双钨极氩弧焊工艺及焊缝成形机理分析_王树保

收稿日期 2006 03 11 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50675046 双钨极氩弧焊工艺及焊缝成形机理分析 王树保 1 张海宽 2 冷雪松 1 吴 林 1 1 哈尔滨工业大学 现代焊接生产技术国家重点实验室 哈尔滨 150001 2 海军驻四三一厂 军代表室 辽宁 葫芦岛 125004 摘 要 针对 3 mm 和 4mm 厚度低碳钢板 对双钨极氩弧焊的焊接工艺进行了研究 与常规钨极氩弧焊的对比分析表明 由于双钨极氩弧焊降低了电弧压力 提高了焊丝的 熔敷率 因而在大电流高速度焊接时 极大地减少了凹坑 咬边等缺陷 实现了良好的焊 缝成形 从而改善了常规钨极氩弧焊不适合大电流高速度焊接的不足 拓宽了钨极氩弧 焊的使用范围 提高了焊接生产率 此外 在焊接试验的基础上 进一步对双钨极氩弧 焊降低电弧压力 减少焊接缺陷的机理进行了分析 关键词 双钨极氩弧焊 电弧压力 熔敷率 焊缝成形 中图分类号 TG444 74 文献标识码 A 文章编号 0253 360X 2007 02 021 04 王树保 0 序 言 钨极氩弧焊是一种高品质的焊接方法 其焊接 电弧稳定性好 焊缝成形优于其它弧焊方法 1 同 时 其焊接过程没有熔滴过渡 不会造成焊接飞溅 在厚板打底焊和全位置焊接中得到了广泛的应用 但是 钨极氩弧焊熔敷率低 焊接生产率不高 为了 提高焊接生产率而提高焊接电流和焊接速度 不仅 会严重烧损钨极 造成焊缝夹钨 而且会造成焊缝凹 坑和咬边等焊接缺陷 严重影响焊接质量 双钨极 氩弧焊是在常规钨极氩弧焊的基础上发展起来的一 种新的焊接方法 该焊接方法显著地降低了电弧压 力 提高了焊丝的熔敷率 为薄板的高速度焊接开辟 了新的途径 该方法最初是由日本的 Yamada 等人 于1998 年提出来的 目前在日本已经成功地应用于 容积为 180 000 m 3 直径为 82 m 的 PCLNG 液化天 然气 储罐的焊接 2 3 作者以 3 mm 和 4 mm 厚度的低碳钢板为研究 对象 对双钨极氩弧焊的焊接工艺进行了研究 并与 常规钨极氩弧焊进行了对比分析 此外 还在焊接 试验的基础上 对双钨极氩弧焊焊缝成形的实现机 理进行了分析 1 焊接试验装置 图1 为试验所用的试验系统示意图 其中 焊 枪是该系统的核心部件 使用的是专门设计的双钨 极氩弧焊枪 与常规钨极氩弧焊不同 双钨极氩弧焊 应用两台焊接电源 分别对焊枪中两个彼此绝缘的 钨极供电 焊接电源为深圳瑞龙公司生产的 WS 400型焊机 焊接过程中 焊接速度等参数由计算机 进行控制 图 1 试验系统示意图 Fig 1 Schematic of experiment system 2 试验及其结果分析 2 1 焊接工艺试验 试验采用 3 mm 和4 mm 厚度的低碳钢板试件 摸索最佳的焊接工艺参数 并与常规钨极氩弧焊进 行对比分析 为了消除焊瘤等焊接缺陷 试验过程 中 在焊接试件下面放置一铜质垫板 来强制焊缝反 面成形 为了保证焊缝质量 在焊接试验之前 需要 第 28 卷第 2 期 2 0 0 7 年 2 月 焊 接 学 报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vol 28 No 2 February 2007 对工件进行机械清理 去除工件表面的锈迹和油迹 此外 试验中 焊枪 焊接工件和焊接垫板之间要求 严格对中 试验中应用的焊丝为 H08Mn2Si 焊接电弧弧长 为 3mm 保护气体流量为12 L min 其它焊接工艺参 数如表 1 所示 表 1 焊接工艺参数 Table 1 Welding parameters 板厚 mm 焊接方法 焊接速度 vw mm min 1 焊接电流 I A 送丝速度 vf mm s 1 钨极间距 d mm 焊丝直径 D mm 13双钨极220120 1202521 0 24双钨极248170 1701631 6 34单钨极61530010 51 6 44双钨极615200 20010 531 6 以焊接速度 焊接电流 送丝速度以及钨极间 距为调节变量 通过大量的正交试验 来探索双钨极 氩弧焊的工艺参数 以表 1 中各组焊接参数为例 对焊接试验结果进行分析 图 2 为第 1 组焊接工艺 参数的试验结果 图 2a 为焊缝正面照片 图 2b 为焊 缝背面照片 从图中可以看出 在该组焊接工艺参数 下 焊缝正面成形良好 表面不存在焊接缺陷 同时 焊缝背面熔透和成形情况也极佳 图 2 3 mm 厚度的低碳钢板试验结果 Fig 2 Test result of 3 mm Q235 steel plate 在第 1组试验的基础上 进一步对 4 mm 厚度的 低碳钢板的焊接工艺进行了摸索 图 3 为在第 2 组 焊接工艺参数的试验结果 图 3a 为焊缝正面照片 图3b 为焊缝背面照片 可见 在该焊接工艺参数 下 焊缝正面成形规则 焊缝背面熔透情况也很好 在前述试验的基础上 进一步将双钨极氩弧焊 与常规钨极氩弧焊进行对比分析试验 探索双钨极 氩弧焊的优越性 图 3 4 mm 厚度的低碳钢板试验结果 Fig 3 Test result of 4 mm Q235 steel plate 图 4a b 分别为两种方法在 4 mm 厚度的低碳钢 板上填加焊丝进行表面堆焊的试验结果 焊接参数 如表1 中第 3 4 组所示 可以看出 在该焊接参数 下 常规钨极氩弧焊焊缝表面存在大量咬边和凹坑 图 4 4 mm 厚度的低碳钢板填丝试验结果 Fig 4 Test result of 4 mm Q235 steel plate with feeding wire 22 焊 接 学 报第 28卷 的焊接缺陷 焊缝表面不规则 成形极差 与之相比 双钨极氩弧焊的焊缝则成形很好 表面没有缺陷 对比试验表明 与常规钨极氩弧焊相比 在大电 流高速度焊接时 双钨极氩弧焊可以避免常规钨极 氩弧焊中容易出现的凹坑和咬边等焊接缺陷 实现 良好的焊缝成形 初步试验表明 与常规钨极氩弧焊相比 双钨极 氩弧焊更适合在大电流高速度下焊接 从而为提高 钨极氩弧焊的焊接生产率开辟了新的途径 2 2 焊缝成形机理分析 2 2 1 电弧压力降低的机理分析 双钨极氩弧焊 在大电流高速度焊接时 可以减 少咬边和凹坑等焊接缺陷 实现良好的焊缝成形 这 一优点 主要得益于双钨极氩弧焊能够显著降低电 弧压力 提高钨极氩弧焊的熔敷率 电弧压力主要由电弧静压力和电弧动压力组 成 电弧静压力是由电磁收缩效应引起的 电弧动压 力是由电弧中粒子对工件的撞击引起的 4 其中 电弧静压力不仅直接作用于熔池表面 而且是电弧 动压力的力源 在双钨极氩弧焊中 两个彼此绝缘 的钨极分别承载一定的电流并产生电弧 两个电弧 在电磁力的作用下复合成一个电弧 与常规钨极氩 弧焊相比 在同样的焊接电流下 该电弧的电流密度 较小 电弧形态也存在比较明显的变化 受到这些 因素的影响 电弧静压力值也会有所改变 如图 5 所示 为焊接电弧形态示意图 则有 pa KI 2 lg Rb Ra 1 式中 K 为系数 I 为焊接电流 Ra为锥形弧柱上底 面半径 Rb为锥形弧柱下底面半径 pa为电弧总的 静压力值 其大小随 Rb Ra 的增加而增大 图 5 焊接电弧示意图 Fig 5 Schematic of welding arc 图 6 为试验中拍摄的电弧形态图 其中 图 6a 为常规钨极氩弧焊电弧形态 图 6b 为双钨极氩弧焊 电弧形态 对比分析图 6a b 可以看出 在相同的焊 接电流下 常规钨极氩弧焊电弧 Rb Ra 大于双钨 极氩弧焊电弧 根据式 1 则有双钨极氩弧焊的电 弧静压力小于常规钨极氩弧焊的电弧静压力 图 6 两种电弧形态图 Fig 6 Photo of arc shape 焊接电弧是非等截面的近锥体 电弧静压力在 不同的截面处分布不均匀 靠近电极的压力大 靠近 工件的压力小 从而形成了电弧静压力差 电弧静 压力差使得较小截面处的高温粒子向工件方向流 动 形成等离子气流 到达工件表面时作用于液态熔 池表面 形成电弧动压力 4 对于双钨极氩弧焊 在电弧内部 电弧静压力值 小于常规钨极氩弧焊的值 因此电弧静压力对等离 子气流的推动作用不及常规钨极氩弧焊的大 于是 当等离子气流达到工件表面时 所形成的电弧动压 力值也比常规钨极氩弧焊的低 文献 5 通过理论计算指出 在电弧诸力中 电 弧动压力是主要的 起决定性作用的 它几乎占电弧 总机械作用力的 80 以上 由此可见 在同样的焊 接参数下 由于双钨极氩弧焊可以显著地降低电弧 静压力和动压力 因此 其电弧总压力将小于常规钨 极氩弧焊的电弧压力 为了进一步验证双钨极氩弧焊对电弧压力的影 响 在 6 mm 厚度的低碳钢板材上进行表面堆焊 并 对焊缝横截面特征进行了分析 主要焊接参数为焊 接速度 220 mm min 弧长 3 mm 常规钨极氩弧焊接 电流240A 双钨极氩弧焊接电流 120 120 A 焊后 将试样垂直于焊缝剖开 然后依次经过 200 号 500 号和 800 号砂纸打磨 并用 FeCl3饱和溶液腐蚀后 在显微镜下观察 放大后得焊缝宏观照片 如图 7 所 示 其中 图 7a 为双钨极氩弧焊在钨极间距为 6 mm 时的试件照片 图 7b 为常规钨极氩弧焊试件结果照 片 对比分析焊缝宏观照片发现 在同样的焊接参 数下 与常规钨极氩弧焊相比 双钨极氩弧焊焊缝熔 第 2 期王树保 等 双钨极氩弧焊工艺及焊缝成形机理分析23 深浅 深宽比小 由此可见 双钨极氩弧焊的电弧压 力确实小于常规钨极氩弧焊的电弧压力 图 7 焊缝横截面宏观照片 Fig 7 Cross section of weld 2 2 2 减少焊接缺陷的机理分析 在大电流高速度焊接时 常规钨极氩弧焊出现 的凹坑和咬边的焊接缺陷 主要是由电弧压力过大 和焊丝的熔敷率偏低所导致 在大电流高速度焊接时 常规钨极氩弧焊的电 弧压力高 电弧的后排作用和挖掘作用较强 6 会将 熔池内过多的液态金属推向熔池后方 但是由于焊 接速度较高 液态熔池冷却速度很快 被推向熔池后 方的金属还不能在重力的作用下回复到平衡位置就 已经凝固 因此在焊道表面留下许多凹坑的焊接缺 陷 与之相比 双钨极氩弧焊极大地降低了电弧压 力 因此避免了焊接凹坑的产生 文献 7 指出 焊接咬边倾向随着单位长度上熔 敷金属量的增加而减小 当单位长度上熔敷金属量 足够多时 不出现咬边的焊接缺陷 由前面的论述可知 在同样的焊接电流下 双钨 极氩弧焊的电弧压力低于常规钨极氩弧焊的电弧压 力 换言之 在一定的电弧压力范围内 双钨极氩弧 焊可以在更大的焊接电流下焊接 从而增加单位长 度上熔敷金属量 减少了焊接咬边出现的几率 同 时 单位长度上熔敷金数量的增加 也为焊接生产率 的提高奠定了理论基础 3 结 论 1 在大电流高速度焊接时 双钨极氩弧焊极 大地减少了常规钨极氩弧焊中经常出现的凹坑和咬 边等焊接缺陷 实现了良好的焊缝成形 从而拓宽了 钨极氩弧焊应用的工艺参数范围 提高了钨极氩弧 焊的生产率 2 在同样的焊接工艺参数下 与常规钨极氩 弧焊相比 双钨极氩弧焊电弧压力小 焊缝熔深浅 深宽比小 参考文献 1 王文翰 焊接技术手册 M 郑州 河南科学技术出版社 2002 2 Kobayashi K Nishimura Y Iijima T et al Practical application of high efficiency twin arc TIG welding method sedar TIG for PCLNG storage tank R IIW DOC XI 783 2003 3 Kobayashi Kazuyuki Yuki et al Development of high efficiency TIG welding method SEDAR TIG R DOC XII 1669 2001 4 杨春利 林三宝 电弧焊基础 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出 版社 2003 5 贾昌申 肖克民 殷咸青 等 焊接电弧的等离子流力 J 焊 接学报 1994 15 2 101 106 6 安藤弘平 友谷川光雄 焊接电弧现象 M 北京 机械工业 出版社 1985 7 冯 雷 陈树君 殷树言 高速焊接时焊缝咬边的形成机理 J 焊接学报 1999 20 1 16 21 作者简介 王树保 男 1980 年出生 工学硕士 从事双钨极氩弧 焊焊接工艺的研究工作 发表论文 1 篇 Email wangshubao258 126 com 24 焊 接 学 报第 28卷 synchronic control hybrid external characteristic metal transfer Microstructural investigation on friction stir welds of dissimilar metals between mild steel and copper XING Li LI Lei KE Liming Depart mentof MaterialsScience and Engineering Nanchang Institute of Aero Technology Nanchang 330063 China p17 20 Abstract The joining of dissimilar metals T2 copper and Q235 mild steel plates with 4 mm thickness was carried out using friction stir welding FSW technique A defect free weld with good surface appearance has been obtained The results indicated that the resultant microstructure of the weld is associatedwith the thermo me chanical effects during the FSW In the near shoulder zone at the steel side the microstructure of the steel presents fine equiaxed fer rite grains which attributed to dynamic recrystallization due to the large strain and higher temperature but in the heat affected zone HAZ adjacent to the pin the microstructure of the steel is com posed of pre eutectic ferrite PF and ferrite side plate FSP which is same as the original microstructure before welding because of the lower strain and temperature within this region At the copper side the grains in the HAZ present coarser due to the welding heat but in the thermo mechanical affected zone the grains become quite small due to the dynamic recrystallization induced by the welding heat and the strain In the stir zone the microstructure presents lamella com posed of copper and steel plates alternately on the upper part and vortex like feature composed of copper steel and the intermetallics from them alternately on the lower part in which copper plates pr esent fine equiaxed grains and the steel platespresent fine equiaxed grains or PF FSP intercalationmicrostructures Key words friction stir welding microstructure mild steel copper Twin electrode TIG welding procedure and mechanism of weld formation WANG Shubao1 ZHANG Haikuan2 LENG Xueso ng1 WU Lin1 1 State Key Laboratory ofAdvancedWelding Produ etion Technology Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China 2 Navy Representatives Branch in 431 Factory Huludao 125004 Liaoning China p21 24 Abstrat The twin electrode tungsten inert gas T TIG welding was studied by using the base metal ofQ235 low carbonsteel plate with the thickness of 3 mm and4 mm The resultsindicate that the T TIG welding can avoid the defects of undercut and humping effectively in high current and high speed region on the basis of low arc pressure Accordingly the deposition rate is increased and the weld formation is improved In addition the mechanism of the T TIG arc pressure reductionto make the soundweldformationwas an alyzed Key words twin clectrode tungsten inert gas welding arc pressure deposition rate weld formation Effect of alloy elementsand heat treatment technology on micro structure and property of hardfacingmetal for cold scissors LI Da LIU Ligang YANG Yulin YANG Qingxiang College of Materials Science and Chemical Engineering Yanshan University Qinhuangdao 066004 Hebei China p25 28 Abstract The microstructure of hardfacing metal was ob served and its property was measured by transformation recording measuring instrument optical micrograph X ray diffractometer X ray stress analyzer and hardness instrument The results show that the hardness of hardfacing metals are increased with the increasing of carbon content The tempering resistance of covered electrodes can be improved by adding Mo in the coating After the specimen was tempered at 550 for two times in the retained austenite with hardfacing metals content of Mo is 1 1 and the hardness is the highest 58 6 HRC Key words cold scissors hardfacing retained austenite Defect detection of X ray images of weld using optimized heuris tic search based on image information fusion CAI Guorui1 DU Dong1 TIAN Yuan1 HOU Runshi1 GAO Zhiling2 1 Depart ment of Mechanical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 2 North China Petroleum Steel Pipe Co Ltd Cangzhou 062650 Hebei China p29 32 37 Abstract A new method of defect detection X ray images of weld using optimized heuristic search based on image information fu sion was introduced In order to achieve real time defects detection weld segmentation using wave analysis was performed just after the pre processing of the image then image information fusion technolo gy was used to set up searching base with revelatory knowledge fi nally heuristic search was used to locate all the pixels in defects and the pixels were grouped by adjacency characteristic Each group of pixels corresponds to certain defect in the weld Experiments show that the mentioned algorithm can detect defects in X ray images of the weldwith great efficiency and reliability The algorithm can be used for industrial applications of real time weld defects detection in X ray non destructive testing Key words defectsdetection X ray image processing in formation fusion optimized search weld FEA based prediction of weld dimension in new DE GMAW process ZHANG Mingxian1 WU Chuansong1 LI Kehai2 ZHANG Yuming2 1 School of Materials