CO2潛弧焊在液壓支架行業的可行性研究

凡乃峰，李福永，楊國梁

鄭州煤礦機械集團股份有限公司 河南鄭州 450001

1 序言

液壓支架結構件大多采用厚度≥12mm的中厚板拼焊而成，焊縫形式為多層多道焊，單件結構件的焊絲比重普遍高于4%，焊接工序經常成為液壓支架生產的瓶頸環節[1]。因此，提高焊接效率是液壓支架行業永恒的課題。近些年，激光MAG復合焊、雙絲焊和Rapid焊等新型高效焊接工藝也被嘗試應用于液壓支架制造行業，但能完全成功應用的新工藝卻少之又少。

本文以提高焊接效率為出發點，嘗試引進一種新的高效焊接工藝——CO2潛弧焊，通過研究焊接接頭的強韌性、焊接位置適應性及焊接效率等指標，評述該類高效焊接工藝在液壓支架行業的適用性。

2 試驗方法

2.1 潛弧焊

潛弧焊（Submerged Arc Welding，SAW）是一種大電流、低電壓CO2氣體保護焊的特殊形式，具有熔深大、效率高、飛濺小等特點。如圖1所示，在這種狀態下焊接電弧潛藏在母材表面以下熔池弧坑底部形成的空腔中燃燒，因此稱為潛弧焊[2]。

圖1 潛弧焊示意

其形成機理是：在進行大電流、低電壓CO2氣體保護焊時，隨著焊接電流的增大，電弧溫度持續升高，CO2在高溫下產生更劇烈的分解并對電弧產生更強的冷卻壓縮作用，電弧電場強度增大使得電孤變短；較低的電弧電壓進一步縮短電弧，保證電弧高度集中并產生較大的挖掘力，在電弧挖掘力作用下焊絲末端下面的熔池金屬被逐漸排開；隨著送絲自動跟進，焊絲末端繼續下降并潛入被焊金屬表面以下，呈現出潛弧狀態。

2.2 試驗內容

試驗所用材料為高強度液壓支架常用的30mm厚Q690高強鋼和與之匹配的φ1.6mm、ER76-G高強焊絲。對試驗材料的化學成分和力學性能進行檢測，結果見表1、表2。

表1 Q690高強鋼和ER76-G高強焊絲化學成分（質量分數） （%）

表2 Q690高強鋼和ER76-G高強焊絲熔敷金屬力學性能

試驗所用設備為D-Arc深熔焊機[3]，采用直流反接，保護氣體為純度99.99%的CO2氣體，氣體流量為15～20L/min。試件焊前預熱100～150℃，分別進行PA、PB位置的角焊和單側V形坡口焊（見圖2），具體焊接參數見表3。

圖2 坡口形式

表3 潛弧焊焊接參數

3 試驗結果及分析

3.1 焊接接頭力學性能

首先，評定潛弧焊接頭的綜合力學性能。對PA位置施焊的坡口焊試板進行解剖、加工，并進行對接接頭拉伸、沖擊和側彎試驗。

對PA位置施焊的坡口焊試板進行全厚度的拉伸試驗，拉伸試樣如圖3所示，試驗結果見表4。

圖3 坡口焊接頭拉伸試樣

表4 坡口焊接頭拉伸性能試驗結果

根據拉伸試驗結果可知，1#、2#試樣均在焊縫及熔合區處斷裂，抗拉強度分別為784MPa和801MPa，與焊絲熔敷金屬的強度（801MPa）相當。由此可見：①在潛弧焊大電流、高熱輸入的影響下，焊縫中的強化元素雖然有燒損，但燒損量并未達到影響其強度的程度，焊接接頭強度仍可以達到不低于熔覆金屬的強度。②利用潛弧焊工藝焊接Q690高強鋼得到的焊接接頭為弱低強匹配，強度最弱部位在熔合線附近區域，接頭的抗拉強度雖然略低于母材的抗拉強度（813MPa），但仍滿足GB/T 16270—2009中對Q690高強鋼的最低抗拉強度（770MPa）要求，同時也滿足液壓支架結構件接頭強度設計要求。因而，可以認為潛弧焊工藝在焊接接頭強度匹配方面是適用的。

按照相關國標要求，對PA位置施焊的焊接接頭各部位分別進行夏比V型沖擊試驗和全板厚的側彎試驗。其中，沖擊試驗包括VWT0/2、VWT0/2和VHT1/2，試驗溫度為－20℃；側彎試驗壓頭直徑為3倍試樣厚度，試驗結果見表5。由表5可以看出，潛弧焊接頭整體沖擊吸收能量均＞27J。其中，焊縫中心區域的沖擊吸收能量平均值為85.5J，韌性最好；熔合線附近的沖擊吸收能量平均值為34.8J，韌性最差；熔合線外1mm區域的沖擊吸收能量平均值為47.8J，韌性適中。結合接頭拉伸試驗，接頭的斷裂位置多數處于熔合線及其附近的焊縫區域。由此可知，與常規的MAG焊接頭一樣，熔合線附近區域同樣是CO2潛弧焊接頭強韌性最薄弱的部位。焊接接頭的側彎試樣如圖4所示，兩個側彎試樣均未產生開裂現象，說明該焊接接頭具有良好的塑性。

表5 潛弧焊接頭塑韌性

圖4 潛弧焊接頭側彎試樣

由以上的力學性能試驗結果可知，采用潛弧焊工藝進行Q690高強鋼的焊接，可以得到強韌性匹配較好的焊接接頭。

3.2 焊接適應性

在液壓支架結構件焊接生產中，大多采用PB和PA位置焊，焊縫形式多為中厚高強鋼板的大尺寸角焊縫和單面坡口全熔透焊縫。下文將研究潛弧焊工藝對PB和PA兩種焊接位置及結構的適應性。

（1）焊接位置適應性 PB位置焊縫外觀質量如圖5所示。由圖5可知，PB位置施焊角焊縫表面成形比較差，出現了明顯的熔池流淌和焊腳不對稱現象，焊道兩側存在明顯的焊瘤和未熔合缺陷，大部分焊縫的下側焊腳處是很小的銳角。分析認為，潛弧焊工藝實現深熔焊主要依靠兩個因素：①焊接電弧的旋轉及熔滴的旋轉過渡[3]。②熔池本身的重力與兩側硬質邊緣對熔池的包裹。其中，第一個因素是由潛弧焊本身的工藝特點決定的，第二個因素則是由焊接結構特點和焊接位置決定的。由于PB位置焊接時，結構只能對熔池形成單側的硬質邊緣包裹，焊接保護氣體也不足以承托潛弧焊的大熔池，從而導致熔池液態金屬向另一側傾流，使焊縫成形差甚至出現下淌現象。

圖5 PB位置焊縫外觀質量

PA位置焊縫外觀質量如圖6所示。由圖6可知，PA位置施焊的坡口焊和角焊縫表面成形均較好，焊道均勻、成形美觀，焊縫周圍的飛濺也很少，究其原因主要包括：①PA位置焊接時，無論是角焊縫還是坡口焊縫，焊道兩側的母材均對熔池形成雙側包裹，滿足了潛弧焊實現深熔焊的關鍵因素要求。②潛弧焊過程中焊接電弧處于母材的表面以下，焊接電弧始終被熔池凹坑所包圍，大部分焊接飛濺都被凹坑內壁所捕獲。

圖6 PA位置焊縫外觀質量

因此，在液壓支架結構件的焊接生產中，CO2潛弧焊更適用于對PA位置焊縫的施焊，不僅可以獲得成形良好的焊縫，提高其焊接效率，還可以降低飛濺，減少后續打磨工作量。

（2）焊接結構適應性 焊接電弧潛于母材表面以下是潛弧焊工藝的一大特點[3]，這樣可以形成很大的熔深。為更好地了解潛弧焊焊縫的熔深情況，對潛弧焊角焊縫的截面進行觀察。潛弧焊角焊縫的橫截面宏觀形貌如圖7所示。由圖7可知，無論是PA位置的單道焊還是PB位置的多道焊，潛弧焊的最小熔深均可達到6mm，遠高于普通MAG焊的2mm熔深。

圖7 潛弧焊角焊縫的橫截面宏觀形貌

圖8所示為PA位置施焊的坡口焊縫成形情況。由圖8可知，對于鈍邊6mm、拼裝間隙2mm、背面無襯墊的坡口對接結構，潛弧焊可以實現全熔透焊接且表面成形良好，但接頭背部成形較差且容易出現部分焊漏、未熔透現象。分析認為，潛弧焊工藝通常采用比相同規格焊絲普通MAG焊約小100A的焊接電流施焊，焊接電弧對熔池底部的沖擊力較大且不易控制，焊工的持槍動作稍有不穩就可能造成焊縫根部焊漏或未熔透，即便是高水平焊工也很難長時間穩定持槍來控制焊縫的背面成形。

圖8 潛弧焊坡口焊縫成形情況

為研究焊接動作對潛弧焊工藝的影響程度，采用CG1-30半自動小車攜帶焊槍進行潛弧焊施焊，同時通過調整拼裝間隙的措施來控制焊縫背面成形，結果如圖9所示。由圖9可知，采用機械持槍的穩定施焊手法施焊，焊縫背面出現了未熔透及焊漏現象，成形均較差。因此，可以認為焊接水平不是影響潛弧焊工藝坡口焊背面成形的主要因素，即便是進行非常穩定的施焊，也很難獲得良好的背面成形。

圖9 CG1-30半自動小車坡口對接焊背面成形

綜上所述，潛弧焊高效焊接工藝更適用于PA位置背部帶襯墊的熔透焊、大鈍邊且不要求完全熔透焊及角焊縫焊接接頭的高效生產。

3.3 實施方案

從焊縫有效厚度的角度對角焊縫進行設計，在熔深明顯提高的前提下可以減小等效的焊腳尺寸。以焊接一道長300mm、有效厚度13mm的角焊縫為例，分別采用潛弧焊和普通MAG焊施焊，試驗數據見表6。

由表6可知，相對于普通MAG焊施焊，采用潛弧焊方法可以將焊腳縮小5～6mm，焊接效率也得到了明顯的提高，焊接速度可以達到普通MAG焊的2倍左右。

通過控制鈍邊尺寸和拼裝間隙來實現坡口焊雙面良好成形是比較困難的，而液壓支架的結構特點也很難實現焊縫背面增設襯墊。因此，潛弧焊高效焊接工藝在液壓支架結構件坡口焊方面的應用可以采取以下新的施焊方案：①零件切割坡口時留2mm鈍邊。②坡口打底焊接采用普通MAG焊工藝，形成厚度6～8mm的打底焊道。③采用潛弧焊高效焊接工藝完成填充層和蓋面層的施焊。以施焊一道長度300mm、厚度30mm全熔透坡口填平焊縫為例，分別采用上述方案和普通MAG焊施焊，試驗數據見表7。

由表7可知，相對于普通MAG焊施焊，采用潛弧焊方法可以有效地降低焊接道次和層數，雖然每一道的焊接速度較低，但是焊接的整體效率有了明顯提高；對于試驗焊縫，MAG焊+潛弧焊的焊接效率約可以達到普通MAG焊的2.48倍。

4 結束語

通過對潛弧焊工藝的研究，得出如下結論。

1）采用CO2潛弧焊高效焊接工藝焊接液壓支架中常用的Q690高強鋼，焊接接頭的抗拉強度可以達到784MPa；－20℃條件下，焊縫和熱影響區的最小沖擊吸收能量分別是79.9J、31.9J；焊接接頭的強韌性匹配良好，熔合線及附近區域是潛弧焊接頭的薄弱環節。

2）CO2潛弧焊高效焊接工藝可以應用于液壓支架的生產，尤其適用于液壓支架結構件中可以在PA位置施焊的坡口焊縫和角焊縫。

3）對于PA位置的角焊縫，CO2潛弧焊工藝的焊接效率可以達到常規MAG焊的2倍；對于PA位置的坡口焊縫，MAG焊+CO2潛弧焊組焊方案的焊接效率可以約達到普通MAG焊的2.48倍。