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不銹鋼高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊接工藝方法

來(lái)源:至德鋼業(yè) 日期:2020-01-23 09:11:31 人氣:1231

   針對(duì)雙鎢極TIG焊存在的電弧壓力小、焊縫熔深淺等問(wèn)題,提出了一種新型焊接工藝方法——高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊,在雙鎢極氬弧焊的一個(gè)鎢極上通以高頻脈沖電流,達(dá)到提高電弧壓力和挺度、攪拌熔池、細(xì)化晶粒、改善接頭組織和力學(xué)性能的目的?采用HFHT-TIG焊進(jìn)行了6 mm厚奧氏體不銹鋼焊接工藝試驗(yàn),并與雙鎢極TIG焊接頭進(jìn)行對(duì)比?結(jié)果表明,HFHT-TIG焊能夠顯著提高電弧挺度和電弧壓力,焊縫表面成形更佳,橫截面對(duì)稱(chēng)性更好,焊縫區(qū)的樹(shù)枝晶組織更加細(xì)小,斷口韌窩更加均勻和細(xì)密,接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別提高了12.1%和30.2%。


  鎢極氬弧焊(TIG)是一種應(yīng)用非常廣泛的高品質(zhì)焊接方法,具有過(guò)程穩(wěn)定、成形良好、適應(yīng)面寬等顯著特點(diǎn),但由于鎢極載流能力的限制和電弧能量密度不夠集中的影響,該方法存在著熔深淺、效率低等不足,為了改善TIG焊不足、提高焊接效率,近年,出現(xiàn)了許多高效TIG焊接工藝,如雙面雙弧TIG、熱絲TIG焊、A-TIG焊、AA-TIG焊、雙鎢極TIG、電弧超聲TIG、超音頻脈沖TIG等高效TIG焊工藝。雙鎢極氬弧焊工藝(T-TIG)是日本學(xué)者于1998年提出的,可大幅度提高熔敷效率,目前已經(jīng)成功地應(yīng)用于容積180 000立方米,φ82 m的PCLNG(液化天然氣)儲(chǔ)罐的焊接,清華大學(xué)吳敏生等人的研究結(jié)果證實(shí)了脈沖TIG對(duì)熔池具有攪拌、共振和細(xì)化晶粒的效果,高頻脈沖TIG和復(fù)合TIG焊接新工藝可以提高焊接效率、提升焊縫接頭質(zhì)量、降低焊材消耗等優(yōu)勢(shì),因此已成為高效焊接的熱點(diǎn)方向。



  在雙鎢極TIG焊的基礎(chǔ)上,提出了一種優(yōu)質(zhì)高效低耗的新型非熔化極復(fù)合焊接工藝方法——高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊,即HFHT-TIG焊?其核心在于:一前一后二個(gè)獨(dú)立的鎢極共存于一把TIG焊槍?zhuān)脚c工件產(chǎn)生二個(gè)電弧,協(xié)同加熱母材、形成單一熔池,其中的一個(gè)電弧通以高頻方波脈沖電流,另一電弧通以直流電流;兩個(gè)電弧相互作用,形成一個(gè)復(fù)合弧,雙弧相互協(xié)同,產(chǎn)生電弧熱收縮,形成復(fù)合攪拌、熔深挖掘、流動(dòng)加劇等效應(yīng),可增加熔深、提升熔敷能力、減少微觀缺陷、加快焊接速度、改善微觀組織、細(xì)化晶粒等。文中在研制高頻復(fù)合雙鎢極TIG設(shè)備的基礎(chǔ)上,以不銹鋼薄板為應(yīng)用對(duì)象,試驗(yàn)研究了高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊接頭質(zhì)量和組織性能,探索了焊縫宏觀成形及其影響因素,同時(shí),與最新研究的雙鎢極TIG焊的成形、質(zhì)量、組織性能進(jìn)行了對(duì)比分析。自行研制的高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊接系統(tǒng)包括高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊接電源、一體化雙鎢極氬弧焊槍、數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、全數(shù)字化送絲機(jī)構(gòu)和焊接工藝參數(shù)傳感傳輸系統(tǒng)等,試驗(yàn)裝置示意如圖所示,采用兩個(gè)鎢極前-后放置,與焊接方向保持一致,前鎢極電弧通以直流電流,后鎢極電弧通以高頻脈沖直流電流焊接時(shí),采用前送絲方式,固定焊槍不動(dòng),工件放置于數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的工作臺(tái)上,通過(guò)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)焊接速度和方向的控制。


  

  母材采用6 mm厚0Cr18Ni9Ti板材,焊絲采用φ1.2 mm ER304L不銹鋼,母材及焊絲的主要化學(xué)成分如表所示,焊接試件尺寸為300 mm×100 mm×6 mm,單邊30°V形坡口,不留鈍邊?焊前先用角磨機(jī)打磨母材表面,再用酒精擦拭去除表面油污?在基本工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,文中設(shè)計(jì)了兩組焊接工藝參數(shù),雙鎢極氬弧焊工藝如表中序號(hào)所示,2個(gè)鎢極電弧均采用直流電流;高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊工藝如表中序號(hào)所示,后鎢極采用30 kHz的高頻脈沖電流;2種工藝均采用φ3.2 mm ETW-H-2類(lèi)型鎢極、尖端60°錐形,雙鎢極間距為2 mm,鎢極尖端距離工件表面3 mm,保護(hù)氣為99.99%純氬氣、氣體流量為20 L/min,噴嘴直徑為φ30 mm,焊接速度為15 cm/min。采用表進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn),2組工藝焊接過(guò)程中,電弧燃燒均穩(wěn)定、無(wú)斷弧、短路現(xiàn)象發(fā)生,焊縫成形良好美觀,焊后按照GB/T 13298-91《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》制備微觀組織試樣,按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》制備接頭拉伸試樣,采用FEI Quanta 250F場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡觀察焊縫拉伸斷口形貌,分析研究高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊和常規(guī)雙鎢極氬弧焊焊接接頭的焊縫成形、接頭顯微組織和力學(xué)性能。



  高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊與雙鎢極氬弧焊焊縫外觀分別如圖所示,焊縫外觀均光滑美觀、成形良好,高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊焊縫表面弧線過(guò)渡更為平滑,表面成形更佳。多次反復(fù)試驗(yàn)的結(jié)果表明,高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊宏觀組織形貌較為穩(wěn)定,典型宏觀組織形貌如圖3b所示,雙鎢極氬弧焊宏觀組織形貌不夠穩(wěn)定,40%~50%試件出現(xiàn)圖所示的形貌,40%~50%的試件宏觀形貌介于圖3a,b之間的形貌,約有5%的試件宏觀形貌出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象;上述試驗(yàn)表明,高頻脈沖復(fù)合雙鎢極TIG焊可有效地一次完成6 mm厚0Cr18Ni9Ti板材焊接,雙鎢極TIG焊也能夠基本實(shí)現(xiàn),高頻脈沖復(fù)合鎢極TIG焊焊縫宏觀形貌對(duì)稱(chēng),雙側(cè)熔合均勻、成形美觀,雙鎢極TIG焊焊縫宏觀形貌兩側(cè)熔合不均勻,一側(cè)熔深良好、另一側(cè)熔深較淺,未能完全熔合、另一側(cè)也未能熔透。



  雙鎢極氬弧焊和高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊的接頭熔合區(qū)微觀組織分別如圖所示,從圖可以看出,雙鎢極氬弧焊焊縫熔合區(qū)附近的組織為樹(shù)枝晶,樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)方向指向焊縫中心,與散熱方向相反,胞狀樹(shù)枝晶基體上分布有骨架狀的δ鐵素體,從圖可見(jiàn)施加30 kHz高頻脈沖電流的高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊熔合區(qū)的微觀組織也為樹(shù)枝晶,部分樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)方向有較大的不同,但總體方向也指向焊縫中心,δ鐵素體呈蠕蟲(chóng)狀與骨架狀的混合形態(tài),樹(shù)枝晶尺寸較細(xì)。雙鎢極氬弧焊焊縫中心區(qū)域微觀組織見(jiàn)圖,高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊焊縫中心區(qū)域微觀組織見(jiàn)圖,焊縫中心微觀組織均為奧氏體組織,樹(shù)枝晶明顯,,雙鎢極TIG焊焊縫微觀組織晶粒較粗,高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊焊縫中心區(qū)域微觀組織晶粒較細(xì),為細(xì)小的樹(shù)枝晶。母材的抗拉強(qiáng)度為720 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為42.5%拉伸試驗(yàn)的接頭強(qiáng)度均低于母材,斷口均出現(xiàn)在焊縫區(qū),試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,可以看出,與雙鎢極TIG焊相比,30 kHz的高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊工藝所獲得的接頭的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率分別提高了約12.1%和30.2%,這與焊縫微觀組織分析檢測(cè)的結(jié)果較為吻合。圖是雙鎢極氬弧焊室溫拉伸試驗(yàn)斷口,圖是高頻復(fù)合雙鎢極TIG焊室溫拉伸斷口微觀形貌?可以看出,雙鎢極氬弧焊和高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊的微觀斷口均為典型的微孔聚集型韌性斷裂?與雙鎢極氬弧焊相比,采用30 kHz高頻復(fù)合雙鎢極氬?弧焊工藝的焊接接頭斷口韌窩更加均勻和細(xì)密。



  30 kHz高頻脈沖電流使得后弧收縮,直徑減小,弧壓上升,試驗(yàn)證實(shí),180 A電流,30 kHz電流使弧壓由16V提高到21V,電弧直徑由9mm減小到5mm,能量密度由453 W/mm2上升到983 W/mm2,脈沖電弧對(duì)熔池形成了持續(xù)攪拌和后排效應(yīng),使電弧電磁靜壓力和電弧等離子流動(dòng)壓力大幅度提高,電弧挺度、剛性和穩(wěn)定性顯著提升,同樣,雙鎢極TIG全部采用直流TIG,電弧穩(wěn)定性不夠,在雙弧電流相互吸引力作用下,電弧相互吸引,電弧容易發(fā)生飄移,在實(shí)際施焊過(guò)程中會(huì)造成熔池偏移,產(chǎn)生焊偏、未熔合等缺陷,圖表明雙鎢極TIG弧發(fā)生了漂移,焊縫呈現(xiàn)明顯的偏移,一側(cè)熔合良好,另一側(cè)雖也實(shí)現(xiàn)了熔合,但熔合面平直,熔化不夠充分,易產(chǎn)生未熔合缺陷也證實(shí)了電弧漂移現(xiàn)象的存在?而后弧采用30 kHz的高頻脈沖弧使電弧穩(wěn)定性好,圖3b證實(shí)了高頻脈沖復(fù)合弧的穩(wěn)定?焊縫宏觀形貌對(duì)稱(chēng),二側(cè)熔合充分,不易產(chǎn)生未熔合缺陷。



  30 kHz高頻脈沖電弧能夠?qū)θ鄢匦纬沙掷m(xù)攪拌,對(duì)焊縫的液固界面可以產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷作用,同時(shí)又可以加速熔池流動(dòng),使熔體成分均勻化圖證明了高頻脈沖電弧的電磁攪拌作用對(duì)固相界面的強(qiáng)沖刷作用,使得熔合線處存在結(jié)合不牢靠的大晶粒發(fā)生剝離,去除了液固界面的薄弱點(diǎn),讓熔體成分變得更加均勻。通過(guò)與圖對(duì)比可得,圖的熔合線波動(dòng)尺度更大,液固界面變得更加粗糙,增大了液固結(jié)合面積,有利于提高界面強(qiáng)度。換而言之,30 kHz高頻脈沖電弧能夠提高焊縫熔合區(qū)的強(qiáng)度。在焊縫凝固的過(guò)程中,凝固前沿存在熔質(zhì)分配過(guò)程,低熔點(diǎn)的熔質(zhì)原子先排出到凝固前沿,從而導(dǎo)致凝固前沿低熔點(diǎn)熔質(zhì)原子濃度提高,使得熔點(diǎn)下降,熔點(diǎn)下降后樹(shù)枝晶凝固前沿生長(zhǎng)受到抑制,容易形成枝晶。然而在圖中,由于高頻脈沖電弧的攪拌作用,凝固前沿排出的低熔點(diǎn)熔質(zhì)原子被快速地?cái)嚢璧饺鄢刂腥?,熔體中的熔質(zhì)成分變得均勻,凝固前沿的低熔點(diǎn)熔質(zhì)濃度變化較小,樹(shù)枝晶得以繼續(xù)向前生長(zhǎng),從而使得樹(shù)枝晶的枝葉顯得相對(duì)肥大。圖可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的數(shù)枝晶的生長(zhǎng)方向垂直于熔合線,由散熱方向決定?部分樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)方向發(fā)生改變,還有少量的樹(shù)枝晶發(fā)生了折斷,證明了高頻脈沖電弧產(chǎn)生的超聲共振[作用對(duì)固相組織具有一定的枝晶破碎作用,從而增加形核數(shù)量,進(jìn)而促進(jìn)焊縫區(qū)的晶粒細(xì)化,圖可以證明高頻脈沖電弧細(xì)化了焊縫區(qū)的微觀組織。


 

  高頻脈沖電弧的電磁攪拌作用一方面可以促進(jìn)熔合線結(jié)合不牢靠的晶粒脫離進(jìn)入熔池,使得液固界面更加粗糙,增大結(jié)合面積。另一方面,電磁攪拌作用還能使得熔體成分均勻化,使得樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)更加充分,枝葉更加肥厚,從而不容易產(chǎn)生缺陷。另外,高頻脈沖電弧產(chǎn)生的超聲共振對(duì)固相樹(shù)枝晶組織產(chǎn)生一定的枝晶破碎作用,增加形核數(shù)量,改變樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)方向,細(xì)化焊縫區(qū)的晶粒,這些都接接頭的強(qiáng)度和塑性提高都有利,對(duì)焊接接頭的塑性影響更大。針對(duì)6mm厚的不銹鋼板采用高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn),并與雙鎢極氬弧焊進(jìn)行對(duì)比分析,通過(guò)宏觀焊縫成形證明其電弧指向性更好,穩(wěn)定性更高,焊縫宏觀形貌對(duì)稱(chēng),二側(cè)熔合充分,不易產(chǎn)生未熔合缺陷。與雙鎢極氬弧焊相比,高頻復(fù)合雙鎢極氬弧焊一方面能夠?qū)θ鄢匾合喈a(chǎn)生高頻攪拌,使熔池熔體金屬成分均勻化,改變液固界面的形貌和樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)習(xí)性,另一方面能夠?qū)θ鄢毓滔喈a(chǎn)生聲波共振,打斷樹(shù)枝晶,增加形核率,細(xì)化焊縫區(qū)的晶粒。高頻脈沖電流頻率為30 kHz時(shí),焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別提高了12.1%和30.2%。


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