戴紅, 張穎2, 于澤文3, 李榮

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040；3.哈爾濱紅光鍋爐總廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 前言

Q235鋼作為一種含碳量較低的碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、加工性能和焊接性能[1-5]，且成本較低，廣泛應(yīng)用于建筑、管道、橋梁、壓力容器及電力等工程結(jié)構(gòu)中[6-7]。不同的焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形與微觀組織產(chǎn)生一定的影響[3,6-8]，從而直接影響著焊接接頭的使用性能。然而在工程應(yīng)用中，關(guān)于焊接工藝規(guī)范對(duì)焊縫成形與微觀組織的影響方面缺少系統(tǒng)地試驗(yàn)研究。

文中以Q235 鋼板為試驗(yàn)材料，采用機(jī)器人TIG焊試驗(yàn)，探討焊接電流、電弧電壓、焊接速度等焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形與微觀組織的影響規(guī)律，為碳素結(jié)構(gòu)鋼建筑焊接[2]、機(jī)器人弧焊金屬快速成形技術(shù)[9-10]與數(shù)值模擬建模[11-13]等方面應(yīng)用提供一定的理論和試驗(yàn)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)選用的母材為Q235鋼，尺寸為350 mm×200 mm×10 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接試驗(yàn)所用設(shè)備型號(hào)為RA006L A川崎機(jī)器人。試驗(yàn)采用TIG焊，保護(hù)氣體為100%Ar，氣體流量為12 L/min，分別以不同的焊接電流、電弧電壓以及焊接速度進(jìn)行焊接，具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

為了觀察焊縫成形與焊接接頭的微觀組織，利用OLYMPUS SZX16型體式顯微鏡測(cè)量焊縫的熔深和熔寬，并計(jì)算深寬比。利用Axio Observer 3m型倒置萬(wàn)能顯微鏡對(duì)焊接接頭的焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的顯微組織進(jìn)行觀察分析，金相試樣分別在焊縫中心附近與距熔合區(qū)2～5mm處附近取樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接電流對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)電弧電壓為15 V、焊接速度為15 cm/min恒定值時(shí)，分析焊接電流對(duì)焊接接頭焊縫成形的影響。圖1為焊接電流100 A，150 A，200 A時(shí)焊縫的表面形貌。由圖1可以看出，焊縫的寬度均隨著焊接電流的增大而增大。

圖1 不同焊接電流下焊縫的表面形貌

圖2為不同焊接電流下焊縫的橫截面形貌。由圖2可以看出，當(dāng)電弧電壓和焊接速度恒定時(shí)，焊縫的熔深、熔寬和深寬比均隨著焊接電流的增大而增大。分析焊縫成形尺寸變化的原因：在電弧電壓和焊接速度恒定的情況下，焊接電流增大使得焊接熱輸入與電弧力增大，因此造成焊縫的熔寬增大。當(dāng)電弧電壓恒定時(shí)弧長(zhǎng)不變，而焊接熱輸入增大，使得電弧加熱面積有所增加，因此熔寬將會(huì)增加。深寬比為焊縫熔深與熔寬這兩種因素綜合作用的結(jié)果，熔寬增加的幅度沒(méi)有熔深增加的明顯，因此深寬比增大。

圖2 不同焊接電流下焊縫的橫截面形貌

2.2 電弧電壓對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)焊接電流為150 A、焊接速度為20 cm/min為恒定值時(shí)，分析電弧電壓變化對(duì)焊接接頭焊縫成形的影響。圖3為焊接電壓10 V，15 V，20 V時(shí)焊縫的表面形貌。由圖3可以看出，焊縫的寬度隨著電弧電壓的增大而明顯增大。

圖3 不同電弧電壓下焊縫的表面形貌

圖4為不同電弧電壓下焊縫的橫截面形貌。由圖4可以看出，焊接電流和焊接速度為恒定時(shí)，焊縫的熔深隨著電弧電壓的增大而減小，熔寬隨著電弧電壓的增大而增大，深寬比隨著電弧電壓的增大而減小。焊縫成形尺寸變化的原因：電弧電壓增大，則電弧長(zhǎng)度增長(zhǎng)，在焊接電流和焊接速度恒定的情況下，電弧電壓增大使得電弧加熱范圍增大，因此造成焊縫的熔寬增大。電弧加熱范圍增大而焊接電流不變，使得電弧力降低，則電弧進(jìn)入熔池底部的深度降低，造成焊縫熔深減小。隨著電弧電壓增大，熔深減小而熔寬增大，使得深寬比降低。

2.3 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響

當(dāng)焊接電流為150 A、電弧電壓為15 V為恒定值時(shí)，分析焊接速度變化對(duì)焊縫成形的影響。圖5為焊接速度15 cm/min，20 cm/min，25cm/min時(shí)焊縫的表面形貌。由圖5可以看出，焊縫的寬度隨著焊接速度的增大而明顯減小。

圖4 不同電弧電壓下焊縫的橫截面形貌

圖5 不同焊接速度下焊縫的表面形貌

圖6為不同焊接速度下焊縫的橫截面形貌。由圖6可以看出，電弧電壓和焊接速度為恒定值時(shí)，焊縫的熔深、熔寬和深寬比均隨著焊接速度的增大而減小。焊縫成形尺寸變化的原因：在焊接電流和電弧電壓恒定的情況下，隨著焊接速度增大，則單位長(zhǎng)度內(nèi)焊接熱輸入減小，單位時(shí)間內(nèi)熔化金屬的量減少，焊縫高溫停留時(shí)間短，焊接接頭冷卻速度快，因此就造成了焊縫的熔深、熔寬和深寬比均隨著焊接速度的增大而降低的現(xiàn)象。

圖6 不同焊接速度下焊縫的橫截面形貌

2.4 焊接速度對(duì)微觀組織的影響

文中僅探討焊接速度對(duì)焊縫區(qū)與熱影響區(qū)微觀組織的影響。圖7為焊接電流和電弧電壓恒定時(shí)，焊接速度分別為15 cm/min，20 cm/min和25 cm/min時(shí)焊縫區(qū)的微觀組織形貌。當(dāng)焊接速度為15 cm/min時(shí)，焊縫區(qū)顯微組織是由晶粒粗大且不均勻的珠光體和尺寸較狹窄的片狀鐵素體組成(圖7a)。隨著焊接速度的增大，焊縫區(qū)鐵素體數(shù)量明顯增多且均勻分布于焊縫組織中，珠光體減少，晶粒明顯細(xì)化且呈球狀趨于均勻化，如圖7b所示。當(dāng)焊接速度為25 cm/min時(shí)，焊縫區(qū)組織為大量的鐵素體加珠光體等軸晶，組織更加均勻，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，如圖7c所示。這是由于隨著焊接速度的增大，導(dǎo)致熔池中心溫度梯度下降以及成分過(guò)冷加大，因而在焊縫區(qū)域出現(xiàn)了等軸晶。

圖7 不同焊接速度下焊縫區(qū)的組織形貌

圖8為焊接電流和電弧電壓恒定時(shí)，焊接速度為15 cm/min，20 cm/min和25 cm/min時(shí)熱影響區(qū)的微觀組織形貌。由圖8可知，熱影響區(qū)的微觀組織出現(xiàn)與焊縫區(qū)相同的規(guī)律，隨著焊接速度的增大，珠光體組織減少、鐵素體組織增加，組織趨于細(xì)化。

分析焊縫區(qū)與熱影響區(qū)組織變化的原因：在焊接加熱到相變點(diǎn)溫度以后，形成了γ-奧氏體，當(dāng)焊接速度較低時(shí)，焊縫與熱影響區(qū)金屬高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致奧氏體晶粒急劇長(zhǎng)大，而焊接速度較低導(dǎo)致焊縫冷卻速度緩慢，冷卻后形成晶粒粗大且不均勻的過(guò)熱組織。隨著焊接速度的增加，造成了高溫停留時(shí)間減少，冷卻速度加快，碳化物的析出減少。圖8c中形成的平面晶呈束狀平行排列且數(shù)量較多，這是由于當(dāng)焊接速度增大時(shí)，熔合線附近液相溫度梯度增大，從而促進(jìn)了平面晶的形成。

圖8 不同焊接速度下熱影響區(qū)的組織形貌

3 結(jié)論

(1)當(dāng)電弧電壓和焊接速度恒定時(shí)，焊縫的熔深、熔寬和深寬比均隨著焊接電流的增大而增大。

(2)當(dāng)焊接電流和焊接速度恒定時(shí)，焊縫的熔深隨著電弧電壓的增大而減小，熔寬隨著電弧電壓的增大而增大，深寬比隨著電弧電壓的增大而減小。

(3)當(dāng)電弧電壓和焊接速度恒定時(shí)，焊縫的熔深、熔寬和深寬比均隨著焊接速度的增大而減小。

(4)當(dāng)焊接電流和電弧電壓恒定時(shí)，隨著焊接速度的增大，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)珠光體組織減少、鐵素體組織增加，組織細(xì)化。