凡乃峰，李福永，楊國梁

鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司 河南鄭州 450001

1 序言

液壓支架結(jié)構(gòu)件大多采用厚度≥12mm的中厚板拼焊而成，焊縫形式為多層多道焊，單件結(jié)構(gòu)件的焊絲比重普遍高于4%，焊接工序經(jīng)常成為液壓支架生產(chǎn)的瓶頸環(huán)節(jié)[1]。因此，提高焊接效率是液壓支架行業(yè)永恒的課題。近些年，激光MAG復(fù)合焊、雙絲焊和Rapid焊等新型高效焊接工藝也被嘗試應(yīng)用于液壓支架制造行業(yè)，但能完全成功應(yīng)用的新工藝卻少之又少。

本文以提高焊接效率為出發(fā)點(diǎn)，嘗試引進(jìn)一種新的高效焊接工藝——CO2潛弧焊，通過研究焊接接頭的強(qiáng)韌性、焊接位置適應(yīng)性及焊接效率等指標(biāo)，評述該類高效焊接工藝在液壓支架行業(yè)的適用性。

2 試驗(yàn)方法

2.1 潛弧焊

潛弧焊（Submerged Arc Welding，SAW）是一種大電流、低電壓CO2氣體保護(hù)焊的特殊形式，具有熔深大、效率高、飛濺小等特點(diǎn)。如圖1所示，在這種狀態(tài)下焊接電弧潛藏在母材表面以下熔池弧坑底部形成的空腔中燃燒，因此稱為潛弧焊[2]。

圖1 潛弧焊示意

其形成機(jī)理是：在進(jìn)行大電流、低電壓CO2氣體保護(hù)焊時(shí)，隨著焊接電流的增大，電弧溫度持續(xù)升高，CO2在高溫下產(chǎn)生更劇烈的分解并對電弧產(chǎn)生更強(qiáng)的冷卻壓縮作用，電弧電場強(qiáng)度增大使得電孤變短；較低的電弧電壓進(jìn)一步縮短電弧，保證電弧高度集中并產(chǎn)生較大的挖掘力，在電弧挖掘力作用下焊絲末端下面的熔池金屬被逐漸排開；隨著送絲自動(dòng)跟進(jìn)，焊絲末端繼續(xù)下降并潛入被焊金屬表面以下，呈現(xiàn)出潛弧狀態(tài)。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)所用材料為高強(qiáng)度液壓支架常用的30mm厚Q690高強(qiáng)鋼和與之匹配的φ1.6mm、ER76-G高強(qiáng)焊絲。對試驗(yàn)材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1、表2。

表1 Q690高強(qiáng)鋼和ER76-G高強(qiáng)焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 Q690高強(qiáng)鋼和ER76-G高強(qiáng)焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

試驗(yàn)所用設(shè)備為D-Arc深熔焊機(jī)[3]，采用直流反接，保護(hù)氣體為純度99.99%的CO2氣體，氣體流量為15～20L/min。試件焊前預(yù)熱100～150℃，分別進(jìn)行PA、PB位置的角焊和單側(cè)V形坡口焊（見圖2），具體焊接參數(shù)見表3。

圖2 坡口形式

表3 潛弧焊焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊接接頭力學(xué)性能

首先，評定潛弧焊接頭的綜合力學(xué)性能。對PA位置施焊的坡口焊試板進(jìn)行解剖、加工，并進(jìn)行對接接頭拉伸、沖擊和側(cè)彎試驗(yàn)。

對PA位置施焊的坡口焊試板進(jìn)行全厚度的拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖3 坡口焊接頭拉伸試樣

表4 坡口焊接頭拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，1#、2#試樣均在焊縫及熔合區(qū)處斷裂，抗拉強(qiáng)度分別為784MPa和801MPa，與焊絲熔敷金屬的強(qiáng)度（801MPa）相當(dāng)。由此可見：①在潛弧焊大電流、高熱輸入的影響下，焊縫中的強(qiáng)化元素雖然有燒損，但燒損量并未達(dá)到影響其強(qiáng)度的程度，焊接接頭強(qiáng)度仍可以達(dá)到不低于熔覆金屬的強(qiáng)度。②利用潛弧焊工藝焊接Q690高強(qiáng)鋼得到的焊接接頭為弱低強(qiáng)匹配，強(qiáng)度最弱部位在熔合線附近區(qū)域，接頭的抗拉強(qiáng)度雖然略低于母材的抗拉強(qiáng)度（813MPa），但仍滿足GB/T 16270—2009中對Q690高強(qiáng)鋼的最低抗拉強(qiáng)度（770MPa）要求，同時(shí)也滿足液壓支架結(jié)構(gòu)件接頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。因而，可以認(rèn)為潛弧焊工藝在焊接接頭強(qiáng)度匹配方面是適用的。

按照相關(guān)國標(biāo)要求，對PA位置施焊的焊接接頭各部位分別進(jìn)行夏比V型沖擊試驗(yàn)和全板厚的側(cè)彎試驗(yàn)。其中，沖擊試驗(yàn)包括VWT0/2、VWT0/2和VHT1/2，試驗(yàn)溫度為－20℃；側(cè)彎試驗(yàn)壓頭直徑為3倍試樣厚度，試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可以看出，潛弧焊接頭整體沖擊吸收能量均＞27J。其中，焊縫中心區(qū)域的沖擊吸收能量平均值為85.5J，韌性最好；熔合線附近的沖擊吸收能量平均值為34.8J，韌性最差；熔合線外1mm區(qū)域的沖擊吸收能量平均值為47.8J，韌性適中。結(jié)合接頭拉伸試驗(yàn)，接頭的斷裂位置多數(shù)處于熔合線及其附近的焊縫區(qū)域。由此可知，與常規(guī)的MAG焊接頭一樣，熔合線附近區(qū)域同樣是CO2潛弧焊接頭強(qiáng)韌性最薄弱的部位。焊接接頭的側(cè)彎試樣如圖4所示，兩個(gè)側(cè)彎試樣均未產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，說明該焊接接頭具有良好的塑性。

表5 潛弧焊接頭塑韌性

圖4 潛弧焊接頭側(cè)彎試樣

由以上的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，采用潛弧焊工藝進(jìn)行Q690高強(qiáng)鋼的焊接，可以得到強(qiáng)韌性匹配較好的焊接接頭。

3.2 焊接適應(yīng)性

在液壓支架結(jié)構(gòu)件焊接生產(chǎn)中，大多采用PB和PA位置焊，焊縫形式多為中厚高強(qiáng)鋼板的大尺寸角焊縫和單面坡口全熔透焊縫。下文將研究潛弧焊工藝對PB和PA兩種焊接位置及結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

（1）焊接位置適應(yīng)性 PB位置焊縫外觀質(zhì)量如圖5所示。由圖5可知，PB位置施焊角焊縫表面成形比較差，出現(xiàn)了明顯的熔池流淌和焊腳不對稱現(xiàn)象，焊道兩側(cè)存在明顯的焊瘤和未熔合缺陷，大部分焊縫的下側(cè)焊腳處是很小的銳角。分析認(rèn)為，潛弧焊工藝實(shí)現(xiàn)深熔焊主要依靠兩個(gè)因素：①焊接電弧的旋轉(zhuǎn)及熔滴的旋轉(zhuǎn)過渡[3]。②熔池本身的重力與兩側(cè)硬質(zhì)邊緣對熔池的包裹。其中，第一個(gè)因素是由潛弧焊本身的工藝特點(diǎn)決定的，第二個(gè)因素則是由焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和焊接位置決定的。由于PB位置焊接時(shí)，結(jié)構(gòu)只能對熔池形成單側(cè)的硬質(zhì)邊緣包裹，焊接保護(hù)氣體也不足以承托潛弧焊的大熔池，從而導(dǎo)致熔池液態(tài)金屬向另一側(cè)傾流，使焊縫成形差甚至出現(xiàn)下淌現(xiàn)象。

圖5 PB位置焊縫外觀質(zhì)量

PA位置焊縫外觀質(zhì)量如圖6所示。由圖6可知，PA位置施焊的坡口焊和角焊縫表面成形均較好，焊道均勻、成形美觀，焊縫周圍的飛濺也很少，究其原因主要包括：①PA位置焊接時(shí)，無論是角焊縫還是坡口焊縫，焊道兩側(cè)的母材均對熔池形成雙側(cè)包裹，滿足了潛弧焊實(shí)現(xiàn)深熔焊的關(guān)鍵因素要求。②潛弧焊過程中焊接電弧處于母材的表面以下，焊接電弧始終被熔池凹坑所包圍，大部分焊接飛濺都被凹坑內(nèi)壁所捕獲。

圖6 PA位置焊縫外觀質(zhì)量

因此，在液壓支架結(jié)構(gòu)件的焊接生產(chǎn)中，CO2潛弧焊更適用于對PA位置焊縫的施焊，不僅可以獲得成形良好的焊縫，提高其焊接效率，還可以降低飛濺，減少后續(xù)打磨工作量。

（2）焊接結(jié)構(gòu)適應(yīng)性 焊接電弧潛于母材表面以下是潛弧焊工藝的一大特點(diǎn)[3]，這樣可以形成很大的熔深。為更好地了解潛弧焊焊縫的熔深情況，對潛弧焊角焊縫的截面進(jìn)行觀察。潛弧焊角焊縫的橫截面宏觀形貌如圖7所示。由圖7可知，無論是PA位置的單道焊還是PB位置的多道焊，潛弧焊的最小熔深均可達(dá)到6mm，遠(yuǎn)高于普通MAG焊的2mm熔深。

圖7 潛弧焊角焊縫的橫截面宏觀形貌

圖8所示為PA位置施焊的坡口焊縫成形情況。由圖8可知，對于鈍邊6mm、拼裝間隙2mm、背面無襯墊的坡口對接結(jié)構(gòu)，潛弧焊可以實(shí)現(xiàn)全熔透焊接且表面成形良好，但接頭背部成形較差且容易出現(xiàn)部分焊漏、未熔透現(xiàn)象。分析認(rèn)為，潛弧焊工藝通常采用比相同規(guī)格焊絲普通MAG焊約小100A的焊接電流施焊，焊接電弧對熔池底部的沖擊力較大且不易控制，焊工的持槍動(dòng)作稍有不穩(wěn)就可能造成焊縫根部焊漏或未熔透，即便是高水平焊工也很難長時(shí)間穩(wěn)定持槍來控制焊縫的背面成形。

圖8 潛弧焊坡口焊縫成形情況

為研究焊接動(dòng)作對潛弧焊工藝的影響程度，采用CG1-30半自動(dòng)小車攜帶焊槍進(jìn)行潛弧焊施焊，同時(shí)通過調(diào)整拼裝間隙的措施來控制焊縫背面成形，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，采用機(jī)械持槍的穩(wěn)定施焊手法施焊，焊縫背面出現(xiàn)了未熔透及焊漏現(xiàn)象，成形均較差。因此，可以認(rèn)為焊接水平不是影響潛弧焊工藝坡口焊背面成形的主要因素，即便是進(jìn)行非常穩(wěn)定的施焊，也很難獲得良好的背面成形。

圖9 CG1-30半自動(dòng)小車坡口對接焊背面成形

綜上所述，潛弧焊高效焊接工藝更適用于PA位置背部帶襯墊的熔透焊、大鈍邊且不要求完全熔透焊及角焊縫焊接接頭的高效生產(chǎn)。

3.3 實(shí)施方案

從焊縫有效厚度的角度對角焊縫進(jìn)行設(shè)計(jì)，在熔深明顯提高的前提下可以減小等效的焊腳尺寸。以焊接一道長300mm、有效厚度13mm的角焊縫為例，分別采用潛弧焊和普通MAG焊施焊，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

由表6可知，相對于普通MAG焊施焊，采用潛弧焊方法可以將焊腳縮小5～6mm，焊接效率也得到了明顯的提高，焊接速度可以達(dá)到普通MAG焊的2倍左右。

通過控制鈍邊尺寸和拼裝間隙來實(shí)現(xiàn)坡口焊雙面良好成形是比較困難的，而液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也很難實(shí)現(xiàn)焊縫背面增設(shè)襯墊。因此，潛弧焊高效焊接工藝在液壓支架結(jié)構(gòu)件坡口焊方面的應(yīng)用可以采取以下新的施焊方案：①零件切割坡口時(shí)留2mm鈍邊。②坡口打底焊接采用普通MAG焊工藝，形成厚度6～8mm的打底焊道。③采用潛弧焊高效焊接工藝完成填充層和蓋面層的施焊。以施焊一道長度300mm、厚度30mm全熔透坡口填平焊縫為例，分別采用上述方案和普通MAG焊施焊，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

由表7可知，相對于普通MAG焊施焊，采用潛弧焊方法可以有效地降低焊接道次和層數(shù)，雖然每一道的焊接速度較低，但是焊接的整體效率有了明顯提高；對于試驗(yàn)焊縫，MAG焊+潛弧焊的焊接效率約可以達(dá)到普通MAG焊的2.48倍。

4 結(jié)束語

通過對潛弧焊工藝的研究，得出如下結(jié)論。

1）采用CO2潛弧焊高效焊接工藝焊接液壓支架中常用的Q690高強(qiáng)鋼，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到784MPa；－20℃條件下，焊縫和熱影響區(qū)的最小沖擊吸收能量分別是79.9J、31.9J；焊接接頭的強(qiáng)韌性匹配良好，熔合線及附近區(qū)域是潛弧焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

2）CO2潛弧焊高效焊接工藝可以應(yīng)用于液壓支架的生產(chǎn)，尤其適用于液壓支架結(jié)構(gòu)件中可以在PA位置施焊的坡口焊縫和角焊縫。

3）對于PA位置的角焊縫，CO2潛弧焊工藝的焊接效率可以達(dá)到常規(guī)MAG焊的2倍；對于PA位置的坡口焊縫，MAG焊+CO2潛弧焊組焊方案的焊接效率可以約達(dá)到普通MAG焊的2.48倍。