薄板不銹鋼旁路分流雙面電弧高速焊接工藝分析

張政，苗玉剛，吳一凡，孫宏偉，劉超

(1.哈爾濱工程大學,哈爾濱 150001;2.中國船舶重工集團第七一六研究所,江蘇 連云港 222000)

0 前言

船舶行業對鋼材的需求量大，體現在船舶的各個領域，例如船舶結構件、海工平臺等多種關鍵結構位置[1]，而這些船用結構的連接都需要高效的焊接工藝來完成。船用鋼的焊接工藝發展對船舶行業的發展有著直接的推動作用，提高焊接效率意味著節約成本，改善焊接質量更是意味著更高的安全性以及更長的使用壽命[2]。因此改進原有焊接工藝，或是發明新的焊接工藝以提高焊接效率、改善焊接質量的意義重大。傳統的焊接方法無法解決提高熔敷率與減少熱輸入的矛盾[3]，在高熱輸入的焊接條件下，會出現各種如咬邊、塌陷、焊縫不連續等缺陷。而采用先進的現代焊接技術，雖然能在一定程度上減少缺陷，得到成形良好的焊縫，但是其焊接設備相當昂貴[4]。因此改進傳統焊接工藝以降低焊接成本成為了人們關注的熱點。

國外學者針對傳統焊接工藝的改進開展了大量的研究，以期實現在保證焊接質量的同時，提高焊接速度并降低焊接成本。2001年美國肯塔基大學的Zhang[5]提出了單電源雙面電弧焊(double-sided arc welding)工藝，在焊接過程中，等離子弧變得更加集中，并且雙面電弧焊具有減小熱輸入、控制熱影響區等方面的優點。但是該工藝在薄板高速焊接過程中，其電弧穩定性難以控制，且容易出現熔池塌陷和焊穿等缺陷[6]。肯塔基大學Li等人[7]對雙旁路高熔敷率的電弧MAG焊系統做了大量的前期工作，雙旁路GMAW方法的提出有著重要的意義，與單旁路GMAW方法比較，雙旁路電弧最大的特征在于可以使熔滴受力對稱均勻。

為減少焊接過程中的熱輸入和增大熔敷率，杜晶晶等人[8]提出了薄板不銹鋼旁路分流雙面焊接的方法，在提高總電流、增大熔敷率的同時，減少了流經母材的電流，降低了對母材的熱輸入，并增加了焊接速度，提高焊接效率，建立了整套的薄板不銹鋼高速焊接系統，探究了焊接速度對焊縫成形及接頭形貌的影響，并結合微觀組織和力學性能，對改進工藝的焊接接頭性能進行了研究。

1 試驗方法

采用2 mm厚的304不銹鋼作為試驗材料，板材尺寸為180 mm×50 mm×2 mm，焊絲選擇為同質的304不銹鋼，焊絲直徑為1.2 mm。試驗材料化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 304不銹鋼的化學成分(質量分數，%)

表2 304不銹鋼的物理和力學性能

薄板不銹鋼高速焊接系統由YD-500AG2型MIG焊機和YC-300WX4型TIG焊機分別作為主路和旁路，同時在板材背部加入副TIG焊槍，還包含了電流電壓監測裝置和焊接行走機構等部分，試驗原理示意圖如圖1所示。旁路分流雙面電弧焊基本原理：采用加大焊接電流的方式提高焊接速度，為防止因電流過大而使焊縫出現咬邊、較大變形等缺陷，通過正面加入TIG焊槍進行旁路分流，流經MIG焊槍的總電流I被分成了旁路流回焊接電源的旁路電流Ip和流經背部副TIG槍的Im[9]。通過探究不同旁路電流和焊接速度對焊縫成形的影響，使得電弧在速度提升的同時依舊保證穩定性，并且消除由于電流較大帶來的焊接缺陷[10]。

圖1 試驗原理圖

2 試驗結果及分析

2.1 焊接速度對焊縫成形的影響

為使不銹鋼薄板焊接效率提升，通過旁路分流雙面電弧焊接工藝方法，對焊接過程中的熱輸入達到準確調控的目的，從而在保證熱輸入前提下，提升焊接速度。試驗中對2 mm的304不銹鋼焊接中的旁路分流與焊接速度的關系進行了工藝特性分析，通過前期的工藝試驗基礎，試驗參數設定為正面主路MIG電流110 A，主路電壓32 V，正面TIG旁路電流分別為35，45和55 A，表3為試驗工藝參數。通過成形良好的焊縫獲得相應的焊接速度，圖2為不同旁路分流狀態下焊縫成形。

表3 試驗工藝參數

圖2 不同旁路分流狀態下焊縫成形

通過增大旁路電流可以減小母材的熱輸入，進而加快焊接速度，通過工藝試驗得到3組焊縫，其焊接速度可以隨著旁路電流Ip逐漸增大，當Ip=45 A時獲得成形最優的焊縫，Ip=35 A時焊縫出現明顯的鋪展不充分，而Ip=55 A時焊縫出現了咬邊缺陷，因此旁路分流的值需要控制在一定范圍內，超過這個范圍則會產生電弧耦合不好等現象[11]。由以上可以得出，旁路電流設置為45 A、焊接速度為0.87 m/min時可獲得成形美觀的焊縫。

2.2 旁路分流對焊縫成形的影響

為驗證薄板不銹鋼高速焊接系統對焊接速度的提升效果，對2 mm的304不銹鋼進行正交試驗。焊接中選用的試驗參數為主路電流110 A，主路電壓32 V，焊接速度0.87 m/min，正面TIG鎢極距離母材4 mm，MIG導電嘴距離母材12 mm，背面TIG鎢極距離母材3 mm，獲得成形良好的焊縫。圖3是旁路分流后焊接接頭的形貌，圖4和圖5為分流后焊接接頭宏觀和微觀形貌。

圖3 旁路分流及無分流狀態下焊縫成形

圖4 薄板高速焊接對接接頭宏觀形貌

圖5 最佳工藝參數下對接接頭微觀組織形貌

圖3為有無旁路的條件下焊縫的外觀成形，從焊縫的正面形貌分析得知，有旁路分流存在時，焊縫成形均勻，無塌陷，咬邊等缺陷。當撤去旁路時，主路電流增大，而焊縫出現塌陷等情況。撤去旁路時，流經母材的電流變大，增大了母材的熱輸入，可以觀察到背面的電弧會變更加明亮。薄板不銹鋼高速焊接中引入旁路分流雙面電弧焊的工藝對于消除焊縫缺陷有較大的優勢[12]，并且由于旁路電流的引入，增加了焊絲的熔敷率，使得整體效率得到提升。

由圖4可以看出，薄板高速焊接對接接頭宏觀形貌中無明顯的焊接缺陷，整個焊縫成橢圓形，可以清晰地看出熱影響區沒有缺陷。可以驗證旁路分流在保持焊絲較高熔敷率的同時，降低作用于母材的熱輸入，是一種高效、低熱輸入的焊接方法[13]，并且通過焊縫背部的熔深可以看出，在旁路分流雙面焊接時，背部熔深增加，提高焊接速度的同時實現焊縫的熔透。

圖5通過VHX-1000E型超景深光學顯微鏡觀察得到接頭微觀金相組織，可以觀察到焊接熔合區明顯，熔合線清晰可見。母材區呈現典型軋制態晶粒，焊縫一側呈現鑄造態晶粒[14]，且有外延生長趨勢。在焊縫一側，晶粒取向基本垂直熔合線，直到焊縫中心。在熱影響區與熔合區交匯處靠近焊縫一側，由于溫度較高，晶粒將再次生長，觀察上下表面可發現，靠近焊縫底部的部分，由于有銅墊板的存在，冷卻速度較快，晶粒在過冷度較大的環境下晶粒數目增多，晶粒尺寸繼續細化[15]，而焊縫中上部分因為冷卻速度慢，晶粒尺寸較大。

2.3 力學性能

用型號CSS-44300萬能試驗機對接頭進行拉伸試驗，拉伸速度為4 mm/min。為了保證拉伸試驗的合理性，取同一焊縫上寬度約為10 mm的3個試件做測量，最后對試驗結果取平均值。圖6為薄板旁路分流雙面電弧高速焊接對接接頭拉伸曲線及拉伸件斷裂位置。

圖6 焊接接頭的拉伸曲線及斷裂位置

304不銹鋼母材的抗拉強度為520 MPa，根據拉伸試樣結果得到焊接接頭抗拉強度平均值為618 MPa，約為母材抗拉強度的118.85%；通過微觀組織分析得出，由于該工藝方法降低了焊接過程中的熱輸入，有效防止了接頭脆化現象，奧氏體晶粒得到明顯細化，并根據拉伸試樣可以看出斷口在母材處，證明焊縫強度符合接頭應用的力學指標，驗證了旁路分流雙面焊接系統在選擇良好的參數范圍后，一方面可以提高焊接效率，另一方面增大了填充金屬的熔敷效率，消除了焊縫區內的焊接缺陷，提高了接頭的力學性能。

3 結論

(1)通過搭建薄板高速焊接系統，旁路分流雙面電弧焊的焊接工藝可以用于焊接2 mm板厚的304不銹鋼，并通過工藝試驗得到穩定的焊接過程和良好的焊縫成形，在引入適當的旁路電流后，進一步提升焊接效率，并實現0.87 m/min的焊接速度。

(2)通過對比試驗，對旁路分流與焊縫成形進行了試驗分析，得到在主路電流110 A的條件下的最佳旁路電流為45 A，并分析了焊接缺陷的形成原因。對焊接接頭進行了宏觀形貌和微觀組織分析，驗證了該工藝方法無明顯缺陷。

(3)薄板高速焊接系統得到的焊接接頭抗拉強度達到了618 MPa，為母材抗拉強度的118.85%，斷裂位置發生在母材，焊縫的力學性能達到接頭應用的力學指標。