振动埋弧焊工艺初探

HEATS

　　振动埋弧焊工艺是一种在焊接过程中通过给焊件施加振动来改善焊接性能的新工艺。本文介绍了在西气东输阀门焊接中运用振动埋弧焊进行厚板焊接的试验，就残余应力、焊接变形、晶相3个方面对常规埋弧焊和振动埋弧焊工艺进行比较，对振动埋弧焊工艺进行初步探讨。试验结果表明，振动埋弧焊工艺能有效地降低焊接残余应力和变形，并细化晶粒。

　　关键词：振动焊接；变形；残余应力；晶相

　　0前言

; V# Z" n! m8 m" j9 j6 A

　　埋弧焊是工业生产中最常用的一种自动电弧焊方法，振动焊接(weld conditioning)是在振动时效(VSR)基础上发展起来的一项新的焊接工艺。它是在正常焊接过程中给焊件施加周期性的外力(激振力)，使焊件振动，从而达到细化组织、降低焊接残余应力，提高焊接质量的目的。同时省去焊后消应力处理，从而缩短生产周期，降低生产成本[1~2]。本文将振动埋弧焊技术应用在西气东输阀门焊接厚板试验中，分别做了常规埋弧焊接和振动埋弧焊，得到了相应的数据。对这些数据进行分析比较后，对振动埋弧焊工艺有了初步的了解。

6 ?5 T) z. K- i0 U7 { 8 U4 U; d G8 G( A; {6 J

　　1试验过程与方法

. Y: v1 F7 @" \ w# c

　　本次试验中使用的是阀门用钢A105，焊丝为H08MnA，直径2mm，焊剂为OP122，试板尺寸为450×200×（44、52)(单位：mm)，采用带衬底U型坡口；两试板点焊后，背面加焊2块16mm厚凹型拘束筋板，安装在试验平台上。

* t$ s3 b7 |9 r0 F + m- N2 x: J" L+ @( T: S

　　试验中使用的焊机是上海东升焊接设备有限公司的ZD5—1250型焊机。采用单电源双丝埋弧自动焊方法，采用直流反接。

1 \( H) M" L" I0 e8 p8 z& T 4 L! ], C3 z* d4 n7 S0 A

　　本试验采用的振动调制设备为黑龙江海伦振动时效设备厂生产的ZH-A环天牌振动调制焊接控制仪，将振动加速度设定在0.6g。用同样的工艺参数分别常规焊接和振动焊接。

2 v( P W3 m8 l8 ]4 B% n 8 A' c+ Z8 f/ }& L3 ]+ K* W- }: A

　　表1列出了本试验所用的焊接参数。

2 F7 A/ {- T: r( P& \

　　表1.焊接参数

2 m5 W# n% m, p# k9 r1 O$ Y 8 o$ e! Q6 |* A7 a1 K! l1 k

　　堆焊层数电流/A电压/V焊接速度mm/s焊丝排列伸出长度/mm熔敷厚度/mm起焊温度/℃

9 `% c/ V$ j& g. {) f( s! k P N

　　1 550 43 11前后45 2.90 37

! d* b7 N! f" P' Y, I 3 V( ^, f9 g. Q' w$ X; c

　　2～9 550～800 42～45 9～11前后40～45 2.43～4.40≈80

. H9 k! B$ T# Y9 k6 ^# t" m3 v8 Q

　　10～15 900 42 9前后40 3.60～4.202振动对厚板残余应力的影响

3 A" C( D% l" q" i* W B! [: P& g+ T

　　对常规焊接和0.6g振动加速度焊接后的钢板用盲孔法进行应力测量。在厚板上表面取8个点，测点分布见图2。在下表面取4点，1点位于焊缝中心，另3点从焊缝中心以20mm等距离选取。就横向和纵向两个方向上对残余应力进行比较。图2中，a和b是A105钢厚板焊接后上、下表面的横向残余应力分布曲线，c和d是A105钢厚板焊接后上下表面的纵向残余应力分布曲线。

. Z. k. N' s. v! U$ V7 u

　　随焊振动使厚板上下表面的残余应力分布有很大的改善，拉应力大小显着下降。

2 S7 H, [1 D! Q! e . t A! R6 e4 D* [0 @5 _# C L, |' [! E6 C

　　经分析，这主要是因为在振动焊接时，振动能量的输入加强了对熔池的搅拌作用，同时振动加快了熔池与周围金属的热传递，有利于熔池散热，使焊缝周围的温度梯度减小[3]，进而使不均匀塑性变形减小，残余应力降低。

! U% h6 P7 A$ z. k. [

　　3振动对厚板变形的影响

+ y; N- M, ~; M2 U$ n8 k 1 s! B9 a) G; T1 B: D

　　本试验主要考虑振动对厚板横向收缩变形、纵向收缩变形和角变形的影响。

/ ^$ \4 C$ ^: O, M' k* P c! e- ]$ A

　　a是厚板试样上表面的横向收缩变形曲线。b是厚板试样的纵向收缩变形曲线。

9 x/ D6 b5 f; `( {9 G+ t3 {' h

　　由a图可见，随焊振动使试板的横向收缩变形减小。同时随着横坐标上距起弧点的距离的增大，随焊振动和常规焊接的变形量趋于相同。这是因为距起弧点的距离越远，焊接时受到振动的时间越短，使减小变形的作用就越小，这也从另一个角度说明了随焊振动能减小变形的作用。

& `5 o3 M8 P6 _

　　b图中，横坐标的负值位于薄板，由于薄板的拘束比厚板小，因此薄板的纵向收缩变形较厚板的大。厚板和薄板上有振动时纵向收缩变形大约均只有无振动时的一半大小。

0 h7 M3 ~6 Y, d: e4 T 2 @6 C! P: _9 P& G: N% D/ v4 S

　　另外，经测定，常规焊接下，厚板的角变形为6.30；在0.6g加速度振动下，角变形仅为1.20。角变形的下降率达到81%。

　　综上，振动埋弧焊工艺对减小焊接变形有一定作用。

/ L6 V. P0 m& ]% e

　　4振动对厚板晶相的影响

8 j2 z$ ~+ o- F. n! }

　　随焊振动时，受机械振动激发呈湍流状态的液态金属不断冲刷柱状树枝晶枝晶根部而使其断面不断缩小[4]；同时柱状树枝晶在作受迫振动时，枝晶根部也易产生较大的弯曲应力，在这些应力的联合作用下，柱状树枝晶的枝晶甚至一些较细的柱状树枝晶折断。

: D, _# v4 }* ]# M; g1 g( K

　　5结论

) C/ t: D7 {! S3 w Y

　　(1)振动埋弧焊工艺与常规焊接工艺相比，能够有效的减低焊接残余应力和焊接变形，并且细化了晶粒。

+ v2 w5 }/ O% n& y. _' u

　　(2)振动埋弧焊工艺省去了焊后消应力处理，从而缩短生产周期，降低生产成本。可以预言，它的推广和应用必将对焊接生产行业带来巨大的经济效益。【MechNet】