摘 要： 針對厚板坡口根部焊接難的問題，文中提出了一種采用搖動電弧的窄間隙坡口自由成形打底焊接方法，通過控制電弧做圓弧形軌跡搖動來調(diào)整電弧熱分布，使焊接熔池自由凝固成形．進行了搖動電弧窄間隙自由成形打底焊接試驗，研究了電弧搖動參數(shù)對打底焊縫自由成形的影響．結(jié)果表明：電弧搖動參數(shù)能顯著影響打底焊縫自由成形，過小的搖動參數(shù)易使打底焊縫燒穿，適當增大電弧搖動參數(shù)可增強坡口側(cè)壁與根部的熔透，過大的搖動參數(shù)會產(chǎn)生未焊透缺陷．

關(guān)鍵詞： 搖動電??；窄間隙熔化極電弧焊；打底焊接；自由成形

中圖分類號：TG444"" 文獻標志碼：A"""" 文章編號：1673-4807（2024）02-036-05

Research on swing arc narrow gap free forming root welding process

Abstract：In view of the difficulty in root welding for thick plate grooves， this paper proposes a narrow gap free forming root welding method by swing arc， which adjusts the arc heat distribution by controlling the arc to swing circularly， so that the welding pool can solidify and form freely. The swing arc narrow gap free forming root welding experiments are carried out， and the influence of swing parameters on free forming root weld is investigated. The results indicate that the arc swing parameters significantly affect the free forming of root weld. The root weld is easy to be burnt through when the swing parameters are too small， and the penetration of groove sidewall and root can be enhanced by appropriately increasing the arc swing parameters. However， great swing parameters will lead to incomplete penetration defects.

Key words：swing arc， narrow gap metal arc welding， root welding， free forming

我國船舶、海工平臺、壓力容器等大型裝備正在向著厚壁化發(fā)展，中厚板鋼結(jié)構(gòu)的應用越來越多[1-2]，相應地對高效高質(zhì)量的中厚板焊接技術(shù)需求日益凸顯．窄間隙熔化極電弧焊方法具有坡口間隙小、焊接熱輸入低、接頭力學性能好等優(yōu)點，在厚板鋼結(jié)構(gòu)制造領域中受到越來越多關(guān)注[3-4]．

為解決厚板窄間隙焊接坡口側(cè)壁熔透和焊縫成形問題，先后開發(fā)了多種單絲窄間隙熔化極電弧焊工藝方法，典型的包括：蛇形焊絲焊接法[5]、高速旋轉(zhuǎn)電弧焊接法[6-8]、搖動電弧焊接法[1-2， 9]、超窄間隙電弧焊接法[10]等．但是，對于密封、不易翻身和背面焊接空間狹小的厚板鋼結(jié)構(gòu)，上述窄間隙電弧焊工藝還不能實現(xiàn)自由成形打底焊接．

文中提出一種采用搖動電弧的窄間隙坡口自由成形打底焊接方法，通過控制電弧在坡口內(nèi)做往復式圓弧形軌跡搖動，調(diào)節(jié)電弧熱分布，使焊接熔池能自由凝固成形．文中介紹了搖動電弧窄間隙自由成形打底焊接系統(tǒng)及方法，并通過焊接試驗研究了電弧搖動參數(shù)對打底焊縫自由成形的影響規(guī)律，為該方法的工程應用提供指導．

1 試驗

1.1 試驗系統(tǒng)

搖動電弧窄間隙自由成形打底焊接系統(tǒng)如圖1，主要由搖動電弧窄間隙焊炬、焊接電源、送絲機構(gòu)等構(gòu)成，其中搖動電弧窄間隙焊炬又包括電弧驅(qū)動與饋電裝置、折彎導電桿、導電嘴等．送絲機構(gòu)送出的焊絲，依次穿過電弧驅(qū)動與饋電裝置、折彎導電桿后，從導電嘴中心孔伸出至窄間隙坡口根部．

焊接時，通過控制電弧驅(qū)動與饋電裝置來轉(zhuǎn)動折彎導電桿和導電嘴，帶動焊絲端部的電弧在窄間隙坡口內(nèi)圍繞焊炬中心做周期性往復式圓弧形搖動，并在坡口兩側(cè)壁處做短暫停留，以充分熔透坡口側(cè)壁．焊接保護氣體同時從坡口正上方和背面對焊接區(qū)域進行保護，焊接熔池在電弧力、表面張力及重力的共同作用下自由凝固，實現(xiàn)搖動電弧窄間隙自由成形打底焊接．

1.2 試驗方法

試驗所用焊接工藝參數(shù)如表1．試驗過程中，僅改變電弧搖動參數(shù)（搖動頻率、搖動角度、側(cè)壁停留時間），并同步記錄焊接電流和電弧電壓，來研究電弧搖動工藝對窄間隙熔化極電弧打底焊縫自由成形的影響規(guī)律．

焊接試板材質(zhì)為Q370，單塊試板尺寸為230 mm×26 mm×20 mm，坡口形式為窄間隙單U形坡口，如圖2．其中，坡口間隙為12 mm，根部間隙為3 mm，鈍邊厚度為2 mm，坡口根部圓弧半徑為4.5 mm．所用焊接材料為直徑1.2 mm的實心焊絲，牌號為MG50-6．焊接保護氣為Ar+20%CO2，流量為20 L/min．

焊后，在距離引弧100 mm處截取厚度10 mm的試樣，用于觀測焊縫橫截面成形．為研究電弧搖動參數(shù)對打底焊縫成形的影響規(guī)律，定義了焊縫橫截面成形參數(shù)，如圖2．其中：① Bmax為最大熔寬，用于評價坡口側(cè)壁的熔透；② Bmin為最小熔寬，用于評價鈍邊在坡口寬度方向上的熔透；③ h為鈍邊上端熔深，用于評價鈍邊在坡口深度方向上的熔透；④ Hb為背面余高，用于評價坡口根部的熔透．

2 結(jié)果與分析

2.1 搖動頻率的影響

圖3為不同搖動頻率的焊縫宏觀成形照片，其中搖動角度α為69°，單個側(cè)壁停留時間t為60 ms．從圖中可以看出，調(diào)節(jié)搖動頻率f顯著改變了搖動電弧打底焊縫成形．搖動頻率f為1.5 Hz時，打底焊縫燒穿明顯，背面成形斷續(xù)；搖動頻率f提高到2.0 Hz后，打底焊縫背面成形連續(xù)穩(wěn)定，坡口根部熔透好；但繼續(xù)增大搖動頻率f后，打底焊縫的背面成形和熔透均變差，并在搖動頻率f為3.0 Hz時出現(xiàn)明顯未焊透．

圖4為不同搖動頻率的電弧U/I圖，該圖反映了焊接過程中的電弧穩(wěn)定性．搖動頻率f從2.0 Hz增大到3.0 Hz后，電弧熄滅與重新引燃次數(shù)明顯增多，短路電流明顯增大，電弧U/I分布明顯分散，表明此時電弧穩(wěn)定性下降．其它條件一定時，提高搖動頻率使得電弧搖動期間的移動速度增大，坡口兩側(cè)熔池來不及搭接就已凝固，打底焊縫背面成形連續(xù)性變差，從而電弧易在坡口中心熄滅并在坡口兩側(cè)壁處重新引燃，電弧穩(wěn)定性下降，對坡口側(cè)壁加熱作用減弱（圖5），最終導致最大熔寬Bmax減?。▓D6）．

圖5為不同搖動頻率的平均電弧能量，其中q1為電弧搖動期間的平均電弧能量，q2為電弧側(cè)壁停留期間的平均電弧能量，如式（1）和式（2）：

隨著搖動頻率f的增大，單位時間內(nèi)電弧直接加熱側(cè)壁頻次增多，同時電弧搖動期間的移動速度增大，導致電弧側(cè)壁停留期間的平均電弧能量q2增加，而電弧搖動期間的平均電弧能量q1減小．

圖6為搖動頻率對焊縫成形參數(shù)的影響．搖動頻率f增大后，電弧對坡口側(cè)壁的加熱作用增強，而對坡口中心區(qū)域的加熱作用減弱，最終最大熔寬Bmax先增大后減小，而最小熔寬Bmin、鈍邊上端熔深h和背面余高Hb均逐漸減小．搖動頻率f增大至3.0 Hz后，鈍邊上端熔深h和背面余高Hb減小到幾乎為0，同時最小熔寬Bmin因焊接熱變形而略小于初始根部間隙，表明此時坡口鈍邊幾乎未熔化，坡口根部產(chǎn)生未焊透．

2.2 搖動角度的影響

圖7為不同搖動角度的焊縫宏觀成形照片，其中搖動頻率f為2.0 Hz，單個側(cè)壁停留時間為60 ms．從圖中可以看出，改變搖動角度也會影響打底焊縫的熔透狀態(tài)．搖動角度α為59°時，打底焊縫燒穿明顯，背面成形斷續(xù)，存在大尺寸焊瘤；搖動角度α增大到69°后，打底焊縫背面成形連續(xù)穩(wěn)定，坡口根部熔透良好，焊瘤消失；繼續(xù)增大搖動角度α至79°后，僅鈍邊上端少量熔化，打底焊縫背面成形連續(xù)性被破壞，出現(xiàn)明顯未焊透．

圖8為搖動角度對焊縫成形參數(shù)的影響．隨著搖動角度α的增大，電弧在側(cè)壁處停留時距離坡口側(cè)壁更近，對坡口側(cè)壁的加熱作用增強，從而促進坡口側(cè)壁熔透，使最大熔寬Bmax增大；同時，電弧的熱作用范圍變寬，坡口中心的電弧熱作用減弱，導致根部鈍邊在坡口寬度和深度方向上的熔透效果均逐漸降低，相應地，最小熔寬Bmin、鈍邊上端熔深h和背面余高Hb均減小．當搖動角度α為79°時，鈍邊上端熔深h和背面余高Hb幾乎為0，同時最小熔寬Bmin幾乎等于初始根部間隙，表明此時坡口鈍邊近似未熔化，坡口根部未焊透現(xiàn)象明顯．

2.3 側(cè)壁停留時間的影響

圖9為不同停留時間的焊縫宏觀成形照片，其中搖動頻率f為2.0 Hz，搖動角度α為69°．從圖中可以看出，類似地，改變側(cè)壁停留時間也顯著影響了打底焊縫的熔透成形．當單個側(cè)壁停留時間為20 ms時，打底焊縫燒穿明顯，背面成形出現(xiàn)了大尺寸焊瘤；停留時間從20 ms增大到60 ms后，打底焊縫背面成形逐漸連續(xù)，熔透逐漸穩(wěn)定；繼續(xù)增大停留時間后，部分焊接熔池流淌至根部間隙內(nèi)凝固，僅鈍邊上端少量熔化，坡口根部未焊透現(xiàn)象明顯．

圖10為側(cè)壁停留時間對焊縫成形參數(shù)的影響．隨著側(cè)壁停留時間的增大，單個搖動周期內(nèi)電弧直接加熱坡口側(cè)壁的時間增長，而對坡口中心區(qū)域的加熱時間縮短，從而使得最大熔寬Bmax逐漸增大，最小熔寬Bmin、鈍邊上端熔深h和背面余高Hb逐漸減?。斖Ａ魰r間增大到100 ms后，最小熔寬Bmin接近初始根部間隙，鈍邊上端熔深h和背面余高Hb減小到接近為0，表明此時坡口鈍邊幾乎未熔化，坡口根部出現(xiàn)明顯未焊透．

3 結(jié)論

（1） 提出了一種搖動電弧窄間隙自由成形打底焊方法，通過調(diào)節(jié)電弧搖動參數(shù)，可改變窄間隙坡口打底焊時的電弧熱分布，使焊接熔池能自由凝固成形．

（2） 進行了搖動電弧窄間隙坡口自由成形打底焊接試驗，電弧搖動參數(shù)過小易使打底焊縫燒穿，增大電弧搖動參數(shù)可增強坡口側(cè)壁和根部的熔透，但過大的電弧搖動參數(shù)又會造成坡口根部未焊透．

（3） 電弧搖動頻率過大時，電弧熄滅與重引燃次數(shù)增多，電弧穩(wěn)定性明顯下降，電弧加熱作用顯著減弱，不利于搖動電弧自由成形打底焊縫的熔透．

（4） 針對根部間隙3 mm、鈍邊厚度2 mm的窄間隙單U形坡口，在搖動頻率為2.0 Hz、搖動角度為69°、單個側(cè)壁停留時間為60 ms時，可獲得熔透良好、無燒穿缺陷的自由成形打底焊縫．

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