范振國

（上?？片斕┛萍加邢薰?，上海 201400）

0 引言

焊接也稱作熔接，是一種以加熱、高溫或高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料的制造工藝及技術(shù)。作為兩個零件連接的常用工藝，焊接質(zhì)量不僅影響焊接產(chǎn)品的使用性能和壽命，更重要的是影響人身和財產(chǎn)安全。焊接間隙是影響焊接質(zhì)量的主要因素之一，周丹桐等具體論證了不同焊接間隙對焊接性能的影響，指出在平焊中，間隙過大會產(chǎn)生焊接變形和過大應(yīng)力集中[1]；同時黃顯峰等通過制動管與接頭體焊接接頭之間焊接間隙的研究，指出焊接裂紋多出現(xiàn)在焊趾處[2]。為保證角焊的焊接質(zhì)量，本文針對某鉆機(jī)內(nèi)套筒焊接件出現(xiàn)的失效情況開展具體研究，從宏觀、微觀觀察入手，再使用控制變量法研究焊接間隙對焊接質(zhì)量的影響，并提出了有效提高焊縫焊接質(zhì)量的建議。

本課題來源于工程中遇到的亟待解決的實際問題，該設(shè)備部件在運行579 h 后，客戶在做日常檢查時發(fā)現(xiàn)大臂延伸鋼桶前端有裂縫，仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，該裂縫出現(xiàn)在加工焊接處，并且裂縫情況比較嚴(yán)重。

1 實驗研究

1.1 宏觀檢查

1.1.1 宏觀分析

樣品表面可見紅色漆層，部分位置呈灰黑色（圖1）。拆除鋼板后發(fā)現(xiàn)，該側(cè)裂紋長約120 mm，裂紋（白色箭頭處）位于焊縫金屬區(qū)（1#焊縫），且沿著焊縫縱向擴(kuò)展（圖1b））；焊縫表面可見紅色漆層，局部位置的漆層已脫落；焊接內(nèi)側(cè)焊縫基本上位于焊縫的焊根部位。

圖1 宏觀形貌

1.1.2 斷口分析

進(jìn)行斷口微觀形貌分析，根據(jù)微觀形貌與宏觀形貌的對應(yīng)關(guān)系，可進(jìn)一步判斷失效類型[4]。

打開裂紋，清洗后的斷口表面呈灰黑色，斷口附近的母材表面可見較多焊渣，局部位置可見紅褐色的銹蝕特征（圖2a）），其線框處的電鏡照片如圖2f）所示（放大比例為1∶500），可見斷口表面覆蓋有較厚的腐蝕產(chǎn)物，局部位置可見疲勞輝紋特征；圖2b）為斷口宏觀形貌，斷口整體較光滑；圖2c）為左側(cè)斷口局部放大形貌，可見貝殼紋特征。貝殼紋法線方向代表疲勞裂紋擴(kuò)展方向，處于應(yīng)力集中狀態(tài)，容易形成裂紋源[3]。

將斷口典型部位（圖2b）和圖2c）所示位置）切割取樣清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察，左側(cè)斷口線框處放大比例分別為1∶800和1∶430 的電鏡照片如圖2d）、圖2e）所示，隱約可見疲勞輝紋。這是疲勞斷裂的典型特征，疲勞輝紋的存在加快了裂紋的拓展速度[5]。

疲勞斷口一般由疲勞源、疲勞裂紋、疲勞裂紋拓展區(qū)和瞬斷區(qū)組成[6]。圖2c）顯示了該焊接件在載荷作用下，首先由于應(yīng)力集中產(chǎn)生貝殼紋，并以此為裂紋源沿法線方向擴(kuò)展。疲勞源一般出現(xiàn)在焊接件表面，由于裂紋兩面在載荷作用下不斷相互接觸，因此斷裂區(qū)域較光滑（圖2b））。由于較多疲勞輝紋的出現(xiàn)，加劇裂紋擴(kuò)展，直至材料發(fā)生瞬斷[7]。

圖2 斷口形貌

當(dāng)焊接間隙過大時，焊縫質(zhì)量會有所降低，更容易在負(fù)載下發(fā)生疲勞失效，同時焊接間隙也會使工件自身相對振動更加明顯，即會出現(xiàn)較光滑斷口。由斷口的上述分析可知，該失效屬于應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞失效，裂紋兩面在載荷作用下不斷相互接觸，這與焊接間隙過大所造成的失效情況相一致。因此可以得出，該零件疲勞失效的主要原因是焊接間隙過大導(dǎo)致的焊縫質(zhì)量降低。

1.2 失效重現(xiàn)

1.2.1 焊縫間隙產(chǎn)生原因及影響

失效重現(xiàn)是探究實際生產(chǎn)加工過程中導(dǎo)致問題發(fā)生因素的常用方法[8]?？紤]焊接加工工藝的實際步驟，影響焊接間隙產(chǎn)生的原因有零件尺寸、中心車架尺寸、側(cè)車架尺寸、工裝尺寸和人員操作等。這些因素均會對焊接工藝產(chǎn)生一定影響，包括降低焊接質(zhì)量、導(dǎo)致焊接變形、增加焊接成本和降低焊接效率以及提高焊接操作技能的要求等，因此，控制焊縫間隙以減弱此影響對完善焊接工藝有著重要作用。

1.2.2 實驗內(nèi)容

檢查問題部件的加工工藝，是否有明顯誤差，如果發(fā)現(xiàn)明顯誤差，按照失效零件的加工情況重復(fù)加工過程，對比是否具有相同的失效特征；若無明顯誤差，就依據(jù)控制變量法原則，每次改變其中一種因素而其他因素保持不變，重復(fù)加工與對照以找到主要影響因素，各因素的實驗情況如表1 所示。

表1 失效原因

當(dāng)前，為保證焊接質(zhì)量和效率，角焊通常使用機(jī)器人自動焊接，但在本此實驗中考慮到人員操作采用手工焊接[9]。在本次實驗過程中，可以發(fā)現(xiàn)兩個明顯誤差。

（1）中心車架尺寸，其他條件不變的條件下，連續(xù)更換6 臺中心車架，10 個連接點的間隙數(shù)據(jù)變化很大，中心車架尺寸不穩(wěn)定。

（2）工裝尺寸，工裝尺寸實測超差0.7 mm，遠(yuǎn)大于圖紙要求的±0.3 mm。其余尺寸均復(fù)合自由公差要求，在保證人員操作物任何改變的前提下，進(jìn)行重復(fù)加工，可再現(xiàn)失效特征。

上述實驗表明，導(dǎo)致該部件焊接間隙產(chǎn)生的原因主要為中心車架尺寸不穩(wěn)定、工裝尺寸實際誤差較大。為盡量避免上述因素導(dǎo)致間隙出現(xiàn)的情況，可采用以下解決措施：①明確焊接間隙要求；②控制兩側(cè)梁零件尺寸；③調(diào)整中心車架工裝和控制焊接變形；④出具工藝圖明確中心車架和側(cè)梁的配合尺寸。

1.3 試樣模擬實驗

在其他條件均不變的前提下，改變角焊的焊接間隙，通過焊接效果來說明焊接間隙對角焊焊接質(zhì)量的影響。

1.3.1 實驗內(nèi)容

焊接實驗如圖3 所示，以兩塊試樣3 為翼板，使試樣2 為腹板，在試樣2 凹槽處進(jìn)行焊接使其與試樣1 固定。焊接完成后，以試樣2 上垂直于試樣1 與試樣2 相交直線，且經(jīng)過各凹槽中點的直線為截線對焊接件進(jìn)行切割，得到各焊接處的截面。

圖3 焊接安裝示意

（1）試樣尺寸：試樣1-（15×560×150）mm；試樣2-（12×560×150）mm（該試樣560×12 mm 側(cè)面均勻分布著深度1.0～4.0 mm、厚度3.0 mm 的7 個凹槽，這些凹槽為實驗中的焊接點，凹槽深為焊接間隙，圖4）；試樣3-（16×150×125）mm。

圖4 試樣2 尺寸

（2）焊接采用135-GMAW 工藝。焊絲材料為AWS 5.18 ER70S-6 和JM56，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO，基材為Q355D，焊接方式為平角焊。

圖5 為焊接間隙由1.5 mm 到4.0 mm 的焊接截面圖，可以明顯看出，焊接間隙為1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 的焊接處沒有明顯的裂縫；焊接間隙為3.0 mm 及3.5 mm 的焊接處出現(xiàn)明顯的表面裂紋[10]；焊接間隙為4.0 mm 的焊接處有明顯的內(nèi)裂紋[11]。

圖5 實驗結(jié)果

該實驗表明，其他條件保持不變時，隨著焊接間隙的增大，焊接質(zhì)量會逐漸降低直至出現(xiàn)明顯缺陷。

1.3.2 實驗核實及分析

為更準(zhǔn)確地得到各個焊接間隙出現(xiàn)焊接失效的概率，在上述實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了5 組試樣實驗，并對實驗現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計，表面裂紋、內(nèi)裂紋出現(xiàn)的概率以及兩者概率之和與間隙大小的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 裂紋出現(xiàn)概率—間隙大小函數(shù)圖像

從圖6 可以看出，當(dāng)間隙小于2 mm 時，焊接裂紋出現(xiàn)的概率近似為0；當(dāng)間隙大于2 mm 時，表面裂紋出現(xiàn)概率先增大后減小，而內(nèi)裂紋出現(xiàn)概率逐漸增大。由此可以得到結(jié)論，在角焊工藝中，當(dāng)焊接間隙大于2 mm 時焊縫有出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險，且間隙越大風(fēng)險越大。

1.4 填充焊接實驗

在角焊焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)中明確了角焊采用手工電弧焊以及機(jī)器焊接方法。對于手工電弧焊，明確指出了焊接間隙要小于2 mm；對于機(jī)器焊接，該標(biāo)準(zhǔn)給出了不同焊接間隙a 的焊接方法，其中當(dāng)a＞3 mm 時采用先填充再焊接的工藝。

對于上述標(biāo)準(zhǔn)是否適用于實際焊接加工，進(jìn)行了一組對照實驗，結(jié)果見圖7。焊接件1 采用先填充后焊接，焊接件2 采用直接焊接無填充，兩組焊接間隙均為4 mm。由焊接截面圖可以看出，當(dāng)間隙較大時，無論是直接焊接還是填充后焊接，焊接質(zhì)量均較差，填充后焊接甚至出現(xiàn)內(nèi)裂紋。因此，該標(biāo)準(zhǔn)存在瑕疵，應(yīng)盡量避免焊接間隙過大的情況。

圖7 填料與否對比實驗

1.5 有限元分析

數(shù)值模擬技術(shù)在各種焊接過程中有著廣泛應(yīng)用，包括在焊接中的能量傳遞以及應(yīng)力應(yīng)變和組織相變等[12]。由于焊接殘余應(yīng)力是引起焊接變形、失穩(wěn)和疲勞斷裂的主要原因[13]，本文模擬了焊縫各部位應(yīng)力大小與焊接間隙之間的關(guān)系，通過應(yīng)力—間隙大小曲線圖預(yù)測焊接裂紋可能出現(xiàn)的位置。

有限元分析模型如圖8 所示，其中H 表示腹板板高，L 表示翼板板寬，tf和tl分別表示腹板和翼板的板厚，a 表示焊縫，g 表示焊接間隙，i 表示焊接浸入部分。限制焊接件豎直方向的自由度，不另加外力，分析此時焊縫各處內(nèi)應(yīng)力。

圖8 有限元分析模型

通過有限元分析得到的焊縫各部位應(yīng)力與焊接間隙的關(guān)系如圖9 所示，焊縫中部和頂部的應(yīng)力隨著間隙增大而在增大；焊縫根部的應(yīng)力曲線波動較大，呈波浪式上升。在焊縫大于2.5 mm 處，焊縫中部以及焊縫根部的應(yīng)力較大，并且對于失效的試件，試件裂紋處于實際最大應(yīng)力處[14]。由此可以得出，焊接間隙越大越容易產(chǎn)生裂縫，同時焊縫主要集中于焊縫中部以及焊縫根部[15]。

圖9 焊縫各處應(yīng)力—間隙大小函數(shù)圖像

2 分析與討論

2.1 材料分析

經(jīng)檢測，某零件的化學(xué)成分、力學(xué)性能符合國標(biāo)GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》對Q355D 的規(guī)定，其母材顯微組織正常。

碳元素是決定鋼材性能的重要元素之一，適當(dāng)?shù)奶己靠梢燥@著提高鋼材強(qiáng)度，但控制不當(dāng)會導(dǎo)致組織粗化并且降低焊接性能[16]，根據(jù)材料Q355D 的化學(xué)成分，該材料的碳當(dāng)量依據(jù)國際焊接學(xué)會碳當(dāng)量公式可求得，［C］=0.2%，該材料焊接性優(yōu)良[17]，焊接時一般不需要加熱。

2.2 焊接工藝設(shè)計合理性分析

焊接質(zhì)量可依據(jù)焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來評定，焊接質(zhì)量與焊接工藝、焊接材料、焊接結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，其中包括母材和焊材、工藝評定及規(guī)程、操作人員技能、焊接過程控制及環(huán)境與健康安全評定等，標(biāo)準(zhǔn)ISO 5817—2014《焊縫檢驗及評定》對角焊焊縫質(zhì)量等級做了集體評定[18]。

ISO 5817—2014 中，角焊質(zhì)量等級的評定是依據(jù)焊接間隙與焊縫之間的關(guān)系見表3（h 表示焊接間隙、a 表示焊縫焊喉尺寸）：當(dāng)板厚大于3 mm 時，D 級對焊接間隙的要求是h≤1 mm+0.3a 且最大不超過4 mm；C 級對焊接間隙的要求是h≤0.5 mm+0.2a 且最大不超過3 mm；B 級對焊接間隙的要求是h≤0.5 mm+0.1a 且最大不超過2 mm。以樣品E4.4.0為例，其滿足D 級要求，但是卻出現(xiàn)了內(nèi)裂紋，因此該標(biāo)準(zhǔn)需要一定修改。

表3 ISO 5817—2014 的焊縫質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)

企業(yè)結(jié)合制造、機(jī)器實際使用壽命等情況，修改企業(yè)角焊質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，見表4，評定原則為：D 級要求h≤1 mm+0.3a 且最大不超過3 mm；C 級要求h≤0.5 mm+0.2a 且最大不超過2 mm；B級要求h≤0.5 mm+0.1a 且最大不超過1.5mm。

表4 企業(yè)的焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)論

通過試樣模擬實驗以及理論分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）焊接間隙大于2 mm 會導(dǎo)致焊接裂紋出現(xiàn)的概率增大，且焊接裂紋主要出現(xiàn)在焊縫中心以及根部。

（2）通過添加填料不能有效避免因焊接間隙過大而導(dǎo)致的焊縫質(zhì)量下降的問題。

（3）可以通過明確焊接間隙要求、控制兩側(cè)梁零件尺寸、調(diào)整中心車架工裝和控制焊接變形、出具工藝圖明確中心車架和側(cè)梁的配合尺寸等方法來控制焊接間隙。

（4）根據(jù)試樣模擬實驗結(jié)果，對現(xiàn)有焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)做了一些修改，避免由于焊接間隙過大而導(dǎo)致的焊接裂縫。