基于可變波形SAW焊縫成形質量研究

高險峰

(福建福船一帆新能源裝備制造有限公司，福建 漳州 363211)

埋弧焊(SAW)[1]是Q345鋼焊接方法之一，具有熔深大、熔敷率高、機械化程度高等優(yōu)點，廣泛地應用于船舶、壓力容器、大型導管、橋梁梁柱等結構中[2]。近年來，國內外學者對焊接工藝方面做了大量的研究[3-5]。胡效東等[6]用埋弧自動焊對 Q345R 鋼板進行對接焊試驗；張新明等[7]開展了填絲埋弧焊相關工藝試驗；楊偉鋒等[8]進行焊接試驗及參數(shù)優(yōu)化；Ravinder等[9]開發(fā)了數(shù)學模型評估極性對埋弧焊焊縫幾何形狀的影響。

本文采用對比試驗方法研究直流、交流波形等參數(shù)對埋弧焊焊縫成形的影響。分別針對極性、頻率、平衡和電壓偏移設計了對比試驗，觀察了方波波形參數(shù)對熔深的影響，計算了熔敷效率，總結了極性、頻率、平衡和電壓偏移在埋弧焊領域的作用和特點，為埋弧焊方波波形參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料與設備

試驗材料為20 mm厚的Q345D鋼板，試樣尺寸為20 mm×700 mm×150 mm。焊材為H10Mn2 4.0 mm + SJ101。Q345D鋼板與焊劑的化學成分如表1和表2所示。試驗使用Powerwave AC/DC 1000SD在試樣板上進行平板單道堆焊，焊接參數(shù)：焊接電流650～800 A，焊接電壓32～36 V，焊接速度38～40 cm/min，埋弧焊示意圖如圖1。

表1 Q345D鋼板的化學成分

表2 S101J焊劑化學成分

圖1 埋弧焊示意圖Fig.1 Schematic diagram of submerged arc welding

1.2 方案及結果

試驗用電流700 A，電壓34 V，焊接速度40 cm/min，具體方案及結果如表3所示。表3中序號1～3為方案一：不同極性情況下的對比方案；序號4～8為方案二：不同頻率情況下的對比方案；序號9～13為方案三：不同平衡情況下的對比方案；序號14～18為方案四：不同電壓偏移情況下的對比方案。同一工藝參數(shù)下的試驗，應盡量保證在同一工況、時間內完成，以此降低隨機誤差。

焊前需對鋼板表面除銹和去油污處理，分別采用砂紙和丙酮進行打磨和清洗，焊劑在 350 ℃下烘干2 h鋪進焊道，然后進行焊接試驗。焊后，電火花線切割取試樣，經(jīng)過打磨、拋光、腐蝕(使用4%硝酸酒精溶液腐蝕)，觀察焊縫的宏觀金相，測得熔深，如圖2～圖5為不同參數(shù)下焊縫宏觀截面圖，測量消耗的焊絲長度及其所用的時間用于計算熔敷效率，將測得的熔深及熔敷效率填入表3。

圖2 不同極性下焊縫宏觀截面圖Fig.2 Macro cross-sectional view of welds under different polarities

圖3 不同頻率下焊縫宏觀截面圖Fig.3 Macro cross-sectional view of welds at different frequencies

圖4 不同平衡下焊縫宏觀截面圖Fig.4 Macro cross-sectional view of welds under different balances

表3 試驗方案及結果

2 試驗結果分析

2.1 電弧熱及電弧力

在埋弧焊過程中，焊接電弧產(chǎn)生高溫熔化母材、焊絲和焊劑，形成熔池，熔池在電弧力、磁力、表面張力及重力等作用下，保持一種穩(wěn)定的形狀尺寸，伴隨著電弧遠離，溫度降低，冷卻凝固形成焊縫。焊接電弧主要由陽極區(qū)、弧柱區(qū)以及陰極區(qū)組成，每一部分有不同的電壓降，如圖6所示[10]。U1為陽極電壓降，U2為弧柱電壓降，U3為陰極電壓降，U為整體電壓降，U=U1+U2+U3。

圖6 電弧各區(qū)域的電壓分布Fig.6 Voltage distribution in each area of the arc

在單位時間內電弧提供的總能量由陽極區(qū)、弧柱區(qū)和陰極區(qū)3部分組成，其總能量P如式(1)，由于產(chǎn)熱機制復雜，因此需要簡化處理，忽略一些次要因素，目前公認的產(chǎn)熱公式如式(2)[11]：

P=P1+P2+P3=IU1+IU2+IU3

(1)

(2)

式中，Q1為陽極區(qū)獲得的熱能(J)；Q2為弧柱區(qū)獲得的熱能(J)；Q3為陰極區(qū)獲得的熱能(J)；Uw為電子溢出電壓(V)；UT為弧柱區(qū)溫度等效電壓(V)。

在變極性的一個周期內，總時間為t，T1為電流正極所占的時間，T2為電流負極所占的時間，F(xiàn)為電弧力，電弧力如公式(3)：

F×t=ΔP=M×(V1-V0)

(3)

其中，M為粒子質量(g)；V0與V1分別為電弧中正粒子的初始速度(m/s)和涌入熔池速度(m/s)。

2.2 波形參數(shù)分析

由試驗可得出極性與熔深、熔敷效率的關系，如圖7所示，在其它參數(shù)相同條件下，熔深DC+>AC(50/50/0)>DC-，熔敷效率DC->AC(50/50/0)>DC+。當DC+焊接時，焊絲接正極，焊件接負極，在負極區(qū)域因材料沸點影響表面溫度不能升得很高，陰極只有局部區(qū)域有導電性，因此陰極的導電性將減弱；而在陽極區(qū)域電流較大，溫度高，有較多的金屬蒸汽，產(chǎn)生更多熱電離，提供足夠的正粒子，陽極的電壓降相對較小[12]。由于U3>>UW，UT<1V，U1較小，由公式2可知Q1

圖7 極性與熔深、熔敷效率關系圖Fig.7 Relationship between polarity and penetration and deposition efficiency

表4 回歸方程顯著性分析表

頻率與熔深

y=8.815-0.021x

(4)

平衡與熔深

y=4.612+0.072x

(5)

平衡與熔敷效率

y=13.521-0.059x

(6)

電壓偏移與熔深

y=8.523+0.076x+0.005x2

(7)

電壓偏移與熔敷效率

y=10.814-0.144x+0.002x2

(8)

在其他工藝參數(shù)保持不變時，頻率與熔深關系如圖8所示，隨著頻率的增大，熔深減小。交流方波埋弧焊頻率可在0～100 Hz調節(jié)，在變極性埋弧焊工作下，正粒子引起的電弧力是影響熔深的主要因素。在一個正半波周期內，正粒子加速從正向電極涌向熔池，由公式(3)可知，隨著頻率的增加，正半波長時間減少，正粒子涌向熔池的加速時間減少，正粒子的速度減小，進而削弱了電弧力；同時電源極性改變會對熔池產(chǎn)生磁力攪拌作用，隨著頻率變大，電極方向改變加快，磁力攪拌作用增強，使熔池熱流分散，降低熔池周圍的電弧力與溫度，電弧對焊件的熔透能力降低，熔深變淺。當頻率較高時，正粒子涌入熔池的速度降低，同時因為頻率的極性變換較快，電弧將變得不穩(wěn)定，熔深變得不均勻，出現(xiàn)一些反常現(xiàn)象[13]。在變極性埋弧焊中，頻率對焊絲的熔化速率可忽略不計，因此忽略頻率對熔敷效率的影響。綜上所述，熔深隨著頻率的增大而減小。

圖8 頻率與熔深關系Fig.8 Relationship between frequency and penetration

在其他工藝參數(shù)保持不變時，平衡與熔深關系如圖9所示。當平衡在0.25～0.75之間可調時，起初正半波時間較短，正粒子從正電極加速時間短、速度小，由公式(3)可知，電弧力較弱，磁力攪拌占主導作用，熱流分散熔深較淺；隨著平衡的增加，正半波時間長，正粒子加速時間長，速度大，電弧力增大，電弧力占主導作用，對焊件熔透能力增強，熔深加大。隨著平衡的增大，正半波時間增長，由公式及2極性分析可知，陽極熱量Q1

圖9 平衡與熔深、熔敷效率關系圖Fig.9 Relationship between balance and penetration and deposition efficiency

在其他工藝參數(shù)保持不變時，電壓偏移與熔深關系如圖10。隨著電壓偏移的增大，陽極的電流幅值增大，正粒子的電壓降增大，由公式(3)可知，電弧力也加大，電弧對焊件的熔透能力加強，熔深增大。當電壓偏移值增大時，增大陽極的電流值，由公式(2)及電弧產(chǎn)熱機制可知，陽極產(chǎn)熱少，陰極產(chǎn)熱多，降低分配到焊材的熱量，焊絲熔化速率降低，熔敷效率降低。綜上所述，熔深隨電壓偏移量的增大而增大(電壓偏移為-10～-5 V)，熔敷效率隨著電壓偏移量的增大而減小。

圖10 電壓偏移與熔深、熔敷效率關系圖Fig.10 Relationship between offset, penetration and deposition efficiency

3 對比優(yōu)化試驗

(1)試驗采用δ20平板對接，無坡口，無間隙，電流750 A，電壓34 V，焊接速度40 cm/min。在A、B面各一道AC(頻率/平衡/電壓偏移：50/50/0)，以及用DC+焊接如圖11所示。兩種焊接方式都能完全熔透，但DC+的熔透效果更好，進一步證明DC+焊接時，電弧力強，熔透效果好，熔深大。

圖11 AC與DC+熔深Fig.11 Penetrations of AC and DC+

(2)試驗采用δ50坡口對接，60°坡口，鈍邊6～8 mm，間隙0～1 mm,背面焊條打底3 mm，電流650～800 A，電壓33～35 V，焊接速度40～50 cm/min，對比AC+DC焊接與DC+焊接的成形質量。由圖12可知，兩焊接方式都能保證完全熔透，但交、直流混合并用方式可使熔池輪廓更加均勻，相比較DC+焊縫更為平整美觀。

圖12 AC+DC與DC+對照圖Fig.12 Comparison of AC+DC and DC+

(3)試驗采用δ30坡口對接，60°坡口，鈍邊6～8 mm，間隙0～1 mm，背面焊條打底3 mm。電流685～750 A，電壓33～37 V，焊接速度40 cm/min。在A面兩道AC/DC+，B面兩道 AC/AC(A面60/75/-4、B面60/75/-5)。從圖13可看出，兩種焊接方式都能完全熔透，但A面AC/DC+的熔透效果更好，熔池形態(tài)較為穩(wěn)定，進一步證明了交、直流混合并用方式可使熔池輪廓更加均勻，相比較AC焊縫更優(yōu)。

圖13 AC/DC+與 AC/AC對照圖Fig.13 Comparison of AC/DC+ and AC/AC

4 結論

1)其它參數(shù)相同條件下，熔深規(guī)律是：DC+>AC(50/50/0)>DC-，熔敷效率DC->AC(50/50/0)>DC+。

2)AC焊接時，在其他參數(shù)相同下，熔深隨著頻率的增大而減小，隨著平衡的增大而增大，隨著電壓偏移的增大呈增大趨勢。

3)AC焊接時，在其他參數(shù)相同下，熔敷效率隨著平衡的增大而減小，隨電壓偏移的增大呈減小趨勢。

4)在埋弧焊接過程中，交、直流并用焊接工藝能更有效地調整焊縫成形質量，以達到實際的生產(chǎn)需求。