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薄板小变形MAG焊焊接工艺研究
薛小怀1 ,陈家本2 ,马玉江2 ,郑惠锦2 ,楼松年1 ,包晔峰1 ,周 昀1
(1. 上海交通大学材料科学与工程学院焊接工程研究所, 上海200030 ;
2. 上海船舶工艺研究所焊接工艺及装备研究室,上海200032)
提要: 本文对4mm 普碳钢钢板小变形MAG焊焊接工艺进行了试验研究,研究结果表明采用该工艺能较好地控制薄板的焊接变形,并且得出了焊接角变形和纵向挠曲变形量在±6mm 范围内合适的焊接工艺参数。
主题词 薄板 焊接变形 MAG焊
美国、俄罗斯等国,在建造大型水面舰艇时,普遍采用高强度船体钢薄板,以减轻舰艇自重,提高舰艇战斗力。然而,也由此带来了控制薄板焊接变形的难题。为解决这个问题,这些国家多采用焊接工装及装配夹具,同时采用气体保护焊接新工艺,甚至不惜成本采用激光焊接技术焊接薄板结构。加拿大采用T. I. M. E. 焊接方法焊接H Y80 钢制造潜艇[1 ] ,[2 ] ,最终控制了焊接变形,达到了舰艇的设计要求。
薄板的焊接变形控制技术是焊接领域的技术难题之一,焊接变形与材料、焊接工艺、焊接方法等因素有关。焊接变形的多样性、焊接变形的多因素交互作用,导致了控制焊接变形技术的复杂性和相互制约作用。采用小变形MA G焊焊接工艺进行薄板焊接,利用该工艺大电流、高速、高效、热输入小的特点开展薄板结构的小变形MA G 焊接技术研究[3 ] ,[4 ] ,对提高舰船建造质量,缩短制造周期,延长服役寿命具有重要的意义。
1 试验方法设备和材料
焊接方法采用小变形MA G 焊;设备采用自行研制的T. I. M. E. 焊焊接系统;焊接电流为190～300A ,焊接电压为28～32V ,焊接速度为0. 4～1. 6m/ min , 送丝速度为36m/ min , 保护气体为Ar 、CO2 、O2 三元保护气体,气体流量为20L/ min ,焊丝干伸长为22mm ;母材为4mm ×300mm ×125mm的普碳钢钢板;焊丝为JW257 实芯焊丝;接头形式为对接试板,单面焊双面成形。焊接前后对试板进行测量,得出试板纵向挠曲变形和角变形的数据。通过本文的研究,得出角变形和纵向挠曲变形量在±6mm 时合适的焊接工艺参数。
2 试验结果
2. 1 焊接电流对变形的影响
在焊接速度(0. 8m/ min) 、间隙(1. 5mm) 和电压(30～31V) 不变的条件下,研究焊接电流对焊接角变形和纵向挠曲变形的影响规律,试验结果见图1 。由图1 可知,焊接电流在230～260A 时,可控制薄板焊接角变形和纵向挠曲变形值在适当范围内。
2. 2 焊接速度对变形的影响
在焊接电流(240A) 、间隙(1. 5mm) 和焊接电压(29～31V) 不变的条件下,焊接速度对薄板角变形和纵向挠曲变形的影响规律,试验结果见图2 。由图2 可知,在所选的焊接速度范围内,薄板焊接角变形和纵向挠曲变形值都在±6mm 范围内。在焊接电流和焊接电压不变的情况下,焊接速度增加,焊接热输入降低,焊接变形减小,****焊接速度受焊缝成形制约。试验结果表明,对于焊接电流240～260A、电压28～31V 时,合适的焊接速度是0. 8～1. 4m/min 。
2. 3 焊接热输入对薄板焊接变形的影响
在间隙(1. 5mm) 不变的条件下,焊接热输入对薄板焊接角变形和纵向挠曲变形的影响规律,试验结果见图3 。由图3 可见,薄板焊接纵向挠曲变形对焊接热输入很敏感,要获得小的纵向挠曲变形,应选用小焊接热输入,避免过大的焊接热输入引起严重的焊接变形。
2. 4 焊接间隙对焊接变形的影响
在焊接电流( 270 ～ 280A) 、焊接速度( 1. 5m/min) 、焊接电压(30～31V) 不变的情况下,间隙对薄板焊接角变形和纵向挠曲变形的影响规律,试验结果见图4 。由图4 可见,间隙对焊接变形的影响也很大,因为间隙的大小影响焊缝截面沿板厚方向的位置,从而影响焊接变形。但是,间隙和变形量之间有一个匹配关系,即间隙在2～3mm 之间,可控制角变形量在- 1～ + 1mm 之间;纵向挠曲变形在-0. 5～4mm 之间。间隙大小还要考虑对焊缝成形的影响。
3 分析与讨论
焊接过程中的局部高温加热和快速冷却,在焊缝中及其近缝区的母材内,产生热应变和压缩塑性应变,进而引起内应力,最终导致构件的纵向挠曲变形和角变形等。纵向挠曲变形与的纵向收缩应力有关[5 ] ,纵向弯曲挠度
式中 b ———纵向焊缝距试板重心的距离;
l ———焊接试板的长度;
E ———弹性模量;
J ———焊接试板截面惯性矩;
PL ———总的纵向收缩应力;
σL ———纵向收缩应力;
A w ———焊缝金属断面面积。
当接头形式和焊板尺寸、材料一定时,σL 为常数。即纵向挠曲变形和挠度与总的纵向收缩应力相关,即与焊缝金属断面面积成正比。所以,能影响焊缝金属断面面积的因素,都能影响焊接试板的纵向挠曲变形。当焊接电流增大,或焊接速度减小,或者焊接热输入增加,或者焊接间隙增大,都将引起焊缝金属断面面积的增加,从而使总的纵向收缩应力增加,最终导致薄板焊接过程中的变形量增加。从图1 和图2 可知,在本文条件下,当采用较大焊接电流和较小焊接速度焊接时,焊接试板的纵向挠曲变形量和角变形量都增加,与上述讨论的结果相符。
但是,在采用小电流和大的焊接速度时,焊接试板的纵向挠曲变形和角变形量也有增大的趋势,这主要与影响薄板焊接变形因素的复杂性有关。因为在一定的焊接电流和焊接速度下,与焊接间隙存在匹配关系,如果采用小电流使焊缝金属的中心线不能确保和试板的中心线重合,将严重影响薄板焊接的应力分布从而发生变形。所以,要综合考虑焊接规范参数和焊接间隙对焊接变形的影响。从图4 可知,焊接间隙与焊接变形量之间存在匹配关系,即焊接间隙在2～3mm 时可获得比较理想的焊接变形控制量。从图3 可见,薄板焊接纵向挠曲变形对焊接热
输入很敏感,根据实际经验,要获得小的焊接变形,必须采用小的焊接热输入,避免过大焊接热输入引起的严重变形。但是考虑到焊缝成形,焊接热输入不能过小,只有采用合适的焊接热输入,才能很好地控制纵向挠曲变形。
由图1～图4 可知,在本文焊接条件下,焊接试板的角变形都在6. 0mm 以内,这主要是因为试板的厚度很薄,只有4mm ,当板厚小于9mm 时,沿试板厚度方向的温度分布趋于均匀,使总的焊接角变形减小。
4 结论
(1) 采用小变形MA G 焊焊接工艺进行薄板焊接,可以使角变形和纵向挠曲变形量控制在±6mm以内,由此可以得出采用该工艺进行薄板焊接是可行的结论;
(2) 在本文条件下,获得较小角变形和纵向挠曲变形量的合适焊接工艺参数为: 焊接电流230 ～260A ,焊接速度0. 8 ～ 1. 4m/ min , 焊接间隙2 ～3mm。
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