閃光焊接速度對不銹鋼圓環鏈焊口質量的影響

李堂學

山東良莊礦業有限公司 山東 泰安 271219

0 引言

目前,不銹鋼圓環鏈產品,是輸送系統中鏈板式輸送機的主要部件,應用于化工、化纖、食品工業等行業。主要用于輸送粉狀、小顆粒及小塊狀等散狀物料的連續輸送,而不銹鋼圓環鏈在使用中是受力件,因此對該產品焊接質量要求極高,推動了不銹鋼圓環鏈的焊接質量發展,對不銹鋼焊接質量的研究有利于提高產品質量。

在研究不銹鋼鏈條焊接問題時,一般將焊接部位分為焊接區和熱影響區,其中焊接接頭的焊口區和熱影響區的組織不均勻,往往是焊接接頭的薄弱環節,焊接區和熱影響區越大,接頭的耐腐蝕性和抗拉強度就越差。提高焊接速度可以顯著減小接頭的焊接區和熱影響區,使接頭既具有較好的力學性能,又具有良好的耐腐蝕性,因此,人們在制定焊接速度時,在保證焊接成形良好的情況下,往往選擇較高的焊接速度。但是,對直徑20×100 mm的304L不銹鋼鏈條采用德國MRP生產的焊接設備進行閃光焊接時發現,焊接速度達到一定程度后繼續增加,接頭的強度不穩定、耐蝕性下降,通過不斷的焊接試驗對此現象進行了研究和分析。

1 試驗材料及方法

試驗材料為直徑20的不銹鋼材料304L,304L材料是一種易焊接的不銹鋼材料,采用編鏈機將棒料編成鏈條的形狀見圖1,材料的主要化學成分以及性能指標見表1和表2.

圖1 不銹鋼圓環鏈形狀Fig 1:Stainless Steel toroidal chain shape

表1 試驗用不銹鋼304L的主要化學化學成分%Table 1 Composition of the austenitic stainless steel tested%

表2 試驗用304L不銹鋼的性能指標Table 2 Mechanical properties of the austenitic stainless steel tested

不銹鋼圓環鏈生產的基本工藝流程為:下料→熱編鏈→閃光焊接→拉伸到規定尺寸→檢驗。

焊接設備采用德國MRP公司生產的KSH-500閃光焊接機,采用閃光焊接的方式對不銹鋼鏈條進行焊接,焊接參數采用控制面板調整,焊接質量穩定,焊接的工作過程包括預熱、閃光、頂鍛、保持、休止等程序。主要焊接參數:閃光長度3～4mm、頂鍛長度2～3 mm、焊接速度0.9～1.5 mm/s、最大閃光電流10 000～12 000 A、頂鍛速度10 mm/s、預熱1～2次、預熱時間2S以內。

不銹鋼鏈條焊接后采用600KN萬能材料試驗機進行拉力試驗;不銹鋼硝酸-氫氟進行酸腐蝕試驗;采用布氏硬度計進行接頭的硬度測試;采用光學顯微鏡進行金相觀察。

2 試驗結果

金屬的焊接性是金屬能否適應焊接加工而形成完整的、具有一定使用性能的焊接接頭的特性。由于閃光對焊過程是在熱─機械力聯合作用下進行的,其焊接性與點焊相似,通常比熔焊工藝條件好。

對于對直徑20×100 mm的304L不銹鋼鏈條焊接,選定焊接參數:閃光長度3mm、頂鍛長度3mm、最大閃光電流10 000 A、頂鍛速度10 mm/s、預熱2次、預熱時間2S以內,焊接速度分別選用0.9mm/到1.5mm/s,從圖2可以看到,穩定的焊接速度在拉力試驗的情況下,焊口處獲得和棒料相等的力學性能,鏈環焊口處不會出現斷裂,不同的焊接速度,拉力強度的變化也不一致,焊接速度過低或過高,在拉力相等的情況小,焊口處會出現斷裂,使焊口處成為鏈環薄弱環節。

圖2 不同焊接速度的拉力試驗結果Fig 2:Tensile test results at different welding speeds

焊接設備的焊接參數不變,通過調整焊接速度對不銹鋼鏈條進行焊接,焊接后通過600KN拉力試驗機進行拉力試驗,拉力強度達到圖3中的指標。從表中可以看到,焊接速度在10 mm/s和12 mm/s之間是焊接最穩定,拉力強度變化不大,焊接速度小于10 mm/s和大于13 mm/s時,焊口質量明顯下降,試驗時焊口處開裂,穩定性逐漸變差,焊口質量的不穩定,直接影響鏈條的使用壽命。

圖3 不同的焊接速度鏈條的拉力試驗數據Fig 3:Tensile test data of chains with different welding speeds

按圖4所示反映了在其他條件不變的情況下,接頭焊接速度與腐蝕率之間的關系,當焊接速度在10 mm/s和12 mm/s時,接頭的腐蝕率變化不大,隨著焊接速度的變化,焊接處的腐蝕率迅速增加,造成鏈條耐腐蝕下降,降低使用壽命

圖4 焊接速度與腐蝕率的關系Fig 4:Relationship between welding speed and corrosion rate

3 分析討論

閃光對焊接頭與傳統焊接接頭不同,其焊接是由母材直接融合而成,對其金相組織的性能評定有別于傳統的焊接接頭。焊接的性能主要取決于接頭的金相組織,而其金相形態則取決于焊接材料焊接時所采取的工藝。在確定工件材料的情況下,閃光對焊焊接區域金相組織決定于合理的溫度場分布和合適的閃光速度。

焊接接頭的組織可以分為焊接區組織和熱影響區組織,其中焊接區組織和熱影響區組織與母材相比,性能都很不均勻,是接頭的薄弱環節所在,因此人們在保證焊接成形良好的同時,都盡量地減小焊接區和熱影響區的大小。焊接區與熱影響區的大小與焊接速度的關系密切,從圖2、圖3已經看到,焊接速度的變化,則焊接區和熱影響區就越出現變化。因此,在焊接速度方面,人們往往認為,在保證焊接成形良好的同時,采用越高的焊接速度越有利于提高接頭的性能。但是,從圖3、圖4看到,采用了過低或過高的焊接速度之后,接頭強度的穩定性下降,試驗時焊口處開裂,且焊接接頭的耐腐蝕性明顯變差,這種現象往往被焊接工作者們忽略。

對焊接接頭處進行觀察發現,隨著焊接速度的不同,焊接背面出現了不同大小的氣孔。按圖5所示這些焊接氣孔經腐蝕試驗后呈現出來的形貌,焊接速度越快,氣孔越明顯。過高的焊接速度一方面會使焊接在高溫下就暴露于空氣中,接頭的氧化較嚴重;另一方面,焊接速度過慢或過快,使焊接組織很不均勻,不容易焊透而出現氣孔。氣孔的產生一方面使焊接接頭拉伸強度的穩定性下降,另一方面使接頭的耐蝕性下降。

圖5 焊接背面出現的氣孔Fig 5 Pores appearing on the backside of the welding seam

由此可見,在適當的范圍內適合的焊接速度有利于減小焊接區和熱影響區,增加材料強度的穩定性,但是當焊接速度小于或大于某一個值時,接頭強度的穩定性就變差,耐蝕性也變弱,因此,焊接速度應當有一個合適的值,合適的焊接速度既可以保證焊接成形性良好、接頭強度穩定,又能保證接頭有良好的耐蝕性能。

4 結論

(1)焊接設備采用德國MRP公司生產的KSH-500閃光焊接機,采用閃光焊接的方式對不銹鋼鏈條進行焊接,合適的焊接速度既可以保證焊接成形性良好、接頭強度穩定,又能保證接頭有良好的耐蝕性能。

(2)在保證焊接成形良好的條件下,以合適的焊接速度進行焊接可以縮小焊接區和熱影響區,提高焊接接頭強度的穩定性。

(3)過高或過低的焊接速度會導致焊接區形成氣泡,使接頭強度穩定性和耐蝕性下降。