(北京工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心,100124)

保護(hù)氣對(duì)焊接電弧行為與熱輸出特性的影響

陳樹(shù)君閆朝陽(yáng)蔣凡張洪瑋

(北京工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心,100124)

為提高傳統(tǒng)非熔化極惰性氣體保護(hù)焊電弧的電弧力和能量密度，提出保護(hù)氣為氦氣的氦??；試驗(yàn)中利用高速攝像記錄氦弧的電弧形態(tài)，同時(shí)對(duì)電弧力和電流密度進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，并與傳統(tǒng)氬弧進(jìn)行分析對(duì)比。結(jié)果表明，在同一參數(shù)下氦弧同一截面直徑明顯小于傳統(tǒng)氬?。磺液せ‰娀×Φ淖畲笾荡笥趥鹘y(tǒng)氬??；相同條件下氦弧的電流密度比傳統(tǒng)氬弧更加集中。為對(duì)比焊接效果，在Q235 鋼板上做定點(diǎn)燒蝕試驗(yàn)，并對(duì)陽(yáng)極表面熔池尺寸和焊接接頭的晶粒度進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)氬弧相比，氦弧在焊接接頭的熔深和熔寬都偏大，但晶粒度平均等級(jí)小于氬弧。

氦弧電弧形態(tài)電弧力電流密度

0 序 言

在現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，尤其是航空航天、海洋工程、石油化工、能源工程等工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)高效焊接工藝提出了迫切需求[1-4]。在各種焊接工藝中，非熔化極氣體保護(hù)焊由其適用性強(qiáng)的特點(diǎn)占據(jù)著重要的地位。其中，鎢極氬弧焊由于焊接電弧穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于各種金屬的連接工藝中[5-6]，但此焊接方法存在焊接電弧發(fā)散、能量密度較低等缺陷，導(dǎo)致焊接熔深淺。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，中厚板和超厚板的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在采用氬弧焊時(shí)不得不采用多層焊或加開(kāi)坡口的形式等，因焊前工序復(fù)雜，直接導(dǎo)致生產(chǎn)率低[7]。

為提高中厚板和超厚板的焊接效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出保護(hù)氣為氦氣的鎢極氦弧焊[8-11]，與氬氣相比，氦氣分子質(zhì)量小和電離能較高，因而氦弧在弧柱區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度高，氦氣分子熱運(yùn)動(dòng)非常快，對(duì)電弧冷卻作用強(qiáng)，電弧相對(duì)拘束，故而氦弧能量密度大，對(duì)焊接接頭低溫塑性好，所以氦弧焊將會(huì)日益得到關(guān)注。另外，氦氣作為保護(hù)氣可提高焊接電弧的熱功率，改善焊縫成形及熔深。文中從電弧力和電流密度的角度對(duì)氦弧進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)，對(duì)比保護(hù)氣對(duì)電弧力與電流密度的影響，以研究鎢極氦弧焊接電弧行為與熱輸出特性；另外對(duì)Q235鋼板進(jìn)行定點(diǎn)燒蝕試驗(yàn)，研究保護(hù)氣對(duì)焊縫熔深、熔寬及晶粒度的影響，并與傳統(tǒng)氬弧進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

電流密度是表征焊接電弧熱性的重要參數(shù)，它的分布情況反映出電弧對(duì)工件熱輸入的情況，對(duì)電弧工藝性有重要的影響。電流密度的測(cè)量方法多種多樣，文中采用分裂陽(yáng)極的方法對(duì)電弧電流密度進(jìn)行采集[12-14]。如圖1電流密度測(cè)量系統(tǒng)所示，采用兩塊水冷銅板作為電弧的陽(yáng)極，兩塊銅板間存在很小的間隙；兩塊銅塊同時(shí)接到電源正極，且兩塊陽(yáng)極板均為紫銅，尺寸為20 mm×40 mm×60 mm，其相對(duì)的面均噴涂0.1 mm厚的絕緣漆以保證焊接過(guò)程中兩塊銅陽(yáng)極的絕緣，同時(shí)控制陽(yáng)極板間的間隙為0.5 mm；電弧從一塊陽(yáng)極板上燃弧穩(wěn)定后向另一塊陽(yáng)極板移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中電流傳感器記錄下兩塊陽(yáng)極的電流變化曲線。

圖1 電流密度測(cè)量系統(tǒng)

電弧壓力是直接影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性的重要參數(shù)，對(duì)焊縫成形及熔深有重要的影響。對(duì)于非熔化極電弧力采集相對(duì)容易，文中采用氣壓傳感器的方法測(cè)定電弧力[15-17]，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2電弧力測(cè)量系統(tǒng)所示，電弧在銅塊的邊緣穩(wěn)定起弧，待電弧穩(wěn)定后向另一邊緣移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中氣壓傳感器可以采集到電弧從零到最大值的力輸出曲線。

試驗(yàn)過(guò)程中利用高速攝像記錄氦弧形態(tài)，并用氦弧的電弧力和電流密度與傳統(tǒng)氬弧進(jìn)行分析對(duì)比。另外，采用定點(diǎn)燒蝕試驗(yàn)來(lái)測(cè)定氦弧焊接熔深和熱影響區(qū)的大小，并用OLYMPUS軟件分析焊接接頭處的晶粒度與晶粒尺寸。

圖2 電弧力測(cè)量系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電弧形態(tài)

基于上文建立的焊接試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了氦弧焊接試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)氬弧焊的電弧形態(tài)進(jìn)行比較。圖3分別為焊接電流為200 A和280 A時(shí)傳統(tǒng)氬弧與氦弧的電弧電壓和電弧宏觀形態(tài)對(duì)照?qǐng)D，傳統(tǒng)氬弧在200 A和280 A時(shí)的電弧電壓分別是14.5 V和15.5 V，氦弧的電弧電壓分別為23.7 V和24.9 V。由于氦氣電離需要更大的能量的特性，致使氦弧電壓高于傳統(tǒng)氬弧。而且，在相同條件下與傳統(tǒng)氬弧對(duì)比，氦弧形態(tài)更加拘束。其原因一方面是由于相同焊接參數(shù)下，氦弧電壓高于傳統(tǒng)氬弧，增強(qiáng)電弧指向性，阻止其發(fā)散；另一方面是因?yàn)楹獗葰鍤廨p，氦分子熱運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較快。兩方面原因?qū)е潞せ〉睦鋮s作用大于傳統(tǒng)氬弧，根據(jù)最小電壓原理，電弧自身保護(hù)作用增強(qiáng)，以致于電弧相對(duì)更加拘束。

圖3 傳統(tǒng)氬弧與氦弧宏觀形態(tài)對(duì)比

2.2 電流密度

根據(jù)分裂陽(yáng)極法計(jì)算得到的傳統(tǒng)氬弧與氦弧的電流密度如圖4所示，二者電弧長(zhǎng)度均為6 mm，保護(hù)氣流量均為15 L/min，總體來(lái)看，電流密度分布形式類似高斯分布。由圖4a可知，電流200 A時(shí)傳統(tǒng)氬弧在弧柱中心區(qū)的電流密度最大值為2.41 A/mm2，且電弧邊界最大值為6.34 mm(電弧半徑為5.27 mm)；氦弧電流密度最大值為2.89 A/mm2，且電弧邊界最大值為5.26 mm。有圖4b可知，電流280 A時(shí)傳統(tǒng)氬弧在弧柱中心區(qū)的電流密度最大值為3.46 A/mm2，且電弧邊界最大值為6.89 mm；氦弧電流密度最大值為4.06 A/mm2，且電弧邊界最大值為5.27 mm。相比之下氦弧電流密度最大值大于傳統(tǒng)氬弧，且隨電流的增加電流密度最大值增加，另外，氦弧半徑小于氬弧，即氦弧拘束度大于氬弧。前文由電弧形態(tài)分析得到氦弧冷卻作用強(qiáng)，氦弧相對(duì)于傳統(tǒng)氬弧更加拘束。

圖4 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的電流密度

2.3 電弧力

熔池上的電弧壓力是決定焊道熔深的重要參數(shù)，要得到一定的熔深需要較大的電弧壓力，但是電弧壓力太大則可能引起熔穿等焊接缺陷。非熔化極電弧力分為多種，包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)力等，文中的電弧力為電弧總壓力。圖5為傳統(tǒng)氬弧和氦弧的電弧壓力，其中試驗(yàn)過(guò)程中電弧高度均為6 mm，保護(hù)氣流量均為15 L/min?？傮w來(lái)看，電弧力隨著距電弧軸心距離的增大而減小，整體呈現(xiàn)出高斯分布。由圖5a可知，在200 A電流下傳統(tǒng)氬弧的電弧力輸出最大值為227.7 Pa，氦弧最大電弧壓力值比傳統(tǒng)氬弧稍大，為297.9 Pa。由圖5b可知，在280 A電流下傳統(tǒng)氬弧的電弧力輸出最大值為374.6 Pa，氦弧最大電弧壓力值為683.0 Pa，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)氬弧。由試驗(yàn)結(jié)果得出，電弧壓力隨電流增加而增強(qiáng)，這是因?yàn)榉侨刍瘶O氣體保護(hù)焊的電弧力主要為電弧靜壓力和電弧動(dòng)壓力，且電弧靜壓力與電流平方成正比；在相同焊接參數(shù)下，氦弧電弧力大于傳統(tǒng)氬弧，是由于氦氣分子熱運(yùn)動(dòng)速度大于氬氣，故氦弧的電弧動(dòng)壓力大于傳統(tǒng)氬弧。

圖5 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的電弧壓力

2.4 定點(diǎn)焊接燒蝕試驗(yàn)

為了獲得氦弧對(duì)焊接熔池和接頭的影響，文中進(jìn)行了定點(diǎn)燒蝕試驗(yàn)，分別采用氦弧焊接方法和傳統(tǒng)氬弧焊接方法進(jìn)行比較，焊接工件選用板厚為8 mm的Q235低碳鋼，試驗(yàn)設(shè)定的焊接電流為200 A，定點(diǎn)燒蝕時(shí)間均為15 s，焊接過(guò)程中工件的散熱條件相同，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，氦弧熔深為5.7 cm，傳統(tǒng)氬弧熔深為2.9 cm，氦弧在陽(yáng)極表面的作用范圍、焊接的熔深遠(yuǎn)比傳統(tǒng)氬弧的大；氦弧焊接接頭熱影響區(qū)直徑為15.9 cm，傳統(tǒng)氬弧為11.1 cm，前者是后者的1.4倍。試驗(yàn)結(jié)果與上文電弧壓力和電流密度結(jié)果相吻合，200 A電流下氦弧的電弧壓力最大值是傳統(tǒng)氬弧的1.3倍(圖5a)，而相同條件下大的電弧壓力有助于熔池的熔深；另外，電弧電流密度的集中也有助于熔深的增加。熱影響區(qū)的大小主要由焊接熱輸入決定，由上文可知，相同焊接參數(shù)下氦弧能量大于傳統(tǒng)氬弧，因而其陽(yáng)極熱輸入大于傳統(tǒng)氬弧。

圖6 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的焊接接頭

2.5 晶粒度及晶粒大小

使用OLYCIA m3金相分析系統(tǒng)對(duì)焊接接頭100倍金相圖像依次進(jìn)行灰度處理、圖像分割(閾值范圍為最小8～最大140)、形態(tài)學(xué)處理(去碎屑最小0～最大100、去內(nèi)孔20、細(xì)化100、去毛刺20)、晶粒度評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果如圖7所示。其中，氦弧焊接接頭金相檢驗(yàn)報(bào)告的平均截距為40.9 μm，平均等級(jí)為5.9級(jí)；傳統(tǒng)氬弧焊接接頭的平均截距為26.1 μm，平均等級(jí)為7.2級(jí)。由晶粒度評(píng)級(jí)結(jié)果可得出，相同焊接參數(shù)下，傳統(tǒng)氬弧晶粒度比氦弧更均勻，平均等級(jí)更高。原因是氦氣電離程度大，導(dǎo)致氦弧對(duì)陽(yáng)極的熱輸入大于傳統(tǒng)氬弧，焊接接頭出現(xiàn)局部溫度過(guò)高，達(dá)到相變溫度以上、在奧氏體再結(jié)晶區(qū)變形時(shí)，加熱時(shí)間長(zhǎng),冷卻速度慢，晶粒集聚長(zhǎng)大，導(dǎo)致焊縫區(qū)局部晶粒粗大和晶界氧化等現(xiàn)象。

在金相晶粒度分析基礎(chǔ)上對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹處理(膨脹系數(shù)為1)，然后對(duì)焊接接頭處晶粒尺寸進(jìn)行分析，顆粒個(gè)數(shù)百分比如圖8所示?？梢?jiàn)，氦弧和傳統(tǒng)氬弧焊接接頭晶粒尺寸小于10 μm的個(gè)數(shù)百分比分別為18.04%和5.52%；氦弧晶粒尺寸在20～30 μm之間的個(gè)數(shù)百分比為50.88%，明顯小于傳統(tǒng)氬弧的67.68%；而大于60 μm的晶粒個(gè)數(shù)百分比氦弧為12.22%，傳統(tǒng)氬弧為7.91%。由上文所述氦弧能量密度高于傳統(tǒng)氬弧的物理性質(zhì)，致使在使用氦弧焊接金屬的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)熱輸入過(guò)大和金屬過(guò)燒等現(xiàn)象；另外，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也會(huì)出現(xiàn)晶體再結(jié)晶，致使晶粒粗大，導(dǎo)致材料強(qiáng)度、塑性和韌性降低。

圖7 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的焊接接頭晶粒度分析

圖8 傳統(tǒng)氬弧與氦弧的焊接接頭晶粒尺寸分析

3 結(jié) 論

(1)氦弧的電弧形態(tài)相對(duì)于傳統(tǒng)氬弧更加拘束，能量密度更加集中；且在相同焊接參數(shù)下氦弧電弧電壓高于傳統(tǒng)氬弧。

(2)同一條件下，氦弧的電流密度和電弧力的最大值都高于傳統(tǒng)氬??；且在同一焊接參數(shù)下，氦弧在焊接接頭處的熔深和熔寬大于傳統(tǒng)氬弧。

(3)Q235鋼板經(jīng)氦弧和傳統(tǒng)氬弧同一焊接參數(shù)下進(jìn)行燒蝕，結(jié)果表明經(jīng)氦弧焊接接頭的晶粒度等級(jí)較傳統(tǒng)氬弧??；且傳統(tǒng)氬弧在焊接接頭處的晶粒尺寸個(gè)數(shù)百分比分布相對(duì)于氦弧更加均勻。

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TG457

2017-06-21

陳樹(shù)君，1971 年出生， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士，“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授，博士生導(dǎo)師。獲國(guó)務(wù)院政府特殊津貼， 北京市百千萬(wàn)人才工程人選，北京市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計(jì)劃領(lǐng)軍人才。先后主持國(guó)家科技重大專項(xiàng)， 國(guó)家自然科學(xué)基金等國(guó)家、省部級(jí)科研項(xiàng)目30 余項(xiàng)。近年來(lái)發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，獲國(guó)際專利2 項(xiàng)，國(guó)家發(fā)明專利20 余項(xiàng)，在高端焊接裝備和航天航空領(lǐng)域取得良好成果，攻克了航天鋁合金大型薄壁密封艙體結(jié)構(gòu)焊接難題，以全套自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的等離子焊接系統(tǒng)成功完成載人航天“天宮一號(hào)”的焊接，獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)及多項(xiàng)省部級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)。