高險(xiǎn)峰
(福建福船一帆新能源裝備制造有限公司,福建 漳州 363211)
埋弧焊(SAW)[1]是Q345鋼焊接方法之一,具有熔深大、熔敷率高、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于船舶、壓力容器、大型導(dǎo)管、橋梁梁柱等結(jié)構(gòu)中[2]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)焊接工藝方面做了大量的研究[3-5]。胡效東等[6]用埋弧自動(dòng)焊對(duì) Q345R 鋼板進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn);張新明等[7]開展了填絲埋弧焊相關(guān)工藝試驗(yàn);楊偉鋒等[8]進(jìn)行焊接試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化;Ravinder等[9]開發(fā)了數(shù)學(xué)模型評(píng)估極性對(duì)埋弧焊焊縫幾何形狀的影響。
本文采用對(duì)比試驗(yàn)方法研究直流、交流波形等參數(shù)對(duì)埋弧焊焊縫成形的影響。分別針對(duì)極性、頻率、平衡和電壓偏移設(shè)計(jì)了對(duì)比試驗(yàn),觀察了方波波形參數(shù)對(duì)熔深的影響,計(jì)算了熔敷效率,總結(jié)了極性、頻率、平衡和電壓偏移在埋弧焊領(lǐng)域的作用和特點(diǎn),為埋弧焊方波波形參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
試驗(yàn)材料為20 mm厚的Q345D鋼板,試樣尺寸為20 mm×700 mm×150 mm。焊材為H10Mn2 4.0 mm + SJ101。Q345D鋼板與焊劑的化學(xué)成分如表1和表2所示。試驗(yàn)使用Powerwave AC/DC 1000SD在試樣板上進(jìn)行平板單道堆焊,焊接參數(shù):焊接電流650~800 A,焊接電壓32~36 V,焊接速度38~40 cm/min,埋弧焊示意圖如圖1。
表1 Q345D鋼板的化學(xué)成分
表2 S101J焊劑化學(xué)成分
圖1 埋弧焊示意圖Fig.1 Schematic diagram of submerged arc welding
試驗(yàn)用電流700 A,電壓34 V,焊接速度40 cm/min,具體方案及結(jié)果如表3所示。表3中序號(hào)1~3為方案一:不同極性情況下的對(duì)比方案;序號(hào)4~8為方案二:不同頻率情況下的對(duì)比方案;序號(hào)9~13為方案三:不同平衡情況下的對(duì)比方案;序號(hào)14~18為方案四:不同電壓偏移情況下的對(duì)比方案。同一工藝參數(shù)下的試驗(yàn),應(yīng)盡量保證在同一工況、時(shí)間內(nèi)完成,以此降低隨機(jī)誤差。
焊前需對(duì)鋼板表面除銹和去油污處理,分別采用砂紙和丙酮進(jìn)行打磨和清洗,焊劑在 350 ℃下烘干2 h鋪進(jìn)焊道,然后進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊后,電火花線切割取試樣,經(jīng)過打磨、拋光、腐蝕(使用4%硝酸酒精溶液腐蝕),觀察焊縫的宏觀金相,測(cè)得熔深,如圖2~圖5為不同參數(shù)下焊縫宏觀截面圖,測(cè)量消耗的焊絲長度及其所用的時(shí)間用于計(jì)算熔敷效率,將測(cè)得的熔深及熔敷效率填入表3。
圖2 不同極性下焊縫宏觀截面圖Fig.2 Macro cross-sectional view of welds under different polarities
圖3 不同頻率下焊縫宏觀截面圖Fig.3 Macro cross-sectional view of welds at different frequencies
圖4 不同平衡下焊縫宏觀截面圖Fig.4 Macro cross-sectional view of welds under different balances
表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果
在埋弧焊過程中,焊接電弧產(chǎn)生高溫熔化母材、焊絲和焊劑,形成熔池,熔池在電弧力、磁力、表面張力及重力等作用下,保持一種穩(wěn)定的形狀尺寸,伴隨著電弧遠(yuǎn)離,溫度降低,冷卻凝固形成焊縫。焊接電弧主要由陽極區(qū)、弧柱區(qū)以及陰極區(qū)組成,每一部分有不同的電壓降,如圖6所示[10]。U1為陽極電壓降,U2為弧柱電壓降,U3為陰極電壓降,U為整體電壓降,U=U1+U2+U3。
圖6 電弧各區(qū)域的電壓分布Fig.6 Voltage distribution in each area of the arc
在單位時(shí)間內(nèi)電弧提供的總能量由陽極區(qū)、弧柱區(qū)和陰極區(qū)3部分組成,其總能量P如式(1),由于產(chǎn)熱機(jī)制復(fù)雜,因此需要簡化處理,忽略一些次要因素,目前公認(rèn)的產(chǎn)熱公式如式(2)[11]:
P=P1+P2+P3=IU1+IU2+IU3
(1)
(2)
式中,Q1為陽極區(qū)獲得的熱能(J);Q2為弧柱區(qū)獲得的熱能(J);Q3為陰極區(qū)獲得的熱能(J);Uw為電子溢出電壓(V);UT為弧柱區(qū)溫度等效電壓(V)。
在變極性的一個(gè)周期內(nèi),總時(shí)間為t,T1為電流正極所占的時(shí)間,T2為電流負(fù)極所占的時(shí)間,F(xiàn)為電弧力,電弧力如公式(3):
F×t=ΔP=M×(V1-V0)
(3)
其中,M為粒子質(zhì)量(g);V0與V1分別為電弧中正粒子的初始速度(m/s)和涌入熔池速度(m/s)。
由試驗(yàn)可得出極性與熔深、熔敷效率的關(guān)系,如圖7所示,在其它參數(shù)相同條件下,熔深DC+>AC(50/50/0)>DC-,熔敷效率DC->AC(50/50/0)>DC+。當(dāng)DC+焊接時(shí),焊絲接正極,焊件接負(fù)極,在負(fù)極區(qū)域因材料沸點(diǎn)影響表面溫度不能升得很高,陰極只有局部區(qū)域有導(dǎo)電性,因此陰極的導(dǎo)電性將減弱;而在陽極區(qū)域電流較大,溫度高,有較多的金屬蒸汽,產(chǎn)生更多熱電離,提供足夠的正粒子,陽極的電壓降相對(duì)較小[12]。由于U3>>UW,UT<1V,U1較小,由公式2可知Q1 圖7 極性與熔深、熔敷效率關(guān)系圖Fig.7 Relationship between polarity and penetration and deposition efficiency 表4 回歸方程顯著性分析表 頻率與熔深 y=8.815-0.021x (4) 平衡與熔深 y=4.612+0.072x (5) 平衡與熔敷效率 y=13.521-0.059x (6) 電壓偏移與熔深 y=8.523+0.076x+0.005x2 (7) 電壓偏移與熔敷效率 y=10.814-0.144x+0.002x2 (8) 在其他工藝參數(shù)保持不變時(shí),頻率與熔深關(guān)系如圖8所示,隨著頻率的增大,熔深減小。交流方波埋弧焊頻率可在0~100 Hz調(diào)節(jié),在變極性埋弧焊工作下,正粒子引起的電弧力是影響熔深的主要因素。在一個(gè)正半波周期內(nèi),正粒子加速從正向電極涌向熔池,由公式(3)可知,隨著頻率的增加,正半波長時(shí)間減少,正粒子涌向熔池的加速時(shí)間減少,正粒子的速度減小,進(jìn)而削弱了電弧力;同時(shí)電源極性改變會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生磁力攪拌作用,隨著頻率變大,電極方向改變加快,磁力攪拌作用增強(qiáng),使熔池?zé)崃鞣稚?,降低熔池周圍的電弧力與溫度,電弧對(duì)焊件的熔透能力降低,熔深變淺。當(dāng)頻率較高時(shí),正粒子涌入熔池的速度降低,同時(shí)因?yàn)轭l率的極性變換較快,電弧將變得不穩(wěn)定,熔深變得不均勻,出現(xiàn)一些反常現(xiàn)象[13]。在變極性埋弧焊中,頻率對(duì)焊絲的熔化速率可忽略不計(jì),因此忽略頻率對(duì)熔敷效率的影響。綜上所述,熔深隨著頻率的增大而減小。 圖8 頻率與熔深關(guān)系Fig.8 Relationship between frequency and penetration 在其他工藝參數(shù)保持不變時(shí),平衡與熔深關(guān)系如圖9所示。當(dāng)平衡在0.25~0.75之間可調(diào)時(shí),起初正半波時(shí)間較短,正粒子從正電極加速時(shí)間短、速度小,由公式(3)可知,電弧力較弱,磁力攪拌占主導(dǎo)作用,熱流分散熔深較淺;隨著平衡的增加,正半波時(shí)間長,正粒子加速時(shí)間長,速度大,電弧力增大,電弧力占主導(dǎo)作用,對(duì)焊件熔透能力增強(qiáng),熔深加大。隨著平衡的增大,正半波時(shí)間增長,由公式及2極性分析可知,陽極熱量Q1 圖9 平衡與熔深、熔敷效率關(guān)系圖Fig.9 Relationship between balance and penetration and deposition efficiency 在其他工藝參數(shù)保持不變時(shí),電壓偏移與熔深關(guān)系如圖10。隨著電壓偏移的增大,陽極的電流幅值增大,正粒子的電壓降增大,由公式(3)可知,電弧力也加大,電弧對(duì)焊件的熔透能力加強(qiáng),熔深增大。當(dāng)電壓偏移值增大時(shí),增大陽極的電流值,由公式(2)及電弧產(chǎn)熱機(jī)制可知,陽極產(chǎn)熱少,陰極產(chǎn)熱多,降低分配到焊材的熱量,焊絲熔化速率降低,熔敷效率降低。綜上所述,熔深隨電壓偏移量的增大而增大(電壓偏移為-10~-5 V),熔敷效率隨著電壓偏移量的增大而減小。 圖10 電壓偏移與熔深、熔敷效率關(guān)系圖Fig.10 Relationship between offset, penetration and deposition efficiency (1)試驗(yàn)采用δ20平板對(duì)接,無坡口,無間隙,電流750 A,電壓34 V,焊接速度40 cm/min。在A、B面各一道AC(頻率/平衡/電壓偏移:50/50/0),以及用DC+焊接如圖11所示。兩種焊接方式都能完全熔透,但DC+的熔透效果更好,進(jìn)一步證明DC+焊接時(shí),電弧力強(qiáng),熔透效果好,熔深大。 圖11 AC與DC+熔深Fig.11 Penetrations of AC and DC+ (2)試驗(yàn)采用δ50坡口對(duì)接,60°坡口,鈍邊6~8 mm,間隙0~1 mm,背面焊條打底3 mm,電流650~800 A,電壓33~35 V,焊接速度40~50 cm/min,對(duì)比AC+DC焊接與DC+焊接的成形質(zhì)量。由圖12可知,兩焊接方式都能保證完全熔透,但交、直流混合并用方式可使熔池輪廓更加均勻,相比較DC+焊縫更為平整美觀。 圖12 AC+DC與DC+對(duì)照?qǐng)DFig.12 Comparison of AC+DC and DC+ (3)試驗(yàn)采用δ30坡口對(duì)接,60°坡口,鈍邊6~8 mm,間隙0~1 mm,背面焊條打底3 mm。電流685~750 A,電壓33~37 V,焊接速度40 cm/min。在A面兩道AC/DC+,B面兩道 AC/AC(A面60/75/-4、B面60/75/-5)。從圖13可看出,兩種焊接方式都能完全熔透,但A面AC/DC+的熔透效果更好,熔池形態(tài)較為穩(wěn)定,進(jìn)一步證明了交、直流混合并用方式可使熔池輪廓更加均勻,相比較AC焊縫更優(yōu)。 圖13 AC/DC+與 AC/AC對(duì)照?qǐng)DFig.13 Comparison of AC/DC+ and AC/AC 1)其它參數(shù)相同條件下,熔深規(guī)律是:DC+>AC(50/50/0)>DC-,熔敷效率DC->AC(50/50/0)>DC+。 2)AC焊接時(shí),在其他參數(shù)相同下,熔深隨著頻率的增大而減小,隨著平衡的增大而增大,隨著電壓偏移的增大呈增大趨勢(shì)。 3)AC焊接時(shí),在其他參數(shù)相同下,熔敷效率隨著平衡的增大而減小,隨電壓偏移的增大呈減小趨勢(shì)。 4)在埋弧焊接過程中,交、直流并用焊接工藝能更有效地調(diào)整焊縫成形質(zhì)量,以達(dá)到實(shí)際的生產(chǎn)需求。3 對(duì)比優(yōu)化試驗(yàn)
4 結(jié)論