張曉冬，王登星，劉金平，吳曄華，潘國(guó)偉，王毅

1.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

2.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司 北京 101300

3.中核高效智能化焊接重點(diǎn)試驗(yàn)室 北京 101300

1 序言

在眾多金屬連接方式中，焊接是最優(yōu)質(zhì)的一種，其既能降低經(jīng)濟(jì)成本，又能降低人工工作量及工作強(qiáng)度，并且連接穩(wěn)定性也較為可靠，是生產(chǎn)作業(yè)中較為重要的一環(huán)。隨著我國(guó)核電工業(yè)的飛速發(fā)展，焊接技術(shù)在核電工業(yè)建設(shè)中所占地位越來(lái)越重要。在核電工業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)中，焊接已成為非常重要的組成部分，其中不僅有同種鋼材焊接的常規(guī)要求，還因強(qiáng)度、材料及其他特殊要求，也有異種鋼焊接需求，需根據(jù)不同的材料特質(zhì)，不同環(huán)境應(yīng)用的實(shí)際情況，來(lái)創(chuàng)建較為完善的焊接方法及焊接工藝規(guī)范。目前，中國(guó)在核電領(lǐng)域預(yù)埋鋼筋塞焊的主要焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊和普通MAG焊[1-3]。因板件厚度、鋼筋直徑較大，在焊接過(guò)程中，普通MAG焊及CO2氣體保護(hù)焊電弧熱量較低，故所達(dá)到的熔深較淺，單次填充量較小，焊接層數(shù)多，導(dǎo)致焊接程序復(fù)雜且穩(wěn)定性差[4，5]。為了改善普通MAG焊的不足，焊接過(guò)程中必須采用較大的焊接熱輸入來(lái)保證焊縫成形及內(nèi)在焊接質(zhì)量。另外，普通MAG焊及CO2氣體保護(hù)焊的送絲速度較慢，熔敷效率低，電弧熱量不集中，若想獲得更大的填充量則必須采用大電流進(jìn)行焊接，但熱輸入過(guò)大會(huì)引起部分焊接缺陷，或因焊接層數(shù)過(guò)多而產(chǎn)生焊接變形，使工程質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，如生產(chǎn)效率低、焊接接頭質(zhì)量低等[6，7]。然而在普通MAG焊基礎(chǔ)上，高峰值脈沖MAG焊可有效提高熔滴過(guò)渡穩(wěn)定性，穩(wěn)定陰極斑點(diǎn)，提高電弧燃燒的穩(wěn)定性，改善焊縫熔深形狀及外觀成形，增大電弧熱功率，提升焊縫的冶金質(zhì)量，減少焊接缺陷，更適用于碳素鋼、不銹鋼等金屬材料的焊接。

基于上述分析，依據(jù)現(xiàn)有鋼筋預(yù)埋件塞焊焊接技術(shù)基礎(chǔ)[8，9]，在焊接工藝方面采用大功率高峰值脈沖MAG焊，并對(duì)此種工藝下獲得的焊接接頭、力學(xué)性能、焊接效率等與普通MAG焊進(jìn)行比較，探討高峰值脈沖MAG焊在預(yù)埋件鋼筋塞焊中應(yīng)用的可能性[10]。

2 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料均來(lái)自核電領(lǐng)域常用型材，板材型號(hào)為321不銹鋼及Q235B低碳鋼，厚度25mm。鋼筋采用HRB400、φ20mm。低碳鋼焊接采用大西洋CHW-50C6焊絲、φ1.2mm，異種鋼焊接采用大西洋ER309焊絲、φ1.2mm。試驗(yàn)材料化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1～表4。

表1 321不銹鋼、ER309焊絲和CHW-50C6焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 HRB400鋼筋力學(xué)性能

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備為最大額定功率350A的EW數(shù)字化焊機(jī)，型號(hào)RD350，機(jī)器人選取安川MA2010弧焊用6軸機(jī)器人，焊接模式選取普通MAG焊和高峰值脈沖MAG焊（見(jiàn)圖1）。

圖1 焊接試驗(yàn)機(jī)型

表2 HRB400鋼筋和Q235B鋼底板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 321不銹鋼和Q235B鋼的力學(xué)性能

2.3 試驗(yàn)方法

路徑規(guī)劃為自主研發(fā)設(shè)計(jì)的一套完整焊接程序，通過(guò)光學(xué)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別焊縫所在位置并自動(dòng)規(guī)劃出焊接行走路徑，通過(guò)與機(jī)器人間的命令通信，完成自動(dòng)排道，從而滿足自動(dòng)化焊接要求。

3 焊接試件尺寸及焊前處理

工件尺寸為100mm×100mm正方形板材，坡口形式如圖2所示。

圖2 坡口形式

應(yīng)先用角磨機(jī)打磨母材表面，避免母材表面存在鐵銹及硬性雜質(zhì)，再用酒精或丙酮擦拭去除表面油污，保證焊縫清潔。

4 試驗(yàn)工藝結(jié)果及分析

試驗(yàn)中同種材質(zhì)的工藝參數(shù)保持一致，如焊接速度、焊接電流、電弧電壓等。以不同焊接模式來(lái)進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行焊縫成形比較及抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以此針對(duì)該材質(zhì)選取合理的焊接模式。

4.1 工藝試驗(yàn)

對(duì)兩種材質(zhì)預(yù)埋件進(jìn)行工藝試驗(yàn)，分別如下。

1）HRB400鋼筋與Q235B低碳鋼底板，焊絲選取φ1.2mm的大西洋CHW-50C6焊絲。保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。噴嘴規(guī)格為φ16mm。

2）HRB400鋼筋與321不銹鋼底板，焊絲選取φ1.2mm大西洋ER309焊絲。保護(hù)氣體為95%Ar+5%CO2。噴嘴規(guī)格為φ16mm。

4.2 焊接參數(shù)

（1）Q235B低碳鋼焊接參數(shù) Q235B低碳鋼的打底焊、填充焊及蓋面焊焊接參數(shù)見(jiàn)表5、表6。

表5 Q235B低碳鋼打底焊焊接參數(shù)

表6 Q235B低碳鋼填充焊、蓋面焊焊接參數(shù)

（2）異種鋼焊接參數(shù) 異種鋼的打底焊、填充焊及蓋面焊焊接參數(shù)見(jiàn)表7、表8。

表7 異種鋼打底焊焊接參數(shù)

表8 異種鋼填充焊、蓋面焊焊接參數(shù)

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 焊縫成形分析

低碳鋼、異種鋼的普通MAG焊焊縫表面如圖3、圖4所示。從圖3可看出，低碳鋼普通MAG焊試件表面魚(yú)鱗紋出現(xiàn)斷裂，填充量較小并存在少許夾渣缺陷，且焊接過(guò)程中存在較大量的飛濺。由圖4可看出，在異種鋼普通MAG焊試件打底過(guò)程中出現(xiàn)焊接裂紋，且打底層填充量不均勻，在缺陷累加后蓋面層填充金屬同樣呈現(xiàn)填充量不均勻的現(xiàn)象。

圖3 低碳鋼普通MAG焊焊縫表面

圖4 異種鋼普通MAG焊焊縫表面

低碳鋼、異種鋼的高峰值脈沖MAG焊焊縫表面如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可看出，高峰值脈沖MAG焊宏觀焊縫成形魚(yú)鱗紋致密，填充量較大，高于母材表面，且表面無(wú)明顯缺陷，焊接過(guò)程中未見(jiàn)裂紋。在保證熔合效果和大填充量的同時(shí)保護(hù)效果良好，填充金屬表面有光澤。

圖5 低碳鋼高峰值脈沖MAG焊焊縫表面

圖6 異種鋼高峰值脈沖MAG焊焊縫表面

5.2 焊縫宏觀金相形貌

普通MAG焊宏觀金相如圖7、圖8所示，普通MAG焊試件經(jīng)線切割、打磨和腐蝕得到宏觀金相圖。由圖7、圖8可看出，普通MAG焊在焊縫層間和根部會(huì)有未熔合現(xiàn)象，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)槠胀∕AG焊中的電流不具有高峰值脈沖MAG焊電流峰值的熔透性，加之普通MAG焊電弧對(duì)熔池的作用力無(wú)法達(dá)到對(duì)熔池的攪拌作用，使焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生部分未熔合現(xiàn)象，從而導(dǎo)致試件的力學(xué)性能下降。

圖7 低碳鋼普通MAG焊宏觀金相

圖8 異種鋼普通MAG焊宏觀金相

高峰值脈沖MAG焊宏觀金相如圖9、圖10所示，高峰值脈沖MAG焊試件經(jīng)線切割、打磨和腐蝕得到宏觀金相圖。由圖9、圖10可看出，高峰值脈沖MAG焊打底層熔透效果良好，填充層側(cè)壁熔合效果良好，未見(jiàn)未熔合現(xiàn)象，填充層填充金屬均勻，焊縫表面平整。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)楦叻逯得}沖MAG焊中的電流峰值較大，可以增加熔深，在組對(duì)間隙復(fù)雜的坡口中可有效地解決根部及側(cè)壁的未熔合問(wèn)題。

圖9 低碳鋼高峰值脈沖MAG焊宏觀金相

圖10 異種鋼高峰值脈沖MAG焊宏觀金相

5.3 接頭力學(xué)性能

低碳鋼、異種鋼焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表9、表10。

表9 低碳鋼力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表10 異種鋼力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

低碳鋼焊接在相同工藝下高峰值脈沖MAG焊試件抗拉強(qiáng)度均符合要求，于鋼筋位置發(fā)生塑性斷裂；普通MAG焊試件抗拉強(qiáng)度低于鋼筋的試驗(yàn)件，斷于焊縫根部。結(jié)合宏觀金相顯示，普通MAG焊熔透性與高峰值脈沖MAG焊相比明顯較差，且熔敷金屬在厚度方向的均勻性較差。加之鋼筋穿孔塞焊坡口形式較復(fù)雜、間隙大小不一，使打底層熔透效果產(chǎn)生差異，導(dǎo)致焊接試件力學(xué)性能受到影響。

在異種鋼焊接過(guò)程中，除低碳鋼焊接過(guò)程中的影響外，普通MAG焊持續(xù)的高熱輸入會(huì)導(dǎo)致奧氏體不銹鋼增碳，在冷卻過(guò)程中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成脆硬的馬氏體組織，加之低碳鋼和不銹鋼的熱膨脹系數(shù)相差較大，導(dǎo)致冷卻至室溫后會(huì)在焊縫根部產(chǎn)生裂紋，從而影響焊接質(zhì)量。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)焊接試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，高峰值脈沖MAG鋼筋塞焊焊接接頭性能良好，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，證明了高峰值脈沖MAG焊焊接工藝是可行的，并具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）試驗(yàn)果表明，在相同焊接電流、電弧電壓、焊接速度等焊接參數(shù)下，與普通MAG相比，高峰值脈沖MAG焊宏觀焊縫成形波紋致密、填充量較大。反觀普通MAG焊，焊縫表面成形較差，波紋出現(xiàn)斷裂，填充量較小并存在少許缺陷。從宏觀金相上看，高峰值脈沖MAG焊組織成形較為穩(wěn)定，各層焊縫間無(wú)焊接缺陷，反觀普通MAG焊，層間未熔合、焊縫兩側(cè)咬邊現(xiàn)象嚴(yán)重。

2）上述試驗(yàn)表明，普通MAG焊的焊后熔合效果較差，宏觀外貌兩側(cè)熔合不均勻，一側(cè)熔深較好，另一側(cè)熔深較淺，未能充分熔合且熔深較淺，出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象；高峰值脈沖MAG焊對(duì)于預(yù)埋鋼筋塞焊，焊后熔合效果良好，焊縫兩側(cè)熔合均勻，外表成形美觀。

3）由力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，普通MAG焊，由于焊接缺陷的存在，其焊后力學(xué)性能較差，斷裂發(fā)生在焊縫處；高峰值脈沖MAG焊對(duì)于預(yù)埋鋼筋塞焊，焊后力學(xué)性能良好，抗拉強(qiáng)度及斷裂位置均符合要求。