周方明，劉 威，王 賢，于洪戰(zhàn)

(江蘇科技大學(xué)江蘇省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江212003)

排氣閥是柴油機(jī)的主要零部件之一.其工作環(huán)境非常惡劣，為了提高使用壽命，通常需要在其表面堆焊一層高性能的材料.國(guó)內(nèi)外對(duì)排氣閥都有很深入的研究，如文獻(xiàn)［1］提出采用等離子噴焊修復(fù)排氣閥，提高質(zhì)量和效率.文獻(xiàn)［2］研究了機(jī)器人堆焊技術(shù).文獻(xiàn)［3］通過(guò)等離子弧焊堆焊超合金粉末，是目前排氣閥堆焊最有效的方法.文獻(xiàn)［4］使用激光在其表面堆焊兩種不同的鈷基粉末并研究?jī)煞N不同粉末形成的堆焊層特征.文獻(xiàn)［56］針對(duì)不銹鋼表面堆焊不同氣體保護(hù)焊工藝的稀釋率進(jìn)行對(duì)比分析，得出了采用混合氣體能獲得更好的工藝效果.文獻(xiàn)［7］從微觀方面研究了不銹鋼MIG焊接中遇到的焊接問(wèn)題.但國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)研究排氣閥凹槽的自動(dòng)化堆焊工藝的技術(shù)，故文中率先研究了排氣閥凹槽的自動(dòng)化堆焊技術(shù).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的閥門(mén)鋼SNCrW屬于高合金奧氏體不銹鋼，不銹鋼焊接時(shí)焊材選擇不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕、熱裂紋、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、焊縫成形不良等缺陷.所以選擇化學(xué)元素相近的材料Inconel718焊絲作為焊材.Inconel718是以體心四方Ni3Nb(γ)和面心立方Ni3(Al，Ti，Nb)(γ')強(qiáng)化的鎳鐵基合金.γ'相為彌散分布的面心立方結(jié)構(gòu)，在合金中起主要強(qiáng)化作用，Ni3Nb(γ')屬于斜方晶結(jié)構(gòu)，形狀為短粗的片狀.閥門(mén)鋼和焊絲的化學(xué)成分如表1，2.

表1 閥門(mén)鋼SNCrW成分Table1 Valve steel SNCrW com position w(x)/%

表2 Inconel 718耐磨實(shí)心焊絲成分Table2 Inconel 718 wear-resistant solid w ire com ponents w(x)/%

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化堆焊首先要組建自動(dòng)化堆焊系統(tǒng)，組建過(guò)程中首選的自動(dòng)化設(shè)備是焊接機(jī)器人和變位機(jī).在焊接機(jī)器人的選擇上選用KUKA KR16機(jī)器人，其1，2，3軸的運(yùn)動(dòng)能把焊槍送到不同的空間位置，通過(guò)4，5，6軸的運(yùn)動(dòng)能解決焊槍的姿態(tài)問(wèn)題，這樣在整個(gè)焊接過(guò)程中能夠保證焊槍的姿態(tài)隨時(shí)調(diào)整以及焊接過(guò)程穩(wěn)定可靠.變位機(jī)選擇DKP400變位機(jī)，因?yàn)槠湟暫讣笮『凸に嚪椒ǖ牟煌?，到位精?點(diǎn)位控制)和運(yùn)行軌跡精度(輪廓控制)能控制在0.1～2mm之間，精度較高.控制器選用kuka公司的KRC 2控制柜，它的設(shè)計(jì)遵循歐洲的機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)絡(luò)化的計(jì)算機(jī)技術(shù)和功能強(qiáng)大的軟件功能包允許機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多種功能操作，并且通過(guò)控制盒(KCP)來(lái)操作機(jī)器人.在焊接系統(tǒng)中，處于核心地位的是焊接電源，本系統(tǒng)采用Fronius的TPS5000數(shù)字化焊接電源.焊機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)采用的是數(shù)字信號(hào)處理器，統(tǒng)一控制焊機(jī)和調(diào)節(jié)整個(gè)焊接過(guò)程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際參數(shù)值，對(duì)任何變化都能即時(shí)反饋.

2 工藝試驗(yàn)

為提高試驗(yàn)效率、節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間和成本，采用正交試驗(yàn)法在平板上做焊接試驗(yàn).利用正交試驗(yàn)(表3)以最少的試驗(yàn)次數(shù)得到最佳焊接工藝參數(shù).

表3 正交焊接試驗(yàn)方案Table3 Orthogonalwelding test plan

綜合分析得到最優(yōu)參數(shù)為電流120～140A，電壓17.5～19.5 V，焊接速度0.19～0.23m/min，擺動(dòng)3～4mm，頻率1.5～2.0Hz.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行平板多層堆焊試驗(yàn).多道堆焊存在道與道之間的偏移問(wèn)題，道間偏移量的大小用重疊率來(lái)表示.重疊率過(guò)大則焊縫突起較多，焊縫不平整，不利于堆焊下一層焊縫;重疊率小則道與道之間凹進(jìn)量過(guò)大，容易產(chǎn)生焊接質(zhì)量問(wèn)題.經(jīng)試驗(yàn)，重疊率為20%～30%時(shí)焊道的平整性較好.

3 自動(dòng)化堆焊程序的設(shè)計(jì)

3.1 布道方式設(shè)計(jì)

多層多道焊時(shí)，布道方式直接影響焊接質(zhì)量.影響多層焊的因素有2個(gè):①道與道間的偏移量;②變位機(jī)的翻轉(zhuǎn)角度.道間偏移量問(wèn)題已經(jīng)解決，需要解決的是翻轉(zhuǎn)角度問(wèn)題.平焊位置最容易焊接，為了達(dá)到最接近平焊的位置，控制翻轉(zhuǎn)角度使焊縫始終處于標(biāo)準(zhǔn)船型焊位置.精確的翻轉(zhuǎn)能使焊接機(jī)器人達(dá)到最佳焊接位置.為了方便對(duì)翻轉(zhuǎn)角度進(jìn)行定義，首先定義前3道焊縫的翻轉(zhuǎn)角度，因?yàn)榈?，4，8道和第1道翻轉(zhuǎn)角度相同，第3，6，9，10道和第3道翻轉(zhuǎn)角度相同，其余的和第2道翻轉(zhuǎn)角度相同，故只需表明前3道翻轉(zhuǎn)角度即可，簡(jiǎn)化為如圖1.由于焊接過(guò)程是不均勻的加熱過(guò)程，故焊接過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)變形.為了消除變形對(duì)焊接質(zhì)量的影響，引入電弧反饋和焊縫跟蹤技術(shù).福尼斯焊機(jī)有電弧反饋系統(tǒng)，能夠通過(guò)反饋保證電弧長(zhǎng)度不受焊接變形的影響而保持不變，酷卡機(jī)器人的焊縫跟蹤技術(shù)能夠保證焊接過(guò)程不被焊接變形影響而偏離焊縫.二者配合使用就可以消除焊接變形的影響，提高焊接質(zhì)量.

模擬件的布道方式設(shè)計(jì)要考慮到焊接位置、焊縫寬度、填充量和單層高度等因素.設(shè)計(jì)多層堆焊的布道方式如圖2.

圖1 參考坐標(biāo)點(diǎn)的定義Fig.1 Definition of reference point

圖2 設(shè)計(jì)多層堆焊的布道方式Fig.2 Design multilayer welding way of layout

3.2 自動(dòng)化堆焊程序設(shè)計(jì)

1 )堆焊子程序

程序設(shè)計(jì)中，由于每次焊完一道環(huán)形焊縫機(jī)器人就會(huì)調(diào)用一次變位機(jī)回零程序把變位機(jī)當(dāng)前點(diǎn)設(shè)置為變位機(jī)的初始零點(diǎn).變位機(jī)回零程序是相同的，故可以編寫(xiě)成子程序進(jìn)行調(diào)用.不僅簡(jiǎn)化了程序，還可減少出錯(cuò)的幾率.

2 )堆焊程序

通過(guò)模擬偏移堆焊試驗(yàn)，確定布道方式及合理的偏移量.布道方式為第一層3道，第二層3道，第三層4道，道與道之間偏移量為5～6mm.在堆焊的第一層，為了保證焊絲頂端處于標(biāo)準(zhǔn)的船型焊位置，因此第1，2道焊絲只需要對(duì)準(zhǔn)坡口的倒圓角處，第3道處于翻轉(zhuǎn)30°的位置.根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果得到單道焊縫的熔寬為11～12mm，余高為3～4mm，最佳重疊率為20%～30%，所以設(shè)計(jì)相對(duì)偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接.即第4，8，10道相對(duì)于第1道進(jìn)行偏移，第6，9道相對(duì)于第2道進(jìn)行偏移，第5，7道相對(duì)于第3道進(jìn)行偏移.具體偏移量如圖3.按照此程序堆焊后的排氣閥形貌如圖4.

圖3 偏移量Fig.3 Offset

圖4 第1道焊縫Fig.4 First weld

第2道堆焊程序和第1道相同，只是具體位置參數(shù)的改變，堆焊后的圖片如圖5.

然后根據(jù)此思路編寫(xiě)整個(gè)排氣閥的全自動(dòng)堆焊程序.堆焊后的圖片如圖6.

圖5 第2道焊縫Fig.5 Second weld

圖6 排氣閥凹槽堆焊后的成形Fig.6 Morphology of exhaust valve after welding

4 質(zhì)量檢測(cè)

4.1 組織分析

SNCrW屬于高合金鋼，其焊接接頭分為堆焊層、基體側(cè)熱影響區(qū)和基體.由圖7a)可觀察到基體的組織為奧氏體.基體側(cè)熱影響區(qū)中由于焊接過(guò)程中的不均勻加熱和冷卻，在奧氏體中出現(xiàn)了孿晶馬氏體.由圖7b)可觀察到在堆焊層側(cè)，結(jié)晶的初始階段，由于熔池邊緣的溫度梯度較大，同時(shí)結(jié)晶速度緩慢，此時(shí)成分過(guò)冷較小，焊接熔池內(nèi)的枝晶以胞狀晶的形式長(zhǎng)大，用電子顯微鏡觀察組織測(cè)量出胞狀晶生長(zhǎng)的區(qū)域在離焊縫30～50μm的范圍內(nèi).隨著結(jié)晶的進(jìn)行，部分組織會(huì)以平面晶的形態(tài)長(zhǎng)大.隨晶體逐漸遠(yuǎn)離焊縫邊緣而向焊縫中心生長(zhǎng)，溫度梯度逐漸減小，結(jié)晶速度逐漸增大，成分過(guò)冷也逐漸增大，凸入到過(guò)冷液相中的枝晶生長(zhǎng)速度更快，阻擋了周?chē)L(zhǎng)速度較慢枝晶的生長(zhǎng)，結(jié)晶形式由胞狀晶向樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變，堆焊層的組織最終生長(zhǎng)為樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體.

用顯微鏡觀察整個(gè)焊縫可觀察到堆焊層與基體界面熔合良好，沒(méi)有產(chǎn)生分離現(xiàn)象，也沒(méi)有裂紋、氣孔和夾渣等缺陷.

圖7 熱影響區(qū)和焊接接頭顯微組織Fig.7 Heat-affected zone and m icrostructure of welded joints

4.2 稀釋率和堆焊層強(qiáng)度

金屬熔焊或堆焊時(shí)，要控制堆焊金屬被稀釋的程度，即稀釋率.稀釋率越小，基體對(duì)堆焊層的性能影響就越小.但稀釋率小，基體與堆焊層的結(jié)合強(qiáng)度就小.增大結(jié)合強(qiáng)度又會(huì)造成稀釋率的增大.所以在保證結(jié)合強(qiáng)度的前提下，要保證最小的稀釋率.

在基體和堆焊材料的元素中Fe，Ni的元素含量相差最大.相對(duì)于Ni，高溫條件下更有利于Fe元素的擴(kuò)散.所以只需保證Fe元素的稀釋率就可滿(mǎn)足元素稀釋率的要求.

在堆焊層側(cè)，越靠近熔合線，F(xiàn)e元素的稀釋率越大.在Fe元素稀釋率最大的區(qū)域，隨機(jī)選取若干個(gè)點(diǎn)進(jìn)行EDS元素點(diǎn)掃描，如圖8.分析結(jié)果顯示Fe元素的含量為25.17%.Fe元素稀釋率計(jì)算公式為:

式中:Fec為堆焊層Fe元素含量，可以通過(guò)EDS測(cè)得;Fep為初始焊絲中Fe元素含量;Fes為堆焊層基體中Fe元素含量.Inconel718焊絲中，F(xiàn)e的含量平均為17.66%，基體中 Fe元素的平均含量為67.81%.經(jīng)過(guò)計(jì)算可得稀釋率:

Fe元素的稀釋率符合MAN柴油機(jī)公司認(rèn)證的關(guān)于元素稀釋率的相關(guān)要求，所以此焊接工藝合格.

圖8 斷面SEM及熔合區(qū)EDS分析Fig.8 Cross section SEM and EDS analysis of fusion zone

在堆焊后的排氣閥樣件上任意取10個(gè)區(qū)域，用切割機(jī)和線切割對(duì)將要進(jìn)行試驗(yàn)的區(qū)域進(jìn)行加工，加工成拉伸試樣，用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊縫進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示最高強(qiáng)度達(dá)719MPa，最低為646 MPa.堆焊層的平均強(qiáng)度達(dá)683.3MPa，能滿(mǎn)足較苛刻條件下耐磨結(jié)合強(qiáng)度的需要.試樣拉伸斷口為脆性斷裂，說(shuō)明堆焊層的碳當(dāng)量較高，組織較硬，有利于耐磨性的提高.試驗(yàn)結(jié)果表明此工藝合格.

4.3 堆焊接頭硬度分布

分別測(cè)量基體、基體側(cè)熱影響區(qū)和堆焊層維氏硬度.所用測(cè)試載荷為200 g，載荷加載時(shí)間為5 s.從焊接接頭維氏硬度分布圖(圖9)看出，從基體到堆焊層硬度逐漸升高.硬度梯度小說(shuō)明基體和堆焊層得到充分的熔合.基體硬度為230HV.堆焊層硬度較高，堆焊層硬度的提高，可以顯著提高材料的耐磨性能，適應(yīng)耐磨性要求較高的工作環(huán)境.堆焊層的硬度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求.

圖9 焊接接頭維氏硬度Fig.9 Vivtorinox hardness of welding joint

4.4 超聲波檢測(cè)

將焊好的樣件用超聲波檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)大于0.05～0.08mm的缺陷存在.焊接質(zhì)量滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)的要求，達(dá)到了預(yù)想的效果.超聲波檢測(cè)波形如圖10.

圖10 超聲波檢測(cè)Fig.1 0 Ultrasonic testing

5 結(jié)論

1 )工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)堆焊電流為120～140A，電壓為17.5～19.5V，焊接速度為0.19～0.23 m/min，擺動(dòng)3～4mm，頻率1.5～2.0Hz時(shí)，焊縫成型及質(zhì)量最好.

2 )采用微觀組織、成分分析、性能試驗(yàn)及超聲波檢測(cè)等手段對(duì)堆焊層質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)、分析.檢測(cè)結(jié)果表明堆焊層的組織為樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體，堆焊層與基體熔合良好，平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到683.3MPa，堆焊層中未發(fā)現(xiàn)大于0.05～0.08mm的缺陷存在.焊接質(zhì)量滿(mǎn)足要求.

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