王猛， 陳致遠(yuǎn)， 倪永謙， 魏艷紅， 曹承明， 童志武

摘要： 為減少某型電熱水器搪瓷鋼內(nèi)膽環(huán)縫焊接過程中焊接缺欠的產(chǎn)生，文中開展了焊接工藝優(yōu)化試驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)3因素4水平正交試驗(yàn)，得到不同焊接工藝參數(shù)組合下的焊縫成形結(jié)果。采用極差分析法評(píng)估出各焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響程度，優(yōu)化了1.8 mm厚DC01EK搪瓷鋼板GMAW高速搭接焊工藝參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在選定的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)，最優(yōu)焊接工藝參數(shù)組合為焊接電流190 A，電弧電壓27 V，焊接速度23 mm/s。焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響由大到小依次為焊接電流、焊接速度和電弧電壓。優(yōu)化后試樣焊接過程穩(wěn)定，接頭力學(xué)性能良好，內(nèi)膽兩側(cè)環(huán)縫連續(xù)均勻，無明顯焊接缺陷，滿足脈沖壓力試驗(yàn)要求。

關(guān)鍵詞： 搪瓷鋼內(nèi)膽； 搭接接頭； 正交試驗(yàn)； 焊接工藝優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TG 442

Lap welding process of girth weld in enameled steel inner tank of

electric water heater

Wang Meng1， Chen Zhiyuan1， Ni Yongqian1， Wei Yanhong1， Cao Chengming2， Tong Zhiwu2

（1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210000， Jiangsu， China;

2. Midea Group， Foshan 528000， Guangdong， China）

Abstract： To reduce welding imperfection in girth weld welding process of enameled steel inner tank of electric water heater， optimization test of welding process was carried out in the paper. Three factors and four levels of orthogonal experiments were designed to obtain formation of weld under different welding parameters. The range analysis method was used to evaluate influence of welding parameters on formation quality of weld. Welding parameters of 1.8 mm thick DC01EK enameled steel by GMAW highspeed lap welding were optimized. The results showed that the optimized welding parameters were welding current of 190 A， arc voltage of 27 V， and welding speed of 23 mm/s within the selected welding parameters. The factors affecting formation quality of weld from large to small were welding current， welding speed and arc voltage. After optimization， welding process of samples was stable and mechanical properties joints were good. The girth welds on both sides of inner tank were continuous and uniform， without obvious welding defects， which met requirements of pulse pressure test.

Key words： enameled steel inner tank; lap joint; orthogonal test; welding process optimization

0前言

普通低碳鋼經(jīng)過瓷釉涂搪后形成搪瓷鋼，其金屬胚體表面獲得了耐高溫、耐磨及耐蝕等優(yōu)良性能，是用于容積式熱水器內(nèi)膽的主要材料[1-3]。對(duì)于搪瓷鋼熱水器內(nèi)膽結(jié)構(gòu)，常用的焊接方法為熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW），封頭和筒身的連接部位通常采用搭接接頭[4]。由于母材厚度較薄，對(duì)焊接熱輸入非常敏感，同時(shí)實(shí)際生產(chǎn)中焊接速度較快，在焊接過程中易產(chǎn)生焊穿、裂紋、咬邊等焊接缺陷，因此搭接環(huán)縫是整個(gè)內(nèi)膽結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)[5]。

薄板高速焊接需要精確控制焊接熱輸入來獲得良好的焊接接頭成形[6]。韓建波[5]及王興國(guó)[7]分別通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)內(nèi)膽搭接環(huán)縫焊接規(guī)范參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，減少了焊接缺陷的產(chǎn)生，提高了內(nèi)膽脈沖壓力試驗(yàn)壽命。劉樹清等人[8]通過對(duì)內(nèi)膽環(huán)縫搭接接頭的搭接形式和角度優(yōu)化調(diào)整，減少了環(huán)縫縫隙腐蝕情況的產(chǎn)生。Tuek等人[9]研究發(fā)現(xiàn)電弧偏吹、不均勻散熱及焊接區(qū)域存在氧化物和雜質(zhì)等問題會(huì)導(dǎo)致搭接環(huán)縫根部不完全熔合，是造成內(nèi)膽滲漏的主要原因之一。對(duì)于搪瓷鋼內(nèi)膽GMAW環(huán)縫搭接焊，焊縫成形質(zhì)量與力學(xué)性能對(duì)產(chǎn)品最終服役有很大影響，合理的焊接工藝參數(shù)組合更是控制上述過程的關(guān)鍵。開展相關(guān)焊接工藝研究，可為改善企業(yè)實(shí)際焊接生產(chǎn)問題提供數(shù)據(jù)參考和理論指導(dǎo)。

針對(duì)1.8 mm厚DC01EK搪瓷鋼搭接焊工藝進(jìn)行研究，開展多因素正交試驗(yàn)，以獲得不同焊接工藝參數(shù)下的焊縫成形結(jié)果。采用極差分析法評(píng)估出各工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形影響的顯著次序，對(duì)焊接工藝參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，并采用試片件和整體內(nèi)膽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料和設(shè)備

焊接試驗(yàn)所用焊接設(shè)備為Fronius公司生產(chǎn)的TPS5000數(shù)字化焊機(jī)及安川MOTOMANGP12/ AR1440六軸焊接機(jī)器人系統(tǒng)，保護(hù)氣體為80%Ar +20%CO2，氣體流量為15 L/min。焊接過程保持焊槍傾角為65°，焊絲伸出長(zhǎng)度為12～15 mm，搭接間隙為0 mm。焊接過程示意圖如圖1所示。

試驗(yàn)材料選用DC01EK冷軋?zhí)麓射摪?，試板?guī)格為175 mm×150 mm×1.8 mm。填充焊絲為ER506，直徑為1.2 mm，母材及焊絲的化學(xué)成分見表1。

1.2試驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)際產(chǎn)線對(duì)應(yīng)工序焊接工藝窗口，正交試驗(yàn)選取焊接電流、電弧電壓和焊接速度3個(gè)變量作為因素，在每個(gè)因素中選取4個(gè)不同水平，選用L16 （43）的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，見表2。

焊前先用丙酮去除試板表面污漬，再采用機(jī)械清理方式去除試板焊接區(qū)域及附近表面、側(cè)邊氧化膜。在工作臺(tái)上組裝成單邊搭接接頭（搭接量為10 mm）并限位固定。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1正交試驗(yàn)工藝優(yōu)化

通過正交試驗(yàn)獲得16組搭接接頭的焊縫成形結(jié)果，如圖2所示?？梢钥闯觯捎诤附舆^程熱輸入較大，5號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、15號(hào)試件表面出現(xiàn)過燒甚至燒穿現(xiàn)象；2號(hào)和14號(hào)試件焊縫表面寬度較窄，3號(hào)試件焊縫表面寬度較寬且焊道出現(xiàn)明顯塌陷，以上試件成形效果均不理想；1號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)和16號(hào)試件表面紋路清晰，焊縫連續(xù)均勻、宏觀形貌較佳。

為對(duì)焊縫的成形質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，文中采用了綜合評(píng)價(jià)的方法，制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，規(guī)定理想焊縫成形為50分，其中焊接宏觀缺欠、焊接飛濺和焊縫寬度分別作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各占30分、10分和10分[10]。針對(duì)每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)一步根據(jù)焊接試驗(yàn)結(jié)果，分別設(shè)置滿分（無明顯宏觀缺欠、焊接飛濺數(shù)量少、焊縫寬度適中）、半分（存在咬邊或焊縫塌陷等、焊接飛濺數(shù)量增加、焊縫寬度偏窄或?qū)挘┖土惴郑ê复Ｕ辉囼?yàn)設(shè)計(jì)方案和極差分析結(jié)果列于表3。

針對(duì)正交試驗(yàn)的焊縫成形結(jié)果進(jìn)行極差分析，見表3。Kij為第i列第j水平的評(píng)分平均值；R為第i列影響4個(gè)水平的極差值，表示該因素在其取值范圍內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)變化的幅度。通過極差分析確定影響試驗(yàn)結(jié)果的主次因素，極差R值大表明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響大，是主要因素；反之為次要因素。由結(jié)果可知，影響焊縫成形質(zhì)量的最主要因素是焊接電流，其次分別為焊接速度和電弧電壓，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)組合是A1B2C4。

為驗(yàn)證最優(yōu)工藝參數(shù)的可靠性，在最優(yōu)焊接參數(shù)組合下進(jìn)行多組重復(fù)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證焊接接頭的力學(xué)性能。焊接完成后，從各個(gè)試板焊縫位置取下合適尺寸的試樣，分別進(jìn)行焊縫形貌觀察和力學(xué)性能測(cè)試。

2.2焊縫宏觀形貌和顯微組織分析

在最優(yōu)焊接參數(shù)組合下，焊縫的宏觀形貌如圖3所示，可以看出，焊縫連續(xù)均勻，整個(gè)焊接過程穩(wěn)定且飛濺數(shù)量較少。圖4為焊縫中部橫截面形貌，可見焊縫內(nèi)部無明顯的焊接缺陷，焊趾處過渡平滑，焊縫熔寬為9.81 mm，焊縫熔深為2.56 mm，焊縫深寬比適中，滿足實(shí)際生產(chǎn)中的搭接焊縫要求。

試樣母材和焊縫的金相組織如圖5所示。在焊接過程中，由于焊接熱循環(huán)的作用，導(dǎo)致接頭各個(gè)區(qū)域的顯微組織存在差異。母材區(qū)域組織以鐵素體為主，夾雜少許珠光體，保證了母材較好的強(qiáng)韌性。焊縫中心區(qū)域組織呈方向性生長(zhǎng)排列，以先共析鐵素體為主，晶內(nèi)分布著側(cè)板條鐵素體和針狀鐵素體。以熔合線為分界，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒尺寸增大，組織主要由鐵素體和粒狀貝氏體組成。

2.3顯微硬度分析

焊接接頭顯微硬度測(cè)試參照GB/T 2654—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，顯微硬度計(jì)型號(hào)為HXS1000AC，載荷為0.98 mN，加載時(shí)間為10 s。測(cè)試時(shí)距焊縫中心每0.5 mm取一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)3次數(shù)據(jù)取平均值，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6可見，焊縫（WM）硬度最高，平均硬度為225.5 HV，母材（BM）平均硬度為121.6 HV，約為焊縫區(qū)的53.9%。熱影響區(qū)（HAZ）硬度下降，平均硬度為184.9 HV，約為焊縫區(qū)的81.9%。結(jié)合金相觀察可知，熱影響區(qū)晶粒粗化是該區(qū)域硬度下降的主要原因。

2.4拉伸性能測(cè)試

焊接接頭拉伸性能測(cè)試參照GB/T 2651—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為KY100KNW，拉伸速率為2 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

焊接接頭位于試樣中部，均斷裂在母材處，平均抗拉強(qiáng)度為291.1 MPa，平均斷后伸長(zhǎng)率為29.8%，焊縫的抗拉強(qiáng)度高于母材。圖8為拉伸試樣斷口形貌圖，可以看出為典型的單軸拉伸塑性斷口，由纖維區(qū)和剪切唇2個(gè)特征區(qū)域組成。高放大倍數(shù)下表現(xiàn)為明顯韌窩特征，屬于塑性斷裂，材料的塑韌性較好。

2.5實(shí)際內(nèi)膽生產(chǎn)線應(yīng)用

在實(shí)際內(nèi)膽焊接生產(chǎn)線采用上述最優(yōu)焊接工藝參數(shù)組合進(jìn)行內(nèi)膽整體結(jié)構(gòu)焊接試驗(yàn)，制備完整內(nèi)膽并進(jìn)行氣密性檢測(cè)和脈沖壓力試驗(yàn)，檢測(cè)其焊接質(zhì)量和焊縫性能是否滿足要求。脈沖壓力試驗(yàn)按照GB/T 20289—2006《儲(chǔ)水式電熱水器》進(jìn)行，在內(nèi)膽內(nèi)注入環(huán)境溫度的水排除內(nèi)部空氣，采用額定壓力的15%～（100%±5%）之間的數(shù)值交替對(duì)容器加壓， 25～60次/min，每完成1×104次，保持最大工作壓力10 min，如圖9所示。從圖9中可以看出，內(nèi)膽兩側(cè)環(huán)焊縫成形良好，沿環(huán)向焊縫飽滿均勻，無明顯焊接缺陷。測(cè)試結(jié)果表明，在1×105次脈沖試驗(yàn)后，筒身無滲漏、變形等不良現(xiàn)象，滿足企業(yè)脈沖壓力試驗(yàn)要求。

3結(jié)論

（1）根據(jù)多因素正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果可知，主要工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成形質(zhì)量的影響由大到小依次為焊接電流、焊接速度和電弧電壓。最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)組合為焊接電流190 A，電弧電壓27 V，焊接速度23 mm/s。

（2）在最優(yōu)焊接工藝參數(shù)組合下進(jìn)行多組焊接試驗(yàn)，試樣焊縫表面成形連續(xù)均勻，焊接過程穩(wěn)定，接頭力學(xué)性能較好，能夠滿足實(shí)際內(nèi)膽環(huán)縫生產(chǎn)要求。

（3）采用最優(yōu)焊接工藝參數(shù)組合在實(shí)際內(nèi)膽生產(chǎn)線進(jìn)行焊接試驗(yàn)，內(nèi)膽筒身兩側(cè)環(huán)縫成形良好，焊縫飽滿均勻，無明顯焊接缺陷。脈沖壓力試驗(yàn)達(dá)到1×105次以上，滿足企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量要求。能夠?yàn)閮?nèi)膽實(shí)際生產(chǎn)過程中環(huán)縫焊接環(huán)節(jié)的參數(shù)調(diào)試提供參考和指導(dǎo)，有利于提高產(chǎn)品合格率。

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收稿日期： 2022-02-26

王猛簡(jiǎn)介： 碩士研究生；主要從事焊接工藝與數(shù)值模擬的研究；450641297@qq.com。

魏艷紅簡(jiǎn)介：通信作者，博士，教授，博士生導(dǎo)師；主要從事焊接數(shù)字化與智能化軟件開發(fā)、焊接過程有限元仿真、接頭組織演化模擬、接頭力學(xué)性能預(yù)測(cè)等方向的研究；已發(fā)表論文260余篇；yhwei@nuaa.edu.cn。