王以珅，張德庫，王嘉煒，張安邦，王克鴻

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

空心螺柱焊接技術(shù)在大型裝甲車輛、橋梁結(jié)構(gòu)以及深水壓力倉的制造領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，螺柱的焊接質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的可靠性。空心螺柱基本處于強(qiáng)剪切的工作條件下，改善和提升螺柱的力學(xué)性能一直是該領(lǐng)域的研究熱門。河海大學(xué)張景璋等[1]基于正交試驗(yàn)法，通過改變焊接時(shí)間、焊接電流和提升螺柱高度這三種因素研究了對(duì)焊接接頭組織性能的影響，得到了接頭力學(xué)性能最佳的焊接工藝參數(shù)，還可利用數(shù)字化焊接數(shù)據(jù)庫和工藝自動(dòng)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行最佳工藝參數(shù)的研究。

在螺柱焊接過程中，電弧有燃燒母材產(chǎn)生焊接熔池、攪拌熔池的作用，焊接電弧與焊接端面的覆蓋率便成為焊接接頭成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素。關(guān)于輔助磁場對(duì)于電弧和焊接接頭組織影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了很多研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)WANG J F等[2]研究了在低頻脈沖氣體鎢極電弧焊施加交變磁場的磁場在狹窄間隙下對(duì)焊縫形態(tài)、微觀組織以及電弧形態(tài)的影響。俄羅斯科學(xué)院Budker核物理研究所的ALYAKRINSKIY O N等[3]面對(duì)在穩(wěn)定工藝參數(shù)下電子束焊縫熔深波動(dòng)損害焊接接頭力學(xué)性能的問題，研究了磁場對(duì)電子束焊接熔深的影響。YAN F等[4]研究了在外加磁場輔助下的鍍鋅鋼/鋁合金異種金屬激光焊，采用光學(xué)顯微鏡研究磁場對(duì)焊縫外觀和顯微組織演變的影響。CHEN R等[5]研究了在磁場作用下激光/MIG復(fù)合熱源對(duì)不銹鋼焊接接頭的強(qiáng)化機(jī)制。SUN Q J等[6]研究磁場對(duì)采取CMT鋁鈦合金異種焊接融滴過度的影響。

上述文獻(xiàn)研究了磁場對(duì)于多種填充金屬電弧焊接接頭性能的影響，卻缺乏旋弧磁場對(duì)螺柱焊接接頭性能影響的研究。本文針對(duì)直徑12 mm的空心螺柱在焊接過程中出現(xiàn)的未焊合、氣孔和偏弧等焊接缺陷以及熔池內(nèi)涌燒損內(nèi)螺紋等問題，提出磁控旋弧焊接理論，在焊接磁場下進(jìn)行焊接，檢測觀察焊接接頭的力學(xué)性能與微觀組織，為螺柱焊在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案

本文所研究的機(jī)器人螺柱焊目前主要應(yīng)用在特種裝甲車的制造中，試驗(yàn)用的空心螺柱材料選用Q235鋼，其外徑Φ12 mm、內(nèi)徑Φ6 mm、高20 mm，焊接板材是厚度6 mm的616中厚中碳調(diào)制高強(qiáng)鋼(616裝甲鋼)，此材料的化學(xué)式為30CrNiMoNb，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 30CrNiMoNb鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表 單位：%

由于外徑12 mm的空心螺柱尺寸偏大，焊接的過程中需要使用陶瓷環(huán)進(jìn)行保護(hù)，陶瓷環(huán)尺寸與所焊螺柱的尺寸相匹配。使用型號(hào)為YAW-2000F型危機(jī)控制點(diǎn)液伺服壓力萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊后所得到的螺柱焊件進(jìn)行抗剪實(shí)驗(yàn)。剪切方案中的剪切力與螺柱中軸線方向垂直。分析焊縫金相及成分組織所用的腐蝕劑濃度為4%的硝酸酒精溶液，觀察焊縫接頭的顯微組織時(shí)使用的儀器型號(hào)為OLYMPAUS BX60M的金相顯微鏡。使用FEI Quanta 250F場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行SEM、EDS分析；最后對(duì)焊縫接頭進(jìn)行硬度分析。

2 Ф12 mm空心螺柱焊工藝試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工藝試驗(yàn)

進(jìn)行空心螺柱旋弧工藝實(shí)驗(yàn)，確定主要影響焊接質(zhì)量的3個(gè)因素：焊接電流I、焊接時(shí)間T以及旋弧電壓u。焊接基本參數(shù)：預(yù)焊時(shí)間為60 ms，拉弧高度3.5 mm，預(yù)壓深度4 mm，空心螺柱外徑12 mm，內(nèi)徑6 mm，螺柱高度20 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)定焊接電流I的水平數(shù)為4個(gè)，分別為500 A、600 A、700 A、800 A；焊接時(shí)間T的水平數(shù)也為4個(gè)，分別為200 ms、300 ms、400 ms、500 ms；旋弧電壓u為4 V、5 V、6 V、7 V 4個(gè)工藝參數(shù)水平，共3個(gè)變量，每個(gè)變量4個(gè)水平。分別進(jìn)行以旋弧電壓、焊接電流和焊接時(shí)間為變量的螺柱焊工藝試驗(yàn)，并對(duì)所得到的焊接接頭進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，從而得到Ф12 mm空心螺柱焊接的最佳工藝參數(shù)。

2.2 旋弧電壓對(duì)接頭性能的影響

在不同強(qiáng)度磁場的作用下，同樣的電弧受到的洛倫茲力大小會(huì)有不同，從而導(dǎo)致電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑會(huì)有不同。保持焊接電流700 A和焊接時(shí)間400 ms不變的情況下，將旋轉(zhuǎn)電弧的電壓設(shè)為0 V、4 V、5 V、6 V、7 V，得到5種旋弧電壓下的焊接式樣如圖1所示。

圖1 不同旋弧電壓的螺柱焊外觀成型

從圖1可知，無磁場時(shí)由于電弧的“黏滯”特性及螺柱尺寸過大，電弧難以在整個(gè)端面進(jìn)行擴(kuò)展，偏弧現(xiàn)象嚴(yán)重；另外由于電弧集中一處燃燒，對(duì)熔池的沖擊作用較大，容易引起熔化的金屬液體涌入螺柱空心內(nèi)部，從而造成內(nèi)涌現(xiàn)象，使得接頭熔合不良，抗剪強(qiáng)度小。逐漸增大旋弧磁場至4 V～5 V，電弧受到磁場力的作用，圍繞著螺柱端面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于電弧燃燒較為均勻，對(duì)熔池的沖擊較弱，加上磁場對(duì)于電弧具有一定的外擴(kuò)作用，使得內(nèi)部熔池上涌減弱。內(nèi)涌高度約為3 mm～5 mm，螺柱與母材間形成了較為完整的焊縫，抗剪強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)旋弧電壓增加至6 V時(shí)，在磁場力的作用下，電弧在整個(gè)螺柱端面上快速運(yùn)動(dòng)，螺柱熔化均勻，成型凸臺(tái)美觀，此時(shí)抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。若繼續(xù)增加電壓至7 V，由于磁場強(qiáng)度過大，電弧的起弧受到磁場力的干擾，導(dǎo)致起弧困難；同時(shí)，過大的磁場使得電磁攪拌作用過大，焊接過程不穩(wěn)定，飛濺較多，成形較差，接頭抗剪強(qiáng)度下降。剪切強(qiáng)度與旋弧電壓的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 旋弧電壓與接頭強(qiáng)度的關(guān)系曲線

2.3 焊接電流對(duì)焊接接頭性能的影響

焊接電流會(huì)影響到焊接熱輸入的大小。保持焊接時(shí)間為400 ms，旋弧電壓為6 V不變，調(diào)節(jié)焊接電流為500 A、600 A、700 A、800 A來進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，得到4個(gè)焊接式樣，其外觀如圖3所示。

圖3 不同焊接電流的螺柱焊外觀成型

當(dāng)焊接電流設(shè)定為500 A時(shí)，并沒有出現(xiàn)偏弧現(xiàn)象。但是由于焊接電流過小，導(dǎo)致焊接熱輸入不足，熔池熔深不足，抗剪強(qiáng)度<200 MPa。隨著焊接電流從500 A逐漸提高，熔化量隨著熱輸入的增加而增加，直到電流為700 A時(shí)，焊縫完整，凸臺(tái)美觀，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。但是當(dāng)焊接電流為800 A時(shí)，其焊接熱輸入過大，并且焊接過程太過激烈，導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)明顯的火花噴涌的現(xiàn)象，熔池內(nèi)吸附現(xiàn)象嚴(yán)重，液滴飛濺到板材和螺柱的外表面上，影響了空心螺柱的正常使用，接頭抗剪強(qiáng)度下降。剪切強(qiáng)度與焊接時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 焊接電流與接頭強(qiáng)度的關(guān)系曲線

2.4 焊接時(shí)間對(duì)焊接接頭性能的影響

焊接時(shí)間同樣影響著熔池的熱輸入與電弧的旋轉(zhuǎn)程度。保持焊接電流為700 A，旋弧電壓為6 V，只改變焊接時(shí)間，把焊接時(shí)間設(shè)定為200 ms、300 ms、400 ms、500 ms來進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，得到4個(gè)焊接式樣，如圖5所示。

圖5 不同焊接時(shí)間的螺柱焊外觀成型

焊接時(shí)間僅為200 ms時(shí)，時(shí)間太短，電弧旋轉(zhuǎn)頻率過低，無法覆蓋整個(gè)焊接端面，同時(shí)時(shí)間過短導(dǎo)致熱輸入不足，接頭熔深過淺，成型質(zhì)量不佳，抗剪強(qiáng)度只有170 MPa。隨著時(shí)間的增加，電弧開始旋轉(zhuǎn)，逐漸覆蓋整個(gè)焊接端面，偏弧現(xiàn)象逐漸消失，同時(shí)焊接熱輸入增加，接頭成型美觀，抗剪強(qiáng)度逐漸增大。直到焊接時(shí)間為400 ms，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大。但焊接時(shí)間過長，熔池內(nèi)涌嚴(yán)重，且螺柱表面被氧化，抗剪強(qiáng)度下降。剪切強(qiáng)度與焊接時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 焊接時(shí)間與接頭強(qiáng)度的關(guān)系曲線

經(jīng)過3組不同影響因素下的工藝試驗(yàn)最終得出的最佳工藝參數(shù)為：焊接電流700 A，焊接時(shí)間400 ms，旋弧電壓6 V,具體的焊接參數(shù)如表2所示。

表2 空心螺柱旋弧焊最優(yōu)焊接參數(shù)表

對(duì)進(jìn)行剪切試驗(yàn)后的焊縫斷口進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)螺柱斷口試樣的斷裂處基本上在焊縫的熱影響區(qū)，而并沒有出現(xiàn)在焊縫處，說明焊縫的強(qiáng)度較高。對(duì)其中一個(gè)斷口進(jìn)行分析，其宏觀形貌如圖7所示，微觀斷口如圖8所示。

圖7 宏觀斷口形貌

圖8 微觀斷口形貌

從圖7可以看出，由于電弧旋轉(zhuǎn)效果明顯，焊接熱輸入合適，接頭熔合完整，焊接時(shí)間充足，令熔池中的氣體充分排出，斷口處沒有明顯的氣孔，接頭成型美觀，凸臺(tái)飽滿。

從圖8可以看出，斷口中出現(xiàn)了大量的大小不一的韌窩，較大的韌窩周圍分布著眾多較小的韌窩，并沒有河流狀的花紋，可以判斷該斷裂形式為韌性斷裂。

2.5 硬度分析

使用硬度測試機(jī)對(duì)外徑12 mm的空心螺柱與616裝甲鋼在旋弧磁場條件下所得到的焊縫接頭進(jìn)行硬度分布分析。

設(shè)置焊接電流為700 A和750 A兩組作為對(duì)照。進(jìn)行硬度試驗(yàn)時(shí)，其實(shí)驗(yàn)條件為：載荷壓力1 kg，保壓時(shí)間10 s。兩組接頭硬度分布狀況如圖9所示。

圖9 旋弧螺柱焊焊接接頭硬度值曲線

從圖9可以看出，由于裝甲鋼板所用的合金材料硬度比Q235鋼高，螺柱側(cè)的硬度普遍低于裝甲鋼板側(cè)的硬度，焊縫處的硬度為整個(gè)焊接區(qū)的中值。裝甲鋼板側(cè)母材的硬度稍低于熱影響區(qū)的硬度，板材側(cè)熱影響區(qū)微觀組織主要為馬氏體與貝氏體，硬度很高。而焊縫處熔合了高強(qiáng)鋼與Q235鋼，且受熱最多，冷卻后晶粒粗大，硬度不佳。越接近焊縫，硬度越低；螺柱側(cè)熱影響區(qū)微觀組織主要為鐵素體與珠光體構(gòu)成的魏氏組織，硬度較母材提高，故硬度值高于螺柱母材。整個(gè)焊接接頭硬度值的大小關(guān)系為：高強(qiáng)鋼側(cè)熱影響區(qū)>中高強(qiáng)鋼板>螺柱熱影響區(qū)>焊縫>螺柱。另外，盡管圖9(a)、圖9(b)表現(xiàn)了相似的規(guī)律，由于圖9(b)中采取的工藝參數(shù)更大，導(dǎo)致裝甲鋼板側(cè)熱影響區(qū)硬度值更高。

3 焊接接頭微觀組織分析

在最佳工藝參數(shù)下觀察剖面：焊接電流為700 A、焊接時(shí)間為400 ms、旋弧電壓為6 V、預(yù)焊時(shí)間為60 ms，其試樣剖面圖如圖10所示。使用了旋弧螺柱焊工藝焊接得到的焊縫雖然消除了偏弧導(dǎo)致未焊合現(xiàn)象，但是焊縫中仍會(huì)存在個(gè)別可見氣孔。

圖10 空心螺柱旋弧螺柱焊剖面圖

在焊接時(shí)間為400 ms、旋弧電壓為6 V的情況下，對(duì)焊接電流為700 A、800 A的鋼板側(cè)熱影響區(qū)組織進(jìn)行分析。裝甲鋼板材與Q235螺柱的焊縫組織如圖11所示。焊縫主要由針狀馬氏體和羽毛狀上貝氏體組成。由于此時(shí)焊縫降溫時(shí)的溫度梯度較高，導(dǎo)致焊縫中馬氏體的數(shù)量比較多。在外加磁場的作用下，熔池電磁攪拌作用增加，改善了熔池流動(dòng)性，接頭組織較致密，在無氣體保護(hù)而僅采用瓷環(huán)強(qiáng)制成形條件下，僅存在個(gè)別較小的氣孔。圖11(b)由于熱輸入更大，導(dǎo)致焊縫中的晶粒生長比較大，且馬氏體晶粒尺寸有一定長大。

圖11 焊縫區(qū)

裝甲鋼側(cè)熱影響區(qū)如圖12所示。由于該區(qū)域的溫度接近焊縫區(qū)溫度，同時(shí)，裝甲鋼的導(dǎo)熱性能良好，但是該區(qū)域的冷卻速度較大，焊后組織主要為馬氏體+鐵素體組織，所以此處組織的強(qiáng)度、硬度較高，但是韌性、塑性相對(duì)下降。

圖12 裝甲鋼側(cè)熱影響區(qū)

在無旋弧磁場的條件下焊接得到的焊接接頭偏弧現(xiàn)象嚴(yán)重，焊接端面熔化量非常不均勻，電弧在焊接過程沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致熔池區(qū)域晶粒過熱，冷卻后形成的馬氏體晶粒粗大，同時(shí)產(chǎn)生魏氏組織，力學(xué)性能不佳。在添加了旋弧磁場后，電弧在焊接過程中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)充分?jǐn)嚢枞鄢?，擊碎了凝固形成的粗大柱狀晶，破碎的晶粒成為新的形核基礎(chǔ)，在冷卻時(shí)新相吸附在晶粒表面，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，力學(xué)性能大幅提高。

4 結(jié)語

本文主要進(jìn)行了Ф12 mm空心螺柱與616裝甲鋼旋轉(zhuǎn)電弧螺柱焊焊接工藝實(shí)驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

1)對(duì)空心螺柱旋弧螺柱焊進(jìn)行工藝試驗(yàn)，得到了最佳工藝參數(shù)為焊接電流700 A、焊接時(shí)間400 ms、旋弧電壓6 V。在旋弧磁場的作用下，得到了消除焊接偏弧現(xiàn)象的美觀、飽滿、完整的焊縫，僅有少量氣孔出現(xiàn)在焊縫中。接頭抗剪強(qiáng)度最高可以達(dá)到314 MPa。

2)空心螺柱旋弧焊接頭焊縫各區(qū)域之間過渡自然，未發(fā)現(xiàn)夾雜、未焊合等缺陷。但是焊縫組織主要為馬氏體加貝氏體，在外加磁場的作用下，熔池流動(dòng)性得到改善，晶粒得到細(xì)化。