陳致遠(yuǎn)， 郭凱， 王猛， 魏艷紅， 曹承明， 童志武

摘要： 目前電熱水器內(nèi)膽多采用1.8 mm及以上的材料制備，針對熱水器內(nèi)膽減薄的可行性問題，對1.5 mm厚TC300搪瓷鋼焊接工藝進(jìn)行了研究。對1.5 mm厚TC300搪瓷鋼熱水器內(nèi)膽等離子弧焊縱縫進(jìn)行多因素正交試驗，通過極差分析法得出影響焊縫成形質(zhì)量的主要因素依次為焊接速度、焊接電流及等離子氣流量，在此基礎(chǔ)上獲得了優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)范圍（等離子氣流量1.5～1.8 L/min，焊接電流145～155 A，焊接速度9 mm/s）。選取成形質(zhì)量較好的接頭進(jìn)行焊縫形貌觀察、金相組織分析、顯微硬度與拉伸性能測試、斷口掃描及疲勞性能試驗，測試結(jié)果顯示，焊縫內(nèi)部無明顯缺陷，焊縫硬度高于母材及熱影響區(qū)，拉伸靜載下接頭強度高于母材強度，根據(jù)疲勞性能試驗擬合接頭疲勞SN曲線，計算得出當(dāng)內(nèi)膽壽命大于1×105周次時，疲勞載荷應(yīng)小于361 MPa，遠(yuǎn)大于水壓脈沖測試載荷，接頭疲勞性能滿足行業(yè)要求。

關(guān)鍵詞： 熱水器內(nèi)膽縱縫; 等離子弧焊; 焊接工藝優(yōu)化; 力學(xué)性能; 疲勞性能

中圖分類號： TG 456.2

Optimization of welding process and microstructure and properties

of longitudinal weld in water heater tank

Chen Zhiyuan1， Guo Kai1， Wang Meng1， Wei Yanhong1， Cao Chengming2， Tong Zhiwu2

（1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210000， Jiangsu， China;

2. Midea Group， Foshan 528000， Guangdong， China）

Abstract： Electric water heater tank is mostly made of 1.8 mm and above materials at present. In view of feasibility of thinning water heater tank， welding process of 1.5 mm thick TC300 enamel steel was studied. The multifactor orthogonal test was carried out on longitudinal weld of 1.5 mm thick TC300 enamel steel water heater tank by plasma arc welding. The main factors affecting weld quality were obtained by range analysis method， welding speed， welding current and plasma gas flow rate， in sequence. On this basis， the optimized welding parameter range was obtained， plasma gas flow was 1.5～1.8 L/min， welding current was 145～155 A and welding speed was 9 mm/s. Welded joints with better forming quality were selected for morphology observation of welds， metallographic structure analysis， microhardness and tensile properties tests， fracture scanning and fatigue performance test. The test results showed that there were no obvious defects in the weld， and hardness of the weld was higher than that of base metal and heataffected zone. Strength of the weld under tensile static load was higher than that of base metal. According to fatigue performance test， fatigue SN curve of welded joint was fitted， and it was calculated that when life of the tank was greater than 1×105 cycles， fatigue load should be less than 361 MPa， far greater than hydraulic pulse test load. Fatigue performance of welded joints met the industry requirements. Key words：? ?longitudinal weld of water heater tank; plasma arc welding; optimization of welding process; mechanical properties; fatigue performance

0前言

電熱水器作為薄壁壓力容器，對強度及耐腐蝕性有很高的要求[1]。搪瓷鋼是第三代熱水器內(nèi)膽材料，具有較好的防腐性、耐壓性和密封性，已在市場廣泛使用[2-3]。電熱水器搪瓷鋼內(nèi)膽縱縫等離子弧焊（PAW）是電熱水器內(nèi)膽制造過程主要焊接工藝之一[4-5]，熱水器行業(yè)由于缺少相關(guān)的焊接工藝評定標(biāo)準(zhǔn)，一般很少進(jìn)行嚴(yán)格的評定，焊接工藝規(guī)范化水平低，造成內(nèi)膽焊接工藝范圍寬，焊縫質(zhì)量波動大，導(dǎo)致縱縫經(jīng)常成為內(nèi)膽開裂漏水的主要區(qū)域。

焊接工作者針對搪瓷鋼內(nèi)膽進(jìn)行了廣泛深入的研究，取得了可喜的成果。韓建波[6]及王興國[7]分別針對1.8 mm厚度BTC330R搪瓷鋼內(nèi)膽縱縫焊接，進(jìn)行焊接試驗、性能測試及有限元仿真分析，優(yōu)化了內(nèi)膽縱縫焊接參數(shù)，提高了縱縫性能。Puoza等人[8]對比研究內(nèi)膽搪瓷前后縱縫微觀組織、顯微硬度及殘余應(yīng)力等的變化，證明搪瓷可以降低顯微硬度及殘余應(yīng)力，提高縱縫性能。楊崢等人[9]對電熱水器內(nèi)膽縱縫開裂進(jìn)行了研究，通過斷口掃描及微觀組織分析，表明焊縫與母材夾角處組織應(yīng)力及水壓帶來的應(yīng)力集中是導(dǎo)致內(nèi)膽縱縫開裂的主要原因。蔡得濤等人[10]針對薄板進(jìn)行等離子弧焊，對比研究自熔焊和填絲焊對接頭性能的影響，結(jié)果表明2種焊接方式接頭性能差異較小，填絲焊可以提高焊接速度，提高生產(chǎn)效率。對于熱水器內(nèi)膽縱縫等離子弧焊接，較優(yōu)的焊接工藝參數(shù)可以改善焊縫表面成形，提高接頭性能。為提高接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性，開展焊接工藝優(yōu)化試驗研究至關(guān)重要。

目前，電熱水器內(nèi)膽多采用1.8 mm及以上的材料進(jìn)行制備，激烈的市場競爭促使行業(yè)不斷尋求在保障可靠性的前提下降低成本[11]。對1.5 mm厚TC300搪瓷鋼焊接工藝進(jìn)行研究，探討減薄的可行性具有重要的應(yīng)用價值。

針對1.5 mm厚TC300搪瓷鋼內(nèi)膽縱縫等離子弧焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，開展多因素正交試驗，對比不同焊接工藝下焊縫成形質(zhì)量，縮小焊接工藝參數(shù)范圍，并對成形質(zhì)量較好的焊縫進(jìn)行焊縫形貌觀察、金相組織分析、顯微硬度與拉伸性能測試、斷口掃描及疲勞性能試驗，探究接頭性能的可靠性。

1試驗材料、設(shè)備及方法

1.1試驗材料

試驗材料為350 mm×150 mm×1.5 mm厚TC300冷軋?zhí)麓射?，焊絲為直徑1.2 mm的ER506高強度焊絲。搪瓷鋼與焊絲化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

1.2試驗設(shè)備及方法

所用的等離子弧焊焊接平臺由飛馬特Transmig550i大電流等離子焊機搭配P+T自動焊接機器人組成，等離子噴嘴垂直于試板，送絲系統(tǒng)位于噴嘴下方。焊接平臺額定電流為550 A、額定電壓為380 V、等離子氣流量在0～10 L/min，保護(hù)氣體和離子氣體均為純度99.9%的氬氣。試驗裝置示意圖如圖1a所示。焊接時為防止試板焊接變形影響焊縫質(zhì)量，將試板兩側(cè)用壓板裝夾，僅留出焊縫部分進(jìn)行焊接。試板裝夾如圖1b所示。

焊前清潔試板待焊區(qū)域，焊絲伸出長度為12 mm。焊接正交試驗采用焊接電流、焊接速度及等離子氣流量作為正交因素，每個因素中取3個水平，進(jìn)行9組試驗，并對焊縫表面成形進(jìn)行評估，獲取較優(yōu)試驗參數(shù)范圍，正交試驗焊接工藝參數(shù)見表3。

2試驗結(jié)果分析

2.1正交試驗工藝優(yōu)化

正交試驗焊縫成形結(jié)果如圖2所示。對于焊縫正面，1號、3號、5號焊縫表面有局部不均勻現(xiàn)象， 2號、4號、6號、7號及8號焊縫表面成形均勻;對于焊縫背面，1號、2號焊縫背透不明顯且成形較差，3號、4號、5號及7號焊縫未熔透，6號、8號焊縫背透充分，成形良好，9號焊縫明顯焊穿。

圖2正交試驗焊縫表面成形采用綜合評價的方法對焊縫成形質(zhì)量進(jìn)行量化評價，制定相應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)。沒有任何外觀缺陷的焊縫成形為50分，從焊接宏觀缺陷、焊縫表面成形質(zhì)量、焊縫背面成形質(zhì)量3個方面作為評價指標(biāo)，各占20分、15分、15分，針對每項評價指標(biāo)，分別設(shè)置滿分、半滿分和零分[12]。并通過極差分析法分析正交試驗方案評價結(jié)果，正交試驗工藝參數(shù)及評價結(jié)果見表4。

運用極差分析法對焊縫成形質(zhì)量進(jìn)行分析，Kij為第i列第j水平焊縫成形質(zhì)量平均值;R為第i列3個水平的極差值，R越大則該因素對焊縫成形質(zhì)量影響越大。

對比R值可知，焊接速度對焊縫成形質(zhì)量影響最大，其次是焊接電流及等離子氣流量。對比Kij值，焊接速度為9 mm/s時，Kij值遠(yuǎn)高于其他2個水平，等離子氣流量1.5 L/min與1.8 L/min的Kij值較高且接近，焊接電流145 A時Kij值較高，同時A2B3C1組合焊縫成形質(zhì)量較好，因此優(yōu)化焊接工藝參數(shù)范圍為：等離子氣流量1.5～1.8 L/min;焊接電流145～155 A;焊接速度9 mm/s。現(xiàn)對成形質(zhì)量較好的6號焊縫進(jìn)行力學(xué)性能測試。

2.2焊縫宏觀形貌

使用DK7740型線切割機床從焊接件上切取金相試樣，對試樣進(jìn)行研磨與拋光。采用4%硝酸酒精對金相試樣進(jìn)行腐蝕，焊縫截面宏觀形貌如圖3所示。經(jīng)測量知焊縫寬度為4.64 mm，焊縫高度2.60 mm，焊縫成形系數(shù)適中，焊縫內(nèi)部無明顯焊接缺陷，母材與焊縫界線清晰，焊縫整體飽滿，焊趾處過渡平滑。

2.3微觀組織分析

在YJ2006B光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行金相組織觀察，接頭金相組織如圖4所示。圖4a為試件接頭母材金相組織，母材組織以鐵素體為主，夾雜少許珠光體，組織細(xì)致，塑性韌性較好;圖4b為試件接頭熔合區(qū)金相組織，可以看出靠近熔合線左側(cè)組織受到焊接熱輸入高溫影響，發(fā)生固態(tài)相變，鐵素體較母材更加粗大，靠近熔合線處形成片狀珠光體組織，熔合線右側(cè)主要為針狀鐵素體，同時伴有側(cè)板條鐵素體沿晶界析出;圖4c、圖4d為試件接頭焊縫金相組織，主要由針狀鐵素

2.4顯微硬度

采用 HXS1000AC顯微硬度計測試焊接接頭的顯微硬度，載荷為 2.94 N，保載時間為 15 s，測試點步長為 0.5 mm，接頭顯微硬度曲線圖如圖5所示。由圖可知，顯微硬度從母材到熱影響區(qū)到焊縫依次增大，焊縫硬度平均值為213.4 HV，熱影響區(qū)硬度平均值為171.1 HV，母材硬度平均值為142.2 HV，焊縫硬度較母材硬度高出50.1%，熱影響區(qū)硬度較母材硬度高出20.3%，焊絲中碳及合金元素的添加使得焊縫硬度較母材有所上升。

2.5拉伸性能

參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》制備焊接接頭拉伸試樣并進(jìn)行拉伸性能測試。切取接頭拉伸試樣，用超聲波清洗機將試樣清洗干凈，拉伸測試采用KY100KN萬能試驗機，拉伸速率為2 mm/min，試驗前打磨焊縫兩側(cè)余高以便測量截面尺寸，拉伸試樣尺寸如圖6所示。

共進(jìn)行4組接頭拉伸測試，結(jié)果如圖7所示。4組接頭拉伸試樣均斷于母材，母材斷裂位置有明顯頸縮，接頭焊縫處無明顯變形，表明接頭強度要高于母材強度。

接頭拉伸測試數(shù)據(jù)見表5。拉伸樣平均抗拉強度為417.6 MPa，平均斷后伸長率為25.0%。接頭拉伸試樣數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無明顯偏差，試驗結(jié)果穩(wěn)定可靠，接頭焊縫在拉伸靜載荷下可靠性高于母材。

對拉伸試樣進(jìn)行斷口掃描，斷口形貌如圖8和圖9所示。斷口處表現(xiàn)為典型的單軸拉伸塑性斷口，在較高放大倍數(shù)下呈現(xiàn)出明顯韌窩，拉伸件屬于塑性斷裂。

2.6疲勞性能

參照GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗》設(shè)計并加工疲勞試樣，尺寸如圖10所示。

在MTS液壓伺服疲勞試驗機上對其疲勞性能進(jìn)行測試。試驗采用載荷控制方式，應(yīng)力比r=0.1，頻率為 20 Hz，正弦波載荷。試驗時按設(shè)定的循環(huán)載荷加載，直至試件斷裂失效，或者達(dá)到設(shè)定的循環(huán)數(shù)，記錄每個試驗件的斷裂壽命Nf。試驗設(shè)置7組循環(huán)載荷，從大到小分別是370 MPa，360 MPa，350 MPa，340 MPa，330 MPa，315 MPa及295 MPa，每組載荷測試至少3個平行試樣，以獲得SN曲線，部分接頭疲勞試驗結(jié)果如圖11所示。由圖可知，接頭疲勞試樣斷裂時均位于焊縫處，表明接頭焊縫疲勞性能弱于母材，熱水器內(nèi)膽使用過程中，內(nèi)膽縱縫處有可能因疲勞導(dǎo)致失效。

運用線性回歸方程和最小二乘法擬合SN曲線，獲得SN曲線對數(shù)表達(dá)式為：

lg σ = 2.789-0.046 3lg Nf（1）

以疲勞壽命Nf為橫坐標(biāo)，以循環(huán)載荷σ為縱坐標(biāo)，TC300搪瓷鋼等離子弧焊接頭SN曲線如圖12所示。

將行業(yè)許用壽命1×105周次帶入SN曲線對數(shù)表達(dá)式，計算得出疲勞載荷為361 MPa，遠(yuǎn)大于水壓測試載荷，滿足行業(yè)要求。

3結(jié)論

（1）通過極差分析法得出影響焊縫成形質(zhì)量的因素依次為焊接速度、焊接電流及等離子氣流量，對比正交試驗方案下的焊縫表面成形及Kij值，優(yōu)化內(nèi)膽縱縫等離子弧焊工藝范圍為：等離子氣流量1.5～1.8 L/min;焊接電流145～155 A，焊接速度9 mm/s。

（2）焊縫內(nèi)部無明顯缺陷，母材與焊縫界線清晰，接頭焊縫飽滿，焊趾處過渡平滑，焊縫區(qū)組織主要為針狀鐵素體。

（3）焊縫顯微硬度較母材硬度高出50.1%，接頭拉伸測試時斷于母材處，母材處有明顯頸縮，焊縫抗拉強度高于母材。

（4）疲勞試樣斷裂時均斷于焊縫處，焊縫疲勞性能弱于母材，擬合出接頭SN曲線，計算得出內(nèi)膽壽命高于1×105周次時，載荷應(yīng)小于361 MPa，遠(yuǎn)大于水壓脈沖測試載荷，表明接頭疲勞性能滿足行業(yè)要求。

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收稿日期： 2022-04-10

陳致遠(yuǎn)簡介： 碩士研究生;主要從事焊接工藝和焊接過程數(shù)值模擬的研究;563227811@qq.com。

魏艷紅簡介：通信作者，博士，教授，博士生導(dǎo)師;主要從事焊接數(shù)字化與智能化軟件開發(fā)、焊接過程有限元仿真、接頭組織演化模擬、接頭力學(xué)性能預(yù)測等方向的研究;已發(fā)表論文260余篇;yhwei@nuaa.edu.cn。