旋弧磁場控制空心螺柱焊工藝試驗研究

王以珅，張德庫，王嘉煒，張安邦，王克鴻

(南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

空心螺柱焊接技術在大型裝甲車輛、橋梁結構以及深水壓力倉的制造領域中應用相當廣泛，螺柱的焊接質量直接影響到產品的可靠性?？招穆葜咎幱趶娂羟械墓ぷ鳁l件下，改善和提升螺柱的力學性能一直是該領域的研究熱門。河海大學張景璋等[1]基于正交試驗法，通過改變焊接時間、焊接電流和提升螺柱高度這三種因素研究了對焊接接頭組織性能的影響，得到了接頭力學性能最佳的焊接工藝參數，還可利用數字化焊接數據庫和工藝自動化設計系統進行最佳工藝參數的研究。

在螺柱焊接過程中，電弧有燃燒母材產生焊接熔池、攪拌熔池的作用，焊接電弧與焊接端面的覆蓋率便成為焊接接頭成型質量的關鍵因素。關于輔助磁場對于電弧和焊接接頭組織影響，國內外學者開展了很多研究。哈爾濱工業大學WANG J F等[2]研究了在低頻脈沖氣體鎢極電弧焊施加交變磁場的磁場在狹窄間隙下對焊縫形態、微觀組織以及電弧形態的影響。俄羅斯科學院Budker核物理研究所的ALYAKRINSKIY O N等[3]面對在穩定工藝參數下電子束焊縫熔深波動損害焊接接頭力學性能的問題，研究了磁場對電子束焊接熔深的影響。YAN F等[4]研究了在外加磁場輔助下的鍍鋅鋼/鋁合金異種金屬激光焊，采用光學顯微鏡研究磁場對焊縫外觀和顯微組織演變的影響。CHEN R等[5]研究了在磁場作用下激光/MIG復合熱源對不銹鋼焊接接頭的強化機制。SUN Q J等[6]研究磁場對采取CMT鋁鈦合金異種焊接融滴過度的影響。

上述文獻研究了磁場對于多種填充金屬電弧焊接接頭性能的影響，卻缺乏旋弧磁場對螺柱焊接接頭性能影響的研究。本文針對直徑12 mm的空心螺柱在焊接過程中出現的未焊合、氣孔和偏弧等焊接缺陷以及熔池內涌燒損內螺紋等問題，提出磁控旋弧焊接理論，在焊接磁場下進行焊接，檢測觀察焊接接頭的力學性能與微觀組織，為螺柱焊在實際生產中的應用提供理論支持。

1 實驗材料與方案

本文所研究的機器人螺柱焊目前主要應用在特種裝甲車的制造中，試驗用的空心螺柱材料選用Q235鋼，其外徑Φ12 mm、內徑Φ6 mm、高20 mm，焊接板材是厚度6 mm的616中厚中碳調制高強鋼(616裝甲鋼)，此材料的化學式為30CrNiMoNb，其質量分數如表1所示。

表1 30CrNiMoNb鋼的質量分數表 單位：%

由于外徑12 mm的空心螺柱尺寸偏大，焊接的過程中需要使用陶瓷環進行保護，陶瓷環尺寸與所焊螺柱的尺寸相匹配。使用型號為YAW-2000F型危機控制點液伺服壓力萬能試驗機對焊后所得到的螺柱焊件進行抗剪實驗。剪切方案中的剪切力與螺柱中軸線方向垂直。分析焊縫金相及成分組織所用的腐蝕劑濃度為4%的硝酸酒精溶液，觀察焊縫接頭的顯微組織時使用的儀器型號為OLYMPAUS BX60M的金相顯微鏡。使用FEI Quanta 250F場發射環境掃描電鏡對試樣進行SEM、EDS分析；最后對焊縫接頭進行硬度分析。

2 Ф12 mm空心螺柱焊工藝試驗結果分析

2.1 工藝試驗

進行空心螺柱旋弧工藝實驗，確定主要影響焊接質量的3個因素：焊接電流I、焊接時間T以及旋弧電壓u。焊接基本參數：預焊時間為60 ms，拉弧高度3.5 mm，預壓深度4 mm，空心螺柱外徑12 mm，內徑6 mm，螺柱高度20 mm。實驗設定焊接電流I的水平數為4個，分別為500 A、600 A、700 A、800 A；焊接時間T的水平數也為4個，分別為200 ms、300 ms、400 ms、500 ms；旋弧電壓u為4 V、5 V、6 V、7 V 4個工藝參數水平，共3個變量，每個變量4個水平。分別進行以旋弧電壓、焊接電流和焊接時間為變量的螺柱焊工藝試驗，并對所得到的焊接接頭進行抗剪強度測試，從而得到Ф12 mm空心螺柱焊接的最佳工藝參數。

2.2 旋弧電壓對接頭性能的影響

在不同強度磁場的作用下，同樣的電弧受到的洛倫茲力大小會有不同，從而導致電弧發生旋轉的旋轉半徑會有不同。保持焊接電流700 A和焊接時間400 ms不變的情況下，將旋轉電弧的電壓設為0 V、4 V、5 V、6 V、7 V，得到5種旋弧電壓下的焊接式樣如圖1所示。

圖1 不同旋弧電壓的螺柱焊外觀成型

從圖1可知，無磁場時由于電弧的“黏滯”特性及螺柱尺寸過大，電弧難以在整個端面進行擴展，偏弧現象嚴重；另外由于電弧集中一處燃燒，對熔池的沖擊作用較大，容易引起熔化的金屬液體涌入螺柱空心內部，從而造成內涌現象，使得接頭熔合不良，抗剪強度小。逐漸增大旋弧磁場至4 V～5 V，電弧受到磁場力的作用，圍繞著螺柱端面進行旋轉運動。由于電弧燃燒較為均勻，對熔池的沖擊較弱，加上磁場對于電弧具有一定的外擴作用，使得內部熔池上涌減弱。內涌高度約為3 mm～5 mm，螺柱與母材間形成了較為完整的焊縫，抗剪強度逐漸增大。當旋弧電壓增加至6 V時，在磁場力的作用下，電弧在整個螺柱端面上快速運動，螺柱熔化均勻，成型凸臺美觀，此時抗剪強度達到最大。若繼續增加電壓至7 V，由于磁場強度過大，電弧的起弧受到磁場力的干擾，導致起弧困難；同時，過大的磁場使得電磁攪拌作用過大，焊接過程不穩定，飛濺較多，成形較差，接頭抗剪強度下降。剪切強度與旋弧電壓的關系曲線如圖2所示。

圖2 旋弧電壓與接頭強度的關系曲線

2.3 焊接電流對焊接接頭性能的影響

焊接電流會影響到焊接熱輸入的大小。保持焊接時間為400 ms，旋弧電壓為6 V不變，調節焊接電流為500 A、600 A、700 A、800 A來進行焊接工藝試驗，得到4個焊接式樣，其外觀如圖3所示。

圖3 不同焊接電流的螺柱焊外觀成型

當焊接電流設定為500 A時，并沒有出現偏弧現象。但是由于焊接電流過小，導致焊接熱輸入不足，熔池熔深不足，抗剪強度<200 MPa。隨著焊接電流從500 A逐漸提高，熔化量隨著熱輸入的增加而增加，直到電流為700 A時，焊縫完整，凸臺美觀，抗剪強度達到最大。但是當焊接電流為800 A時，其焊接熱輸入過大，并且焊接過程太過激烈，導致焊接過程中出現明顯的火花噴涌的現象，熔池內吸附現象嚴重，液滴飛濺到板材和螺柱的外表面上，影響了空心螺柱的正常使用，接頭抗剪強度下降。剪切強度與焊接時間的關系曲線如圖4所示。

圖4 焊接電流與接頭強度的關系曲線

2.4 焊接時間對焊接接頭性能的影響

焊接時間同樣影響著熔池的熱輸入與電弧的旋轉程度。保持焊接電流為700 A，旋弧電壓為6 V，只改變焊接時間，把焊接時間設定為200 ms、300 ms、400 ms、500 ms來進行焊接工藝試驗，得到4個焊接式樣，如圖5所示。

圖5 不同焊接時間的螺柱焊外觀成型

焊接時間僅為200 ms時，時間太短，電弧旋轉頻率過低，無法覆蓋整個焊接端面，同時時間過短導致熱輸入不足，接頭熔深過淺，成型質量不佳，抗剪強度只有170 MPa。隨著時間的增加，電弧開始旋轉，逐漸覆蓋整個焊接端面，偏弧現象逐漸消失，同時焊接熱輸入增加，接頭成型美觀，抗剪強度逐漸增大。直到焊接時間為400 ms，抗剪強度達到最大。但焊接時間過長，熔池內涌嚴重，且螺柱表面被氧化，抗剪強度下降。剪切強度與焊接時間的關系曲線如圖6所示。

圖6 焊接時間與接頭強度的關系曲線

經過3組不同影響因素下的工藝試驗最終得出的最佳工藝參數為：焊接電流700 A，焊接時間400 ms，旋弧電壓6 V,具體的焊接參數如表2所示。

表2 空心螺柱旋弧焊最優焊接參數表

對進行剪切試驗后的焊縫斷口進行分析，發現螺柱斷口試樣的斷裂處基本上在焊縫的熱影響區，而并沒有出現在焊縫處，說明焊縫的強度較高。對其中一個斷口進行分析，其宏觀形貌如圖7所示，微觀斷口如圖8所示。

圖7 宏觀斷口形貌

圖8 微觀斷口形貌

從圖7可以看出，由于電弧旋轉效果明顯，焊接熱輸入合適，接頭熔合完整，焊接時間充足，令熔池中的氣體充分排出，斷口處沒有明顯的氣孔，接頭成型美觀，凸臺飽滿。

從圖8可以看出，斷口中出現了大量的大小不一的韌窩，較大的韌窩周圍分布著眾多較小的韌窩，并沒有河流狀的花紋，可以判斷該斷裂形式為韌性斷裂。

2.5 硬度分析

使用硬度測試機對外徑12 mm的空心螺柱與616裝甲鋼在旋弧磁場條件下所得到的焊縫接頭進行硬度分布分析。

設置焊接電流為700 A和750 A兩組作為對照。進行硬度試驗時，其實驗條件為：載荷壓力1 kg，保壓時間10 s。兩組接頭硬度分布狀況如圖9所示。

圖9 旋弧螺柱焊焊接接頭硬度值曲線

從圖9可以看出，由于裝甲鋼板所用的合金材料硬度比Q235鋼高，螺柱側的硬度普遍低于裝甲鋼板側的硬度，焊縫處的硬度為整個焊接區的中值。裝甲鋼板側母材的硬度稍低于熱影響區的硬度，板材側熱影響區微觀組織主要為馬氏體與貝氏體，硬度很高。而焊縫處熔合了高強鋼與Q235鋼，且受熱最多，冷卻后晶粒粗大，硬度不佳。越接近焊縫，硬度越低；螺柱側熱影響區微觀組織主要為鐵素體與珠光體構成的魏氏組織，硬度較母材提高，故硬度值高于螺柱母材。整個焊接接頭硬度值的大小關系為：高強鋼側熱影響區>中高強鋼板>螺柱熱影響區>焊縫>螺柱。另外，盡管圖9(a)、圖9(b)表現了相似的規律，由于圖9(b)中采取的工藝參數更大，導致裝甲鋼板側熱影響區硬度值更高。

3 焊接接頭微觀組織分析

在最佳工藝參數下觀察剖面：焊接電流為700 A、焊接時間為400 ms、旋弧電壓為6 V、預焊時間為60 ms，其試樣剖面圖如圖10所示。使用了旋弧螺柱焊工藝焊接得到的焊縫雖然消除了偏弧導致未焊合現象，但是焊縫中仍會存在個別可見氣孔。

圖10 空心螺柱旋弧螺柱焊剖面圖

在焊接時間為400 ms、旋弧電壓為6 V的情況下，對焊接電流為700 A、800 A的鋼板側熱影響區組織進行分析。裝甲鋼板材與Q235螺柱的焊縫組織如圖11所示。焊縫主要由針狀馬氏體和羽毛狀上貝氏體組成。由于此時焊縫降溫時的溫度梯度較高，導致焊縫中馬氏體的數量比較多。在外加磁場的作用下，熔池電磁攪拌作用增加，改善了熔池流動性，接頭組織較致密，在無氣體保護而僅采用瓷環強制成形條件下，僅存在個別較小的氣孔。圖11(b)由于熱輸入更大，導致焊縫中的晶粒生長比較大，且馬氏體晶粒尺寸有一定長大。

圖11 焊縫區

裝甲鋼側熱影響區如圖12所示。由于該區域的溫度接近焊縫區溫度，同時，裝甲鋼的導熱性能良好，但是該區域的冷卻速度較大，焊后組織主要為馬氏體+鐵素體組織，所以此處組織的強度、硬度較高，但是韌性、塑性相對下降。

圖12 裝甲鋼側熱影響區

在無旋弧磁場的條件下焊接得到的焊接接頭偏弧現象嚴重，焊接端面熔化量非常不均勻，電弧在焊接過程沒有轉動，導致熔池區域晶粒過熱，冷卻后形成的馬氏體晶粒粗大，同時產生魏氏組織，力學性能不佳。在添加了旋弧磁場后，電弧在焊接過程中的旋轉運動充分攪拌熔池，擊碎了凝固形成的粗大柱狀晶，破碎的晶粒成為新的形核基礎，在冷卻時新相吸附在晶粒表面，從而達到細化晶粒的目的，力學性能大幅提高。

4 結語

本文主要進行了Ф12 mm空心螺柱與616裝甲鋼旋轉電弧螺柱焊焊接工藝實驗研究，得出以下結論。

1)對空心螺柱旋弧螺柱焊進行工藝試驗，得到了最佳工藝參數為焊接電流700 A、焊接時間400 ms、旋弧電壓6 V。在旋弧磁場的作用下，得到了消除焊接偏弧現象的美觀、飽滿、完整的焊縫，僅有少量氣孔出現在焊縫中。接頭抗剪強度最高可以達到314 MPa。

2)空心螺柱旋弧焊接頭焊縫各區域之間過渡自然，未發現夾雜、未焊合等缺陷。但是焊縫組織主要為馬氏體加貝氏體，在外加磁場的作用下，熔池流動性得到改善，晶粒得到細化。