摘要:为了研究焊接参数对单面焊双面成形尺寸的影响规律,通过对16Mn板厚6、8、10、12 mm材料的试验,确定了其单面焊双面成形的最佳参数,并找出焊接参数变化对单面焊双面成形尺寸的影响规律。16MnR是一种应用十分广泛的材料,而其中8～12 mm厚度的材料是最常用的,因此对工业生产具有很好的指导作用。
单面埋弧焊双面成形工艺可一次获得双面成形焊缝,具有提高生产率、改善劳动条件、缩小焊接空间位置等优点,因此该工艺在锅炉、压力容器及其他金属结构制造中得到应用。但是实际焊接时,对焊接设备精度、装配质量、焊接参数及网压波动等方面要求较严格,上述诸因素波动程度较大,反面成形质量不易保证,因而这种工艺的应用还受到一定限制。我们以16MnR钢板为例,对焊接参数和工艺因素对单面埋弧焊双面成形质量的影响规律进行研究,以利于该工艺的应用。
1 基准焊接参数确定
为了研究焊接参数对单面焊双面成形尺寸的影响规律,必须确定一定板厚、一定材料时双面成形的最佳焊接参数,即电弧电压、焊接电流和焊接速度。在此基础上变化其他参数就可找出其影响规律。
1.1 试验设备及材料
试验设备采用MZ-1000型埋弧自动焊机。焊丝选用4 mm的H08MnA,焊剂采用HJ431。焊接试板分别为厚6mm、8mm、10mm、12 mm,尺寸为100 mm×1 000 mm的16MnR钢板。
焊前对焊剂烘干,对焊丝和钢板进行除油污和去锈处理。
衬垫采用方槽铜垫板+焊剂,强迫冷却成形方式。垫板尺寸见图1。方槽垫板优于圆弧形成形槽垫板,其焊缝对中要求低、焊剂敷放均匀、反面成形好。
1.2不同板厚基准焊接参数的确定
通过对四种厚度试板的单面埋弧焊双面成形试验,确定了一组正反面成形均良好的焊接参数(表1)。其中电弧电压U、焊接电流I,焊接速度v及坡口间隙c与板厚δ的关系见图2。可见,U与δ、I与δ、c与δ是随δ增加而增加,v与δ是随δ增加而减小。表明焊接热输入量是随板厚增加而增加。这样熔宽和熔深也随之增加,而使正反面成形良好。表1和图2给出的参数变化范围均可使焊缝获得良好成形。表1给出的数据可作为焊接参数对正反面成形影响的中间值或基准参数。
2 焊接参数对正反面焊缝成形的影响
以δ=10 mm的16MnR钢板为例,改变U、I及v三者之一,而保持其他条件不变进行试验,分析U、I、v对正反面成形的影响。
2.1焊接电流变化对成形的影响
试板的基准试验参数为U=39~41 V,I=200~750 A,v=28 m/h,c=2.5~3.5 mm。只改变焊接电流,其他参数不变。电流每变化50 A焊一组试件,共焊5组试件。焊后分别测量焊缝正面熔宽B、余高H和焊缝背面熔宽B′、余高H′。其焊缝熔宽、余高与焊接电流的关系见图3。随电流增大,弧柱直径增大,由于焊件组对间隙较大,使电弧潜入熔池深度增大,这样电弧斑点移动范围受到限制,因而使正面熔宽度化较小,并随电流增大、铁水流入反面熔池量增加,使正面熔宽略有减小。随电流增大,对熔池输人热量和电弧斑点压力增加,焊丝熔化量增多,使熔深增加,在背面则表现为熔宽增加,但由于正面熔宽的限制,背面熔宽增加到一定值后变化渐缓。
随电流增大,焊丝熔化量增多,在正面熔宽近于不变时,使正面余高增大,但同时由于背面焊缝体积亦增大,因而正面余高增量渐小。
随电流增大,电弧吹力及液态金属重力有所增加,背面焊剂熔化量增多且被排斥的体积加大,使背面余高增大,但到一定程度时由于受到成形槽的限制无法增大,只能在一定范围波动。
总之,要想使焊件完全焊透获得理想的双面焊缝,应该采用较大的焊接电流。但并不是电流越大越好,电流过大会使正面焊波粗糙不均匀、出现咬边,而且焊缝金相组织粗大、热影响区加宽、力学性能变差,因此确定焊接电流时宜选下限为好。
2.2电弧电压变化对成形的影响
试板的基准试验参数同前,只改变电弧电压,其他参数不变。电弧电压每变化2 V焊一组试件,共焊四组,分别测量B、H、B′、H′值。焊缝熔宽、熔深与电弧电压的关系见图4。随电弧电压增高,电弧功率加大,工件输入热量有所增加,同时电弧拉长,电弧斑点活动范围变宽,工件熔化面积增大,从而导致焊缝正面熔宽增加。随电弧电压增高,电弧的辐射作用加强,使焊缝背面熔宽略有增加。而焊丝熔化量稍有减少,造成焊缝余高有所减小。
总之,电弧电压主要影响熔宽,不象焊接电流要求那样严格。但电弧电压过高会产生咬边缺陷。因此,电弧电压要与焊接电流相匹配。
2.3焊接速度变化对成形的影响试板的基准焊接参数同前,只改变焊接速度,保持其他参数不变。焊速每变化3 m/h焊一组试件,共焊五组,分别测量B、H、B′、H′值。焊缝熔宽、余高与焊接速度的关系见图5。随着焊接速度增加,焊接线能量减小,因而金属熔敷量减少,从而导致焊缝正面熔宽下降,但背面焊缝熔宽变化缓慢。随着焊接速度的增加,也使正坡口形状坡口表面及其附近擦洗干净,去除污垢。
(4)基层焊接由于基层材料为16Mn钢,其焊接性较好,可采用MMA焊。但由于复合钢的复层是不锈钢,预热温度应控制在300℃以下,焊接时的层间温度也应保持在适宜的低温下,以防止其复层过热或产生晶间腐蚀。基层焊接工作完毕后,应先进行外观检查(焊缝不得存在裂纹、气孔和夹渣等缺陷),然后进行X射线探伤。无损探伤合格后,应将基层焊缝表面打磨平整,使其表面略低于基层金属表面。
(5)过渡层焊接过渡层的焊接是整个接头的关键部位,可采用TIG焊。焊接时,要在保证熔合良好的前提下,应尽量采用较小的焊接电流、较大的焊接速度,以减少焊缝的稀释率。过渡层焊缝金属的表面应高出界面0.1~1.5 mm,基层焊缝表面距离界面要控制在1.5~2.0 mm;过渡层厚度控制在2~3 mm内。过渡层焊接完毕后,应采用超声波或渗透法进行无损检验。
(6)复层焊接因复层材料为1Cr18Ni9Ti,焊接性能良好,故采用TIG焊。但为防止接头出现晶间腐蚀、热影响区的“刀蚀”、焊接接头的应力腐蚀、热裂纹等,选择焊接材料时,尽量使焊缝成为双相组织;采用小电流、大焊速;严格控制层间温度,允许在前后焊道施工间隙时冷却接头,层间温度应小于60℃。
4 焊接顺序
焊接时,按照基层、过渡层、复层的顺序进行焊接。如图2所示。
5 结论.
(1)1Cr18Ni9Ti/16MnR复合钢采用MMA焊与TIG焊综合焊工艺能满足焊接质量要求。
(2)复合钢焊接时,焊接材料的选用应根据被焊钢材的复合组元成分并按基层、过渡层、复层等分别进行选择。
(3)过渡层焊接时,应尽量减少基材金属的熔入量,以减少焊缝的稀释率。