提要：本文對4mm 普碳鋼鋼板小變形MAG焊焊接工藝進行了試驗研究,研究結(jié)果表明采用該工藝能較好地控制薄板的焊接變形,并且得出了焊接角變形和縱向撓曲變形量在±6mm 范圍內(nèi)合適的焊接工藝參數(shù)。
關(guān)鍵詞：薄板；焊接變形；MAG焊
美國、俄羅斯等國,在建造大型水面艦艇時,普遍采用高強度船體鋼薄板,以減輕艦艇自重,提高艦艇戰(zhàn)斗力。然而,也由此帶來了控制薄板焊接變形的難題。為解決這個問題,這些國家多采用焊接工裝及裝配夾具,同時采用氣體保護焊接新工藝,甚至不惜成本采用激光焊接技術(shù)焊接薄板結(jié)構(gòu)。加拿大采用T. I. M. E. 焊接方法焊接H Y80 鋼制造潛艇[1 ] ,[2 ] ,最終控制了焊接變形,達到了艦艇的設計要求。
薄板的焊接變形控制技術(shù)是焊接領(lǐng)域的技術(shù)難題之一,焊接變形與材料、焊接工藝、焊接方法等因素有關(guān)。焊接變形的多樣性、焊接變形的多因素交互作用,導致了控制焊接變形技術(shù)的復雜性和相互制約作用。采用小變形MA G焊焊接工藝進行薄板焊接,利用該工藝大電流、高速、高效、熱輸入小的特點開展薄板結(jié)構(gòu)的小變形MA G 焊接技術(shù)研究[3 ] ,[4 ] ,對提高艦船建造質(zhì)量,縮短制造周期,延長服役壽命具有重要的意義。
1 試驗方法設備和材料
焊接方法采用小變形MA G 焊;設備采用自行研制的T. I. M. E. 焊焊接系統(tǒng);焊接電流為190～300A ,焊接電壓為28～32V ,焊接速度為0. 4～1. 6m/ min , 送絲速度為36m/ min , 保護氣體為Ar 、CO2 、O2 三元保護氣體,氣體流量為20L/ min ,焊絲干伸長為22mm ;母材為4mm ×300mm ×125mm的普碳鋼鋼板;焊絲為JW257 實芯焊絲;接頭形式為對接試板,單面焊雙面成形。焊接前后對試板進行測量,得出試板縱向撓曲變形和角變形的數(shù)據(jù)。通過本文的研究,得出角變形和縱向撓曲變形量在±6mm 時合適的焊接工藝參數(shù)。
2 試驗結(jié)果
2. 1 焊接電流對變形的影響
在焊接速度(0. 8m/ min) 、間隙(1. 5mm) 和電壓(30～31V) 不變的條件下,研究焊接電流對焊接角變形和縱向撓曲變形的影響規(guī)律,試驗結(jié)果見圖1 。由圖1 可知,焊接電流在230～260A 時,可控制薄板焊接角變形和縱向撓曲變形值在適當范圍內(nèi)。
2. 2 焊接速度對變形的影響
在焊接電流(240A) 、間隙(1. 5mm) 和焊接電壓(29～31V) 不變的條件下,焊接速度對薄板角變形和縱向撓曲變形的影響規(guī)律,試驗結(jié)果見圖2 。由圖2 可知,在所選的焊接速度范圍內(nèi),薄板焊接角變形和縱向撓曲變形值都在±6mm 范圍內(nèi)。在焊接電流和焊接電壓不變的情況下,焊接速度增加,焊接熱輸入降低,焊接變形減小,最大焊接速度受焊縫成形制約。試驗結(jié)果表明,對于焊接電流240～260A、電壓28～31V 時,合適的焊接速度是0. 8～1. 4m/min 。
2. 3 焊接熱輸入對薄板焊接變形的影響
在間隙(1. 5mm) 不變的條件下,焊接熱輸入對薄板焊接角變形和縱向撓曲變形的影響規(guī)律,試驗結(jié)果見圖3 。由圖3 可見,薄板焊接縱向撓曲變形對焊接熱輸入很敏感,要獲得小的縱向撓曲變形,應選用小焊接熱輸入,避免過大的焊接熱輸入引起嚴重的焊接變形。
2. 4 焊接間隙對焊接變形的影響
在焊接電流( 270 ～ 280A) 、焊接速度( 1. 5m/min) 、焊接電壓(30～31V) 不變的情況下,間隙對薄板焊接角變形和縱向撓曲變形的影響規(guī)律,試驗結(jié)果見圖4 。由圖4 可見,間隙對焊接變形的影響也很大,因為間隙的大小影響焊縫截面沿板厚方向的位置,從而影響焊接變形。但是,間隙和變形量之間有一個匹配關(guān)系,即間隙在2～3mm 之間,可控制角變形量在- 1～ + 1mm 之間;縱向撓曲變形在-0. 5～4mm 之間。間隙大小還要考慮對焊縫成形的影響。
3 分析與討論
焊接過程中的局部高溫加熱和快速冷卻,在焊縫中及其近縫區(qū)的母材內(nèi),產(chǎn)生熱應變和壓縮塑性應變,進而引起內(nèi)應力,最終導致構(gòu)件的縱向撓曲變形和角變形等�？v向撓曲變形與的縱向收縮應力有關(guān)[5 ] ,縱向彎曲撓度。
式中：
b ———縱向焊縫距試板重心的距離;
l ———焊接試板的長度;
E ———彈性模量;
J ———焊接試板截面慣性矩;
PL ———總的縱向收縮應力;
σL ———縱向收縮應力;
A w ———焊縫金屬斷面面積。
當接頭形式和焊板尺寸、材料一定時,σL 為常數(shù)。即縱向撓曲變形和撓度與總的縱向收縮應力相關(guān),即與焊縫金屬斷面面積成正比。所以,能影響焊縫金屬斷面面積的因素,都能影響焊接試板的縱向撓曲變形。當焊接電流增大,或焊接速度減小,或者焊接熱輸入增加,或者焊接間隙增大,都將引起焊縫金屬斷面面積的增加,從而使總的縱向收縮應力增加,最終導致薄板焊接過程中的變形量增加。從圖1 和圖2 可知,在本文條件下,當采用較大焊接電流和較小焊接速度焊接時,焊接試板的縱向撓曲變形量和角變形量都增加,與上述討論的結(jié)果相符。
但是,在采用小電流和大的焊接速度時,焊接試板的縱向撓曲變形和角變形量也有增大的趨勢,這主要與影響薄板焊接變形因素的復雜性有關(guān)。因為在一定的焊接電流和焊接速度下,與焊接間隙存在匹配關(guān)系,如果采用小電流使焊縫金屬的中心線不能確保和試板的中心線重合,將嚴重影響薄板焊接的應力分布從而發(fā)生變形。所以,要綜合考慮焊接規(guī)范參數(shù)和焊接間隙對焊接變形的影響。從圖4 可知,焊接間隙與焊接變形量之間存在匹配關(guān)系,即焊接間隙在2～3mm 時可獲得比較理想的焊接變形控制量。從圖3 可見,薄板焊接縱向撓曲變形對焊接熱輸入很敏感,根據(jù)實際經(jīng)驗,要獲得小的焊接變形,必須采用小的焊接熱輸入,避免過大焊接熱輸入引起的嚴重變形。但是考慮到焊縫成形,焊接熱輸入不能過小,只有采用合適的焊接熱輸入,才能很好地控制縱向撓曲變形。
由圖1～圖4 可知,在本文焊接條件下,焊接試板的角變形都在6. 0mm 以內(nèi),這主要是因為試板的厚度很薄,只有4mm ,當板厚小于9mm 時,沿試板厚度方向的溫度分布趨于均勻,使總的焊接角變形減小。
4 結(jié)論
(1) 采用小變形MA G 焊焊接工藝進行薄板焊接,可以使角變形和縱向撓曲變形量控制在±6mm以內(nèi),由此可以得出采用該工藝進行薄板焊接是可行的結(jié)論；
(2) 在本文條件下,獲得較小角變形和縱向撓曲變形量的合適焊接工藝參數(shù)為: 焊接電流230 ～260A ,焊接速度0. 8 ～ 1. 4m/ min , 焊接間隙2 ～3mm。
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