梁曉梅 王猛 吳妍 常云峰

摘要： 采用激光-MAG復(fù)合熱源打底+雙絲MAG填充及蓋面焊接方法，對(duì)45 mm厚ZG30SiMn鋼和高強(qiáng)耐磨中板NM400鋼進(jìn)行焊接。對(duì)比雙V形、雙U形及雙半U(xiǎn)形3種焊接坡口類型對(duì)焊縫熔透性、焊接間隙、鈍邊尺寸變化的工藝適應(yīng)性，并對(duì)不同焊接坡口的接頭進(jìn)行室溫拉伸、低溫沖擊測(cè)試，分析了3種接頭不同位置的性能差異。結(jié)果表明，雙U形坡口的工藝適應(yīng)性及接頭力學(xué)性能最優(yōu)，雙半U(xiǎn)形次之，雙V形最差，且接頭根部性能差異較大，即坡口根部為圓角過渡的雙U形及雙半U(xiǎn)形更適合中部槽焊接結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞： 中部槽；激光-MAG復(fù)合熱源；雙絲MAG；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TG456.7

Abstract： The laser MAG hybrid welding that is used to backing weld and the twin-wire MAG welding that is used to fill are used to weld 45 mm thick ZG30SiMn and high-strength wear-resistant plate NM400. The welding penetration， the adaptability for welding gap and the variation range for blunt edge size are contrasted for three types of welding groove： the double V-shaped， the double U-shaped and semi-double U-typeMeanwhile， the room temperature tensile and the low-temperature impact testing of different welding groove joints are compared tooFinally， the joint performance of different position for three types are analysised.The results show that the technology adaptability and optimum mechanical properties of the double U-shaped groove welding joint is the best， followed by the semi-double U-shaped welding joint， and the double V-shaped welding joint is worstSo the conclusion is that the root of the double U-shaped groove and semi-double U-shaped are more suitable for the central groove welding structure.

Key words： core pan； laser-MAG arc hybrid welding； twin-wire MAG； mechanical properties

0 前言

刮板輸送機(jī)作為煤礦工作面的主要運(yùn)輸設(shè)備，它的可靠、穩(wěn)定、高效運(yùn)行直接影響著礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。中部槽是刮板輸送機(jī)的關(guān)鍵部件，其自身總重量或總長(zhǎng)度約占一套刮板輸送機(jī)總自身質(zhì)量的70%～80%[2]。因此，中部槽的焊接質(zhì)量及焊接效率直接影響到產(chǎn)品的使用壽命和生產(chǎn)成本[3]。

焊接材料、結(jié)構(gòu)、方法是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，中部槽焊接方法大多采用手工熔化極氣體保護(hù)焊（MAG）打底+雙絲MAG填充蓋面的焊接方法[4]，焊接速度低，焊縫根部容易出現(xiàn)未焊透、未熔合、裂紋等缺陷。文中采用激光-MAG復(fù)合熱源打底+雙絲MAG擺動(dòng)焊接填充及蓋面，利用復(fù)合焊熔深大、熱輸入低、焊接速度快、間隙適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，可以有效地解決中部槽焊接生產(chǎn)的上述問題，在中、厚板焊接上優(yōu)勢(shì)更為明顯。材料和方法一定時(shí)，焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)則尤為重要，焊接結(jié)構(gòu)主要與鋼板厚度、坡口類型有關(guān)[6]，中部槽常用的坡口類型有雙面V形和K形兩種[7-8]。研究表明，將K形改進(jìn)為雙面半U(xiǎn)形，可以有效增加焊接熔深，有利于提高根部焊縫熔透性，避免根部未焊透[9-13]。文中考察了不同焊接坡口類型對(duì)焊接工況適應(yīng)性、接頭性能的影響，并基于試驗(yàn)研究，提出了一種適用于中部槽焊接的焊接坡口。

1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用槽幫材料為鑄造ZG30SiMn，中板材料為NM400，厚度為45 mm，大小為400 mm×150 mm，焊絲為1.2 mm的ER69-G，母材和焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。焊接坡口為雙U形、雙V形、雙半U(xiǎn)形，如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

激光-MAG復(fù)合焊接方法進(jìn)行打底焊試驗(yàn)（圖2），預(yù)熱溫度≥100 ℃，雙絲MAG填充蓋面，對(duì)稱焊接，正、反面打底焊各一道，填充、蓋面采用擺動(dòng)焊接，擺動(dòng)幅度在1～2 mm范圍內(nèi)不等。復(fù)合焊接系統(tǒng)包括通快6 kW光纖激光器，光纖直徑0.3 mm，福尼斯TPS4000型焊機(jī)、平面工作臺(tái)及自制行走機(jī)構(gòu)，激光在前電弧在后的焊接方式，打底焊、填充及蓋面焊接工藝參數(shù)分別見表2和表3，打底焊時(shí)除單一變動(dòng)的參數(shù)外，其余參數(shù)不變。

焊后48 h沿垂直焊接方向截取焊縫斷面，研磨拋光后用過飽和的FeCl3水溶液進(jìn)行腐蝕觀察，通過Image-ProPlus圖像處理軟件對(duì)焊縫成形尺寸進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)溫度為-20 ℃下在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊性能測(cè)試；用液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試；試樣分上、中兩層取樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光-MAG復(fù)合熱源工藝適應(yīng)性試驗(yàn)

實(shí)際焊接過程中，鋼板加工的尺寸精度、表面平整度都難以保證，往往會(huì)造成焊接結(jié)構(gòu)的鈍邊、角度等尺寸發(fā)生變化，而且在焊接件裝配階段會(huì)出現(xiàn)對(duì)接錯(cuò)邊、焊件間隙存在誤差，特別是對(duì)于中部槽這種尺寸較大的焊接結(jié)構(gòu)。這些因素造成的尺寸誤差會(huì)更大，

過大時(shí)會(huì)影響焊縫成形甚至產(chǎn)生焊接缺陷。因此，檢驗(yàn)焊接工藝的工藝適應(yīng)性是必要的。

2.1.1 不同焊接坡口的熔透性

相同焊接熱輸入下3種坡口的焊縫熔透能力不同，如圖3～5所示，對(duì)于雙V形坡口，激光功率P≥4.5 kW時(shí)，鈍邊全部熔透，熔深為12 mm，形狀呈高腳杯狀，正背面成形均較好；P=4.0 kW時(shí)，焊縫形狀成V形，部分焊縫未熔透，焊縫背面熔透性不好，呈斷斷續(xù)續(xù)狀，焊縫表面粗糙且尺寸不規(guī)則。坡口根部為圓角過渡的雙U形坡口可以節(jié)省激光能量的消耗，P>2.5 kW時(shí)，坡口鈍邊就能全部熔透，熔深為6 mm，且焊縫熔寬明顯增加；P≤2.0 kW時(shí)，鈍邊未焊透，如圖3b所示。對(duì)于雙半U(xiǎn)形坡口，當(dāng)P≥4.0 kW時(shí)，鈍邊全部熔透，熔深為9 mm，成形較好；P=3.5 kW時(shí)，鈍邊未焊透。

由此可見，相同條件下與坡口根部為尖角過渡的焊接坡口相比，根部為圓角過渡的熔透性更好。這是由于坡口根部由尖角變?yōu)閳A角后，根部角度增加，鈍邊以上坡口兩側(cè)母材吸收的能量減小，作為鈍邊的母材吸收的能量增加，即焊接坡口的等效鈍邊尺寸減小，熔透性更好，對(duì)鈍邊尺寸變化的適應(yīng)性更好。

2.1.2 不同焊接坡口的間隙適應(yīng)性

圖6～8為3種焊接坡口對(duì)焊接間隙（L）的工藝適應(yīng)性，由圖可知，坡口根部為圓角過渡的間隙適應(yīng)性更好，雙V形坡口要求的焊接間隙需<2 mm，雙U形坡口和雙半U(xiǎn)形坡口焊接間隙均可達(dá)到2 mm。焊接間隙過大時(shí)，激光光束會(huì)從焊接間隙中漏掉直接作用在襯板上，或者出現(xiàn)焊縫下塌、表面咬邊等缺陷，因此焊接間隙不宜過大。這與激光斑點(diǎn)直徑大小及焊縫金屬的搭橋作用有關(guān)，當(dāng)焊接間隙小于或者略大于激光斑點(diǎn)直徑時(shí)，由于焊縫金屬的搭橋作用激光能量不會(huì)損失；若當(dāng)焊接間隙較大并且焊縫金屬的搭橋作用小于焊縫金屬重力時(shí)，焊縫則會(huì)產(chǎn)生下塌或咬邊缺陷；焊接間隙過大時(shí)，激光能量則會(huì)完全損失。

2.1.3 不同焊接坡口的鈍邊變化

圖9～11為3種焊接坡口對(duì)試板不同鈍邊厚度（H）的適應(yīng)性，結(jié)果顯示，對(duì)于雙V形坡口鈍邊厚度最佳范圍為2～6 mm，厚度過小時(shí)焊縫背面熔透量過大，背面焊接時(shí)需清除，厚度過大時(shí)焊縫熔透性斷斷續(xù)續(xù)，有未焊透現(xiàn)象；對(duì)于雙U形坡口，鈍邊厚度在2～8 mm范圍內(nèi)時(shí)，焊縫成形均比較好，背面熔透性一致；雙半U(xiǎn)形坡口，鈍邊的變化范圍在6～8 mm比較合適。

綜上所述，對(duì)于上述3種焊接坡口，雙U形焊接坡口的焊接工藝適應(yīng)性最好，雙半U(xiǎn)形次之，雙V形最差。焊縫熔透性好，可一次性焊透達(dá)到單面焊雙面成形；間隙適應(yīng)好可提高試板組裝速度，特別是對(duì)于中部槽這種較大的焊接結(jié)構(gòu)件而言尤為重要；增加鈍邊厚度可減少焊縫金屬填充量，提高焊接效率的同時(shí)還可降低生產(chǎn)成本。由此可見，根部為圓角過渡的雙U形和雙半U(xiǎn)形坡口更適合于中部槽焊接結(jié)構(gòu)。

2.2 雙絲MAG填充及蓋面焊接試驗(yàn)

焊接熱輸入均為15 kJ/cm，不同焊接坡口的整個(gè)接頭形貌如圖12所示，焊接層數(shù)均為6層，V1焊縫根部存在焊接氣孔，U1和K1的焊縫成形質(zhì)量均比較好，熱輸入過大時(shí)層道間容易出現(xiàn)層間裂紋。

3 性能分析

3.1 拉伸性能

不同焊接坡口的接頭抗拉強(qiáng)度如圖13所示，橫坐標(biāo)為試樣取樣位置，1，2為接頭表面位置，3， 4為接頭根部位置。由圖可知，相同條件下坡口類型對(duì)接頭上表面位置的拉伸性能影響不大，對(duì)接頭根部拉伸性能的影響略大，焊接坡口根部為圓角過渡的根部拉伸性能優(yōu)于接頭根部為尖角過渡的拉伸性能，即雙U型和雙半U(xiǎn)形優(yōu)于雙V形。這是由不同的焊接坡口類型造成母材的稀釋率不同引起的，與焊材相比母材的強(qiáng)度等級(jí)較高，因此靠近接頭根部，坡口角度越小，母材稀釋率越大，抗拉強(qiáng)度越高；反之亦然，并且雙V形坡口根部容易出現(xiàn)氣孔和裂紋，這些缺陷很容易成為斷裂源引起開裂。

3.2 沖擊性能

不同坡口類型的接頭沖擊性能如圖14所示。由圖可知，雙U形坡口的接頭沖擊韌性最好，雙半U(xiǎn)形坡口與雙U形坡口相近，雙V形坡口的接頭沖擊韌性最差。相同焊接坡口，焊縫中心處的沖擊韌性優(yōu)于兩側(cè)熱影響區(qū)，并且鑄鋼側(cè)熱影響區(qū)沖擊韌性最差。這與焊接接頭各個(gè)部位母材稀釋率的不同及高強(qiáng)鋼焊接接頭HAZ易出現(xiàn)脆化有關(guān)。對(duì)于雙V形坡口，接頭根部位置的沖擊吸收能量低于接頭表面位置，這與根部應(yīng)力集中大及焊接氣孔等缺陷有關(guān)；而對(duì)于雙半U(xiǎn)形坡口與雙U形坡口接頭表面與接頭根部位置的沖擊性能差別不大。

通過對(duì)比雙V形、雙U形和雙半U(xiǎn)形3種坡口類型的接頭拉伸性能及沖擊性能，得出雙U形和雙半U(xiǎn)形的沖擊和拉伸性能明顯優(yōu)于雙V形，且前兩者接頭表面與根部的性能差異不大，雙V形坡口的接頭根部性能明顯低于接頭表面。雙V形坡口根部為尖角過渡，容易形成窄而深的焊縫，且接頭根部拘束應(yīng)力大，容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。雙U形和雙半U(xiǎn)形坡口根部為圓角過渡，根部焊縫深寬比較小，有利于氣孔的溢出，且焊接應(yīng)力集中小，接頭性能則更好。

4 結(jié)論

（1）采用激光-MAG復(fù)合焊接熱源進(jìn)行中部槽ZG30SiMn+NM400異種鋼的打底焊，選用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，雙V形、雙U形和雙半U(xiǎn)形3種坡口類型均能實(shí)現(xiàn)良好的單面焊雙面成形。

（2）考察3種焊接坡口類型對(duì)焊縫熔透性、焊接間隙、鈍邊尺寸變化的工藝適應(yīng)能力，得出雙U形坡口最優(yōu)，雙半U(xiǎn)形次之、雙V形最差，且V形坡口接頭根部易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。

（3）三種坡口的接頭表面位置的力學(xué)性能相近，雙U形和雙半U(xiǎn)形坡口的接頭根部力學(xué)性能優(yōu)于雙V形坡口，即與坡口根部為尖角過渡相比，圓角過渡可以提高坡口根部力學(xué)性能；對(duì)于整個(gè)焊接接頭，雙U形和雙半U(xiǎn)形坡口優(yōu)于雙V形。