計算得出內膽壽命高于1×105周次時，載荷應小于361 MPa，遠大于水壓脈沖測試載荷，表明接頭疲勞性能滿足行業要求。