李光鋒
(陜西航天德林科技集團有限公司,陜西 西安 710200)
機械化和智能化是現(xiàn)代工程的重要發(fā)展趨勢,也是提高國產設備國際競爭力的重要手段。隨著工程規(guī)模的不斷增加,重型化、大型化設備被廣泛應用[1-3]。受機械設備的起重和受力要求,中厚鋼板被廣泛地應用于機械設備加工制造中,厚型鋼板的焊接工藝選擇不恰當,容易引起裂紋、氣孔等缺陷[4],達不到控制標準,對設備的安全和質量產生影響。因此,重型機械中厚板的焊接給焊接工藝帶來新的挑戰(zhàn),研究埋弧焊焊接具有重要的意義。
埋弧焊焊接是一種生產效率較高的焊接方法,并對一些狀復雜的構件具有較好的適應性,具有溶渣對焊縫金屬保護效果好、焊工可以在無防護條件下作業(yè)、焊接效率高等優(yōu)點。
通過在焊接操作平臺上預先埋設顆粒狀的焊劑,機械自動將焊絲送至顆粒狀焊劑中,引燃中厚板母材與焊絲之間的電弧,電弧在焊接過程中一直在焊接裝置內部引燃,焊工通過手動移動電弧實現(xiàn)構件的自動焊接[5]。
為了研究重型機械中厚板埋弧焊焊接過程中的電流變化情況,選取Q345 鋼板、直徑4 mm 的H10Mn2焊絲和CHF431焊劑進行焊接試驗,鋼板的尺寸為500 m×150 mm,厚度為12 mm,屈服強度為546 MPa,抗拉強度為379 MPa,每塊鋼板的厚度方向進行V形坡口處理,坡口角度為45°。H10Mn2焊絲的屈服強度為505 MPa,抗拉強度為418 MPa,焊接過程中的電信號采集系統(tǒng)主要由霍爾電流傳感器、A/數(shù)模轉換采集卡、信號放大器和濾波器、移動電腦等組成。
中厚板埋弧焊接過程電流信號測試結果如表1所示。
表1 中厚板埋弧焊接過程電信號測試結果 單位:A
由表1可知,在中厚板埋弧焊接的打底焊道、填充焊道和蓋面焊道施焊過程中,電流的變化均呈現(xiàn)出3個明顯的階段,分別是初始階段(Ⅰ階段),該階段為充電階段,約400 ms,電流值為0;突變階段(Ⅱ階段),在這個階段內電流值發(fā)生突變,從0直接躍升到700 A,并持續(xù)時間約400 ms;穩(wěn)定階段(Ⅲ階段),在大于800 ms之后,電流值穩(wěn)定在350~450 A,焊接存在微小的干擾。因此,除了在Ⅰ階段和Ⅱ階段,由于啟動燃燒電弧導致的電流波形的劇烈波動,進入Ⅲ階段,電弧燃燒相對穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)明顯的波動和斷弧現(xiàn)象。
運用Ansys有限元模擬軟件建立中厚板模型,考慮3種不同的施焊工況。工況A:單面雙層焊;工況B:正反雙面依次焊;工況C:正反雙面同時焊。設置工況A焊速為10.8 m/h,工況B焊速為20.0 m/h,工況C焊速為20.0 m/h。焊接引起中厚板上表面的橫向殘余應力分布如表2所示。
表2 焊接引起中厚板上表面的橫向殘余應力分布 單位:MPa
中厚上板表面焊接引起的橫向殘余應力分布曲線如圖1所示。
圖1 中厚上板表面焊接引起的橫向殘余應力分布
由圖1可知,單面雙層焊、正反雙面依次焊、正反雙面同時焊3種工況導致的中厚板上表面的橫向殘余應力分布曲線具有一致的變化趨勢,均呈明顯的二次拋物線變化,在與起始焊點為0.2 m時,達到上表面橫向殘余應力的最大值。
在與起始焊點距離焊點為0時,單面雙道焊接中厚板上表面橫向殘余應力δx最大(負值表示為壓應力),而正反雙面依次焊接中厚板上表面橫向殘余應力次之,正反雙面同時焊接中厚板上表面橫向殘余應力最?。辉谂c起始焊點距離為0.2 m時,按照單面雙層焊、正反雙面同時焊、正反雙面依次焊的順序,中厚板上表面橫向殘余應力不斷減?。ㄕ当硎緸槔瓚Γ?;在與起始焊點距離為0.4 m時,中厚板上表面橫向殘余應力的變化規(guī)律與起始點距離為零時一致,但在同一種焊接方法對應的橫向殘余應力上數(shù)值明顯增大。
中厚板上表面焊接引起的起弧部位縱向殘余應力分布曲線如圖2所示。
圖2 中厚板上表面焊接引起的起弧部位縱向殘余應力分布
由圖2可知,單面雙層焊、正反雙面依次焊、正反雙面同時焊3種工況導致的中厚板上表面起弧部位縱向殘余應力分布曲線具有一致的變化趨勢,在與焊縫中心線的距離為0.05 m范圍內,縱向殘余應力為拋物線變化。
在與焊縫中心線的距離為0.02 m時達到起弧部位縱向殘余應力峰值,按照正反雙面同時焊、正反雙面依次焊、單面雙層焊的順序,上表面縱向殘余應力的峰值不斷增加;在與焊縫中心線的距離大于0.05 m時,3種不同工況下的中厚板上表面的縱向殘余應力趨于收斂,殘余應力收斂值約為0。
單面雙層焊、正反雙面依次焊2種工況導致的中厚板上表面中間部位縱向殘余應力分布曲線具有一致的變化趨勢,且數(shù)值上較為接近,在與焊縫中心線的距離為0.02 m時,中間部位縱向殘余應力不斷增加且達到峰值。隨著與焊縫中心線距離的增加,中間部位縱向殘余應力不斷減小,而正反雙面同時焊引起的中間部位殘余應力曲線沒有明顯峰值,隨著與焊縫中心線距離的增加而不斷減小。
中厚板上表面焊接引起的中間部位縱向殘余應力分布曲線如圖3所示。
圖3 中厚板上表面焊接引起的中間部位縱向殘余應力分布
中厚板上表面焊接引起的收弧部位縱向殘余應力分布曲線如圖4所示。
圖4 中厚板上表面焊接引起的收弧部位縱向殘余應力分布
由圖4可知,單面雙層焊、正反雙面依次焊2種工況導致的中厚板上表面收弧部位縱向殘余應力分布曲線具有一致的變化趨勢,且數(shù)值上較為接近,在與焊縫中心線的距離為0.02 m時,收弧部位縱向殘余應力不斷增加且達到峰值。隨著與焊縫中心線距離的增加,收弧部位縱向殘余應力不斷減小,并在與焊縫中心線的距離為0.16 m時達到低谷。隨后,縱向殘余應力又呈現(xiàn)增加的趨勢,而正反雙面同時焊引起的收弧部位殘余應力曲線沒有明顯峰值,隨著與焊縫中心線距離的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。
采用室內試驗和數(shù)值仿真分析相結合的方法,研究打底焊道、填充焊道和蓋面焊道施焊過程中電流的變化規(guī)律以及不同施焊方法時中厚板的橫向、縱向上表面殘余應力的變化規(guī)律。
第一,單面雙層焊、正反雙面依次焊、正反雙面同時焊3種工況導致的中厚 板上表面的橫向殘余應力分布曲線具有一致的變化趨勢,均呈明顯的二次拋物線變化。
第二,單面雙層焊、正反雙面依次焊2種工況導致的中厚板上表面中間部位縱向殘余應力分布曲線具有一致的變化趨勢,且數(shù)值上較為接近,存在峰值,正反雙面同時焊引起的中間部位殘余應力曲線沒有明顯峰值,隨著與焊縫中心線距離的增加而不斷減小。
第三,單面雙層焊、正反雙面依次焊2種工況導致的中厚板上表面收弧部位縱向殘余應力分布曲線具有一致的變化趨勢,且數(shù)值上較為接近,存在峰值和谷值,而正反雙面同時焊引起的收弧部位殘余應力曲線沒有明顯峰值,隨著與焊縫中心線距離的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢