董敏 朱亮 韓瀟橦 張愛華 蔣小霞

摘要：焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接新方法，其電弧可同時(shí)加熱坡口根部?jī)蓚?cè)壁，實(shí)現(xiàn)4.5 mm 寬直坡口的單道多層焊接。改變工藝參數(shù)，進(jìn)行超窄間隙焊橫向?qū)拥南盗泻附釉囼?yàn)。實(shí)現(xiàn)壁厚為60 mm的多層單道超窄間隙對(duì)接接頭。結(jié)果表明，焊接電壓影響焊縫上側(cè)壁熔深，焊接電流和焊接速度決定焊絲的熔化量，二者合理匹配可使熔池的下塌量降至最小。超窄間隙焊接熔池小，固液接觸面相對(duì)較大，其表面張力容易平衡熔池的重力，可以防止橫向焊接的熔池下塌缺陷。

關(guān)鍵詞：超窄間隙;橫焊;焊接參數(shù);成形質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0057-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.12

0 前言

焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接，是一種正在研究的高效焊接新方法[1-2]。采用寬度約4 mm 的窄間隙直坡口，將0.7 mm厚的焊劑片置于坡口根部?jī)蓚?cè)壁，使用直徑為1.6 mm的焊絲進(jìn)行熔化極電弧焊。電弧加熱部分焊劑帶產(chǎn)生氣體和焊渣保護(hù)焊縫金屬，未熔化的焊劑帶部分則約束電弧形態(tài)，控制電弧加熱區(qū)域，可以阻止電弧沿側(cè)壁攀升，保證側(cè)壁兩側(cè)及根部的有效熔合[3]。前期已研究了這種方法的基礎(chǔ)問題，如焊劑片約束條件和電弧作用機(jī)制[4]，熔池的形成[5]，電弧特性及熔滴過渡[6]。同時(shí)，通過大量試驗(yàn)得到焊接工藝規(guī)范與焊縫成形之間的關(guān)系，并成功應(yīng)用于鋼軌對(duì)接[7-9]。需要說明的是，這些工作均在平焊狀態(tài)下進(jìn)行。

在電站鍋爐的蒸氣閥門生產(chǎn)中，需要將鑄造閥體與接管進(jìn)行焊接，接管壁厚為60～120 mm，內(nèi)徑為400～800 mm。工程上現(xiàn)有的焊接方法是手工電弧焊，將接管豎直放置在不便翻轉(zhuǎn)的閥體上，開V形坡口，采用多層多道的焊條電弧橫焊工藝完成整個(gè)焊接接頭，焊接工作量較大。如果采用多層單道的焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接，具有顯著的技術(shù)及成本優(yōu)勢(shì)。然而，這種新方法在橫焊條件下的相關(guān)問題前期研究中未曾涉及。熔池下塌是影響橫焊過程的主要因素，在氣體保護(hù)焊中，通常采用脈沖電流和旋轉(zhuǎn)電弧的方式減小熱輸入，進(jìn)而抑制熔池下塌[10-11]。超窄間隙焊接本身具有低熱輸入、小熔池的特點(diǎn)，橫焊時(shí)熔池下塌的傾向自然較小，具有一定的優(yōu)勢(shì)。本文首次進(jìn)行焊劑帶約束超窄間隙橫向焊接試驗(yàn)，分析熔池形成及下塌的影響因素，得出適用于橫焊的焊接工藝參數(shù)匹配。

1 實(shí)驗(yàn)方法

超窄間隙橫向焊接過程如圖1所示。坡口間隙寬度為4.5 mm，坡口兩側(cè)放置U形焊劑帶。焊劑帶是由焊劑片和玻璃纖維網(wǎng)粘接而成，折彎成U形放置在坡口中，利用折彎玻璃纖維網(wǎng)的反向作用力使焊劑片緊緊貼在坡口兩側(cè)（見圖2）。焊劑帶的結(jié)構(gòu)及布置方式，對(duì)超窄間隙焊接穩(wěn)定實(shí)施很關(guān)鍵，已進(jìn)行了多次改進(jìn)，上述的焊劑帶較為成熟，在實(shí)驗(yàn)室專門自制的設(shè)備上制備。焊劑片的主要成分是大理石和螢石，與堿性焊條的藥皮成份相仿。焊接時(shí)，電弧前端將焊劑帶底部一定范圍熔化，產(chǎn)生焊渣與保護(hù)氣體，并將坡口側(cè)壁裸露在電弧中，通過電弧加熱金屬形成熔池。焊劑片可將電弧壓縮在坡口底部，保證側(cè)壁根部熔合良好，未熔化的焊劑帶還可以防止電弧攀升到坡口兩側(cè)壁燃燒。

整個(gè)焊接過程是通過自主開發(fā)的超窄間隙橫向焊接設(shè)備完成，采用平特性電源，直流反接，焊絲為φ1.6 mm的H08Mn2Si，試驗(yàn)試板厚度為60 mm，材料為鑄造閥體耐熱鋼15Cr2MoV。試驗(yàn)用焊接工藝參數(shù)如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過改變焊接規(guī)范參數(shù)，進(jìn)行系列焊接試驗(yàn)。分析各焊接參數(shù)下焊縫橫截面形貌，焊接參數(shù)對(duì)熔池下塌和側(cè)壁熔合不良的影響，明確各焊接參數(shù)對(duì)熔池形成的作用。典型超窄間隙橫焊焊縫的截面如圖3所示，為便于描述，定義焊縫橫截面形狀參數(shù)，下塌量（H）是上側(cè)壁焊趾到下側(cè)壁焊趾的距離，表示熔池下塌的嚴(yán)重程度。上側(cè)壁熔深（h1）是上側(cè)壁焊趾到坡口底部的距離，表示熔池沿上側(cè)壁潤(rùn)濕鋪展能力。

2.1 焊接參數(shù)對(duì)焊縫形態(tài)的影響

各焊接參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)對(duì)焊縫上側(cè)壁熔深及下塌量的影響如圖4所示。由4a圖可以看出，隨著焊接電壓的升高，熔池沒有出現(xiàn)明顯的下塌，上側(cè)壁熔深增大較為明顯。當(dāng)焊接電壓增大到23 V時(shí)，焊縫上側(cè)壁熔深大于4 mm，熔池有輕微的下塌。焊接電壓在20.5～22 V之間時(shí)，熔池下塌量在0.5 mm以下，焊縫成形良好，尤其焊接電壓為21.5 V時(shí)，熔池的下塌量接近于0。由圖4b可以看出，焊接電流對(duì)熔池下塌量和焊縫上側(cè)壁熔深的影響較大，焊接電流較小時(shí)，焊縫上側(cè)壁熔深較小，熔池下塌嚴(yán)重。隨著焊接電流的增加，焊縫上側(cè)壁熔深增加，熔池下塌量減小，當(dāng)焊接電流為185 A時(shí)，熔池下塌量最小，焊縫上側(cè)壁熔深則達(dá)到了最大值。當(dāng)焊接電流進(jìn)一步增加時(shí)，熔池下塌量逐漸增大，焊縫上側(cè)壁熔深逐漸減小。焊接電流在175～195 A時(shí)，熔池下塌量小于0.5 mm。由圖4c可以看出，焊接速度與焊接電流對(duì)熔池下塌量和焊縫上側(cè)壁熔深的影響趨勢(shì)基本一致，當(dāng)焊接速度為9.2 mm/s時(shí)，熔池下塌量接近于0 mm，焊縫上側(cè)壁熔深達(dá)到最大值3.2 mm。在超窄間隙橫向焊接時(shí)，焊接速度取8.0～10.0 mm/s。

2.2 焊接規(guī)范參數(shù)匹配

通過以上試驗(yàn)得到各焊接參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)，對(duì)超窄間隙橫向焊接的影響規(guī)律，可以看出，熔池下塌量由焊縫上側(cè)壁熔深和焊絲的熔敷量決定。對(duì)于這種熔化極電弧焊，考慮到熔池形成及電弧的穩(wěn)定性，要合理匹配焊接電壓和焊接電流。當(dāng)焊接電壓與焊接電流較小時(shí)，焊縫中熔敷金屬量較少，填充坡口的速度較慢，重力的影響導(dǎo)致坡口中熔融金屬下塌，大量金屬落在坡口的下側(cè)壁，在下側(cè)壁形成一定的熔深和熔寬。熔池下塌后，熔池底部上半部分將裸露在電弧下，電弧不斷對(duì)熔池底部進(jìn)行加熱，焊縫底部熔寬較寬。由于大量的電弧流向熔池底部，流經(jīng)坡口上側(cè)壁的電弧較少，電弧不能有效加熱上側(cè)壁，在上側(cè)壁形成未熔合缺陷。當(dāng)焊接電壓和電流較大時(shí)，坡口中焊絲的熔敷量較大，且熔融金屬快速填滿坡口，電弧在坡口兩側(cè)壁及熔池上均勻分布，焊縫上下側(cè)壁熔深量基本一致，但在較大的焊接電流下，焊絲的熔敷量也較大，坡口中液態(tài)金屬較多。此時(shí)，熔池重力影響較為明顯，會(huì)有部分金屬落到坡口下側(cè)壁，形成帶有“鼓肚”的焊縫形態(tài)。由此可見，只有焊接電壓與焊接電流恰當(dāng)匹配，橫向焊接的熔池下塌量才會(huì)最小。

焊接速度為9.0 mm/s時(shí)，不同焊接電流與焊接電壓下焊縫橫截面形貌如圖5所示。圖5a是在較小電流和電壓下的焊縫形貌，熔池下塌嚴(yán)重，上側(cè)壁熔深較小。圖5b是焊接電壓與焊接電流恰當(dāng)匹配時(shí)的焊縫形貌，熔池基本沒有下塌，焊縫成形良好。圖5c是在較大電流和電壓下的焊縫形貌，焊縫上側(cè)壁熔深較大，熔池有明顯下塌。

不同焊接參數(shù)匹配下焊縫成形情況如圖6所示，在圖中實(shí)線區(qū)域內(nèi)，焊接電流與焊接電壓匹配恰當(dāng)，焊縫成形質(zhì)量良好，無下塌和咬邊缺陷。在實(shí)線區(qū)域以上時(shí)，焊接電流較大，坡口中填充金屬較多，熔池下塌嚴(yán)重，形成圖5c所示的“鼓肚”焊縫截面。在實(shí)線區(qū)域以下時(shí)，焊接電流較小，熔融金屬不能夠迅速填滿坡口，在坡口底部的熔融金屬落在坡口下側(cè)壁，形成圖5a所示的上側(cè)壁未熔合缺陷。在焊接電壓小于20 V時(shí)，焊劑帶燒損量較少，焊接過程不穩(wěn)定，不能形成連續(xù)有效的焊縫。在焊接電流高于23 V時(shí)，坡口中焊劑帶將會(huì)被全部燒損，電弧攀升至坡口側(cè)壁燃燒，形成側(cè)壁根部熔合不良的缺陷焊縫。

圖7是厚度為60 mm試板焊縫橫向截面，選用圖6實(shí)線框內(nèi)的焊接參數(shù)。試樣預(yù)熱溫度為250 ℃，層間溫度為200 ℃。整個(gè)焊縫共焊接19道，根據(jù)焊接過程中焊縫坡口寬度的變化，選用適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)。焊接開始時(shí)，坡口寬度基本在4.5 mm范圍變化，焊接電壓與焊接電流分別為22 V和190 A，焊縫熔寬為6.5 mm，熔深在3 mm以下，焊縫沒有下塌現(xiàn)象。當(dāng)焊接到第6道時(shí)，坡口寬度變?yōu)? mm，此時(shí)選用的焊接電壓與焊接電流分別為22 V和185 A，焊縫的熔寬為5.5 mm，熔深約為3.5 mm。當(dāng)焊接到第14道時(shí)，焊縫有輕微的下塌，焊縫下側(cè)熔深略有增加。

3 討論

在橫向焊接中普遍存在熔池下塌和咬邊的缺陷，產(chǎn)生缺陷的主要原因是焊接熱輸入過大和熔池受力不平衡。焊接熱輸入較大，熔池液態(tài)金屬較多，熔池的表面張力和電弧力的合力不能平衡重力的影響，造成熔池的下塌。實(shí)際工程中只能犧牲焊接效率采用較小的熱輸入控制熔池大小來解決熔池下塌。

與常規(guī)的電弧焊熔池相比，超窄間隙焊接的熔池受力狀態(tài)有一定的特點(diǎn)。如圖8所示，其中F1、F2是表面張力，主要取決于熔池的固液接觸面積。Fg是熔池重力，與熔池的大小有關(guān)。Fb是電弧力軸向壓力，與焊接電流大小有關(guān)。其中熔池下塌主要受重力的作用，只有熔池重力小于或等于表面張力F1的縱向分力，熔池才不會(huì)下塌;電弧力軸向壓力Fb會(huì)使熔池形成下凹，只有電弧力軸向壓力Fb略大于表面張力F2和F1的橫向分力的合力，熔池形成輕微的下凹，保證側(cè)壁熔池并容易清渣。超窄間隙焊接的熱輸入只有0.5 kJ/mm，焊縫的面積約20 mm2，大約是常規(guī)電弧焊相同電流下的二分之一，使熔池的重力大幅度降低;另外，電弧同時(shí)加熱熔化直坡口的兩側(cè)壁，使熔池的固液接觸面積明顯擴(kuò)大，增加了保持熔池不下塌的表面張力?？梢?，焊劑片約束電弧超窄間隙焊接方法用于橫向焊接，在不降低焊接效率的情況下，可以防止熔池下塌缺陷的發(fā)生。

在超窄間隙橫向焊接中，熔池的受力狀態(tài)直接影響著下塌缺陷的產(chǎn)生，通過改變焊接規(guī)范參數(shù)可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)控，其中焊接電壓的作用尤為顯著。電壓較小時(shí)（見圖9a）電弧弧柱短，焊劑片燒損量少，由于焊劑片的固壁約束作用，大部分電弧被壓縮在坡口底部燃燒，只有少量的電弧流經(jīng)坡口側(cè)壁，兩側(cè)壁的熔化量較小。此時(shí)，如果焊接電流較小，坡口中熔融金屬填充坡口的速度較慢，熔融金屬不能沿著坡口上側(cè)壁潤(rùn)濕鋪展，在重力的作用下，熔池將會(huì)下塌。如果焊接電流較大，熔化焊絲量較多，坡口中液態(tài)金屬量較大，容易形成“上凸”的焊縫。

當(dāng)焊接電壓過大時(shí)（見圖9b），電弧長(zhǎng)度增加，電弧加熱區(qū)域加寬，電弧作用在焊劑片上的面積增加，電弧作用在坡口側(cè)壁高度增加，剩余焊劑片對(duì)電弧的固壁約束作用減小，電流作用在坡口兩側(cè)及底部，底部熔寬和側(cè)壁熔深增加。此時(shí)，采用較大焊接電流，坡口中熔融金屬量增多，熔池重力作用增大。焊接電流較大，熔池溫度較高，表面張力減小。在較大的重力下，表面張力縱向分力無法平衡重力影響，熔池下塌。焊接電流較小時(shí)，熔融金屬不能填滿坡口間隙，將形成“下凹”的焊縫。

4 結(jié)論

（1）采用焊劑片約束電弧超窄間隙焊接方法的橫焊工藝，實(shí)現(xiàn)了直坡口寬度4.5 mm，壁厚60 mm的多層單道對(duì)接接頭。

（2）在超窄間隙橫向焊接規(guī)范選取時(shí)，既要通過焊接電壓確保焊縫上側(cè)壁具有一定熔深量，又要通過焊接電流和焊接速度確保坡口中焊絲的熔化速度和熔化量。只有上側(cè)壁熔化量與焊絲的熔化量相匹配時(shí)，熔池的下塌量最小。

（3）超窄間隙焊接熔池小，固液接觸面相對(duì)較大，其表面張力容易平衡熔池的重力;這種新方法用于橫向焊接，在不降低焊接效率的情況下，可以防止熔池下塌缺陷的發(fā)生。

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收稿日期：2020-03-19

基金項(xiàng)目：寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃一般項(xiàng)目（2019BD

E03005）;國(guó)家自然科學(xué)基金（61866021）

作者簡(jiǎn)介：董 敏（1990— ），男，碩士研究生，主要從事超窄間隙焊接工藝方面的研究。E-mail：DongMin2010cx@126.com。

通訊作者：朱 亮（1964— ），男，教授，博導(dǎo)，主要從事焊接工藝及設(shè)備、金屬材料變形及工藝的研究。E-mail：zhul@lut.cn。