電熱水器搪瓷鋼內膽環縫搭接焊工藝

王猛， 陳致遠， 倪永謙， 魏艷紅， 曹承明， 童志武

摘要： 為減少某型電熱水器搪瓷鋼內膽環縫焊接過程中焊接缺欠的產生，文中開展了焊接工藝優化試驗，通過設計3因素4水平正交試驗，得到不同焊接工藝參數組合下的焊縫成形結果。采用極差分析法評估出各焊接工藝參數對焊縫成形質量的影響程度，優化了1.8 mm厚DC01EK搪瓷鋼板GMAW高速搭接焊工藝參數。試驗結果表明，在選定的焊接工藝參數范圍內，最優焊接工藝參數組合為焊接電流190 A，電弧電壓27 V，焊接速度23 mm/s。焊接工藝參數對焊縫成形質量的影響由大到小依次為焊接電流、焊接速度和電弧電壓。優化后試樣焊接過程穩定，接頭力學性能良好，內膽兩側環縫連續均勻，無明顯焊接缺陷，滿足脈沖壓力試驗要求。

關鍵詞： 搪瓷鋼內膽； 搭接接頭； 正交試驗； 焊接工藝優化

中圖分類號： TG 442

Lap welding process of girth weld in enameled steel inner tank of

electric water heater

Wang Meng1， Chen Zhiyuan1， Ni Yongqian1， Wei Yanhong1， Cao Chengming2， Tong Zhiwu2

（1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210000， Jiangsu， China;

2. Midea Group， Foshan 528000， Guangdong， China）

Abstract： To reduce welding imperfection in girth weld welding process of enameled steel inner tank of electric water heater， optimization test of welding process was carried out in the paper. Three factors and four levels of orthogonal experiments were designed to obtain formation of weld under different welding parameters. The range analysis method was used to evaluate influence of welding parameters on formation quality of weld. Welding parameters of 1.8 mm thick DC01EK enameled steel by GMAW highspeed lap welding were optimized. The results showed that the optimized welding parameters were welding current of 190 A， arc voltage of 27 V， and welding speed of 23 mm/s within the selected welding parameters. The factors affecting formation quality of weld from large to small were welding current， welding speed and arc voltage. After optimization， welding process of samples was stable and mechanical properties joints were good. The girth welds on both sides of inner tank were continuous and uniform， without obvious welding defects， which met requirements of pulse pressure test.

Key words： enameled steel inner tank; lap joint; orthogonal test; welding process optimization

0前言

普通低碳鋼經過瓷釉涂搪后形成搪瓷鋼，其金屬胚體表面獲得了耐高溫、耐磨及耐蝕等優良性能，是用于容積式熱水器內膽的主要材料[1-3]。對于搪瓷鋼熱水器內膽結構，常用的焊接方法為熔化極氣體保護焊（GMAW），封頭和筒身的連接部位通常采用搭接接頭[4]。由于母材厚度較薄，對焊接熱輸入非常敏感，同時實際生產中焊接速度較快，在焊接過程中易產生焊穿、裂紋、咬邊等焊接缺陷，因此搭接環縫是整個內膽結構的薄弱環節[5]。

薄板高速焊接需要精確控制焊接熱輸入來獲得良好的焊接接頭成形[6]。韓建波[5]及王興國[7]分別通過試驗研究和數值模擬相結合的方法，對內膽搭接環縫焊接規范參數進行了改進，減少了焊接缺陷的產生，提高了內膽脈沖壓力試驗壽命。劉樹清等人[8]通過對內膽環縫搭接接頭的搭接形式和角度優化調整，減少了環縫縫隙腐蝕情況的產生。Tuek等人[9]研究發現電弧偏吹、不均勻散熱及焊接區域存在氧化物和雜質等問題會導致搭接環縫根部不完全熔合，是造成內膽滲漏的主要原因之一。對于搪瓷鋼內膽GMAW環縫搭接焊，焊縫成形質量與力學性能對產品最終服役有很大影響，合理的焊接工藝參數組合更是控制上述過程的關鍵。開展相關焊接工藝研究，可為改善企業實際焊接生產問題提供數據參考和理論指導。

針對1.8 mm厚DC01EK搪瓷鋼搭接焊工藝進行研究，開展多因素正交試驗，以獲得不同焊接工藝參數下的焊縫成形結果。采用極差分析法評估出各工藝參數對焊縫成形影響的顯著次序，對焊接工藝參數組合進行優化，并采用試片件和整體內膽結構進行了驗證。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料和設備

焊接試驗所用焊接設備為Fronius公司生產的TPS5000數字化焊機及安川MOTOMANGP12/ AR1440六軸焊接機器人系統，保護氣體為80%Ar +20%CO2，氣體流量為15 L/min。焊接過程保持焊槍傾角為65°，焊絲伸出長度為12～15 mm，搭接間隙為0 mm。焊接過程示意圖如圖1所示。

試驗材料選用DC01EK冷軋搪瓷鋼板，試板規格為175 mm×150 mm×1.8 mm。填充焊絲為ER506，直徑為1.2 mm，母材及焊絲的化學成分見表1。

1.2試驗方法

根據實際產線對應工序焊接工藝窗口，正交試驗選取焊接電流、電弧電壓和焊接速度3個變量作為因素，在每個因素中選取4個不同水平，選用L16 （43）的正交試驗設計方案，見表2。

焊前先用丙酮去除試板表面污漬，再采用機械清理方式去除試板焊接區域及附近表面、側邊氧化膜。在工作臺上組裝成單邊搭接接頭（搭接量為10 mm）并限位固定。

2試驗結果與分析

2.1正交試驗工藝優化

通過正交試驗獲得16組搭接接頭的焊縫成形結果，如圖2所示?？梢钥闯觯捎诤附舆^程熱輸入較大，5號、8號、9號、10號、15號試件表面出現過燒甚至燒穿現象；2號和14號試件焊縫表面寬度較窄，3號試件焊縫表面寬度較寬且焊道出現明顯塌陷，以上試件成形效果均不理想；1號、4號、6號、7號、11號、12號、13號和16號試件表面紋路清晰，焊縫連續均勻、宏觀形貌較佳。

為對焊縫的成形質量進行量化評價，文中采用了綜合評價的方法，制定相應的評價準則，規定理想焊縫成形為50分，其中焊接宏觀缺欠、焊接飛濺和焊縫寬度分別作為評價指標，各占30分、10分和10分[10]。針對每項評價指標，進一步根據焊接試驗結果，分別設置滿分（無明顯宏觀缺欠、焊接飛濺數量少、焊縫寬度適中）、半分（存在咬邊或焊縫塌陷等、焊接飛濺數量增加、焊縫寬度偏窄或寬）和零分（焊穿）。正交試驗設計方案和極差分析結果列于表3。

針對正交試驗的焊縫成形結果進行極差分析，見表3。Kij為第i列第j水平的評分平均值；R為第i列影響4個水平的極差值，表示該因素在其取值范圍內試驗指標變化的幅度。通過極差分析確定影響試驗結果的主次因素，極差R值大表明該因素對試驗結果的影響大，是主要因素；反之為次要因素。由結果可知，影響焊縫成形質量的最主要因素是焊接電流，其次分別為焊接速度和電弧電壓，對應的最優組合是A1B2C4。

為驗證最優工藝參數的可靠性，在最優焊接參數組合下進行多組重復試驗，進一步驗證焊接接頭的力學性能。焊接完成后，從各個試板焊縫位置取下合適尺寸的試樣，分別進行焊縫形貌觀察和力學性能測試。

2.2焊縫宏觀形貌和顯微組織分析

在最優焊接參數組合下，焊縫的宏觀形貌如圖3所示，可以看出，焊縫連續均勻，整個焊接過程穩定且飛濺數量較少。圖4為焊縫中部橫截面形貌，可見焊縫內部無明顯的焊接缺陷，焊趾處過渡平滑，焊縫熔寬為9.81 mm，焊縫熔深為2.56 mm，焊縫深寬比適中，滿足實際生產中的搭接焊縫要求。

試樣母材和焊縫的金相組織如圖5所示。在焊接過程中，由于焊接熱循環的作用，導致接頭各個區域的顯微組織存在差異。母材區域組織以鐵素體為主，夾雜少許珠光體，保證了母材較好的強韌性。焊縫中心區域組織呈方向性生長排列，以先共析鐵素體為主，晶內分布著側板條鐵素體和針狀鐵素體。以熔合線為分界，熱影響區的粗晶區晶粒尺寸增大，組織主要由鐵素體和粒狀貝氏體組成。

2.3顯微硬度分析

焊接接頭顯微硬度測試參照GB/T 2654—2008標準進行，顯微硬度計型號為HXS1000AC，載荷為0.98 mN，加載時間為10 s。測試時距焊縫中心每0.5 mm取一個試驗點，每個試驗點測3次數據取平均值，測試結果如圖6所示。從圖6可見，焊縫（WM）硬度最高，平均硬度為225.5 HV，母材（BM）平均硬度為121.6 HV，約為焊縫區的53.9%。熱影響區（HAZ）硬度下降，平均硬度為184.9 HV，約為焊縫區的81.9%。結合金相觀察可知，熱影響區晶粒粗化是該區域硬度下降的主要原因。

2.4拉伸性能測試

焊接接頭拉伸性能測試參照GB/T 2651—2008標準進行，拉伸試驗機型號為KY100KNW，拉伸速率為2 mm/min，試驗結果如圖7所示。

焊接接頭位于試樣中部，均斷裂在母材處，平均抗拉強度為291.1 MPa，平均斷后伸長率為29.8%，焊縫的抗拉強度高于母材。圖8為拉伸試樣斷口形貌圖，可以看出為典型的單軸拉伸塑性斷口，由纖維區和剪切唇2個特征區域組成。高放大倍數下表現為明顯韌窩特征，屬于塑性斷裂，材料的塑韌性較好。

2.5實際內膽生產線應用

在實際內膽焊接生產線采用上述最優焊接工藝參數組合進行內膽整體結構焊接試驗，制備完整內膽并進行氣密性檢測和脈沖壓力試驗，檢測其焊接質量和焊縫性能是否滿足要求。脈沖壓力試驗按照GB/T 20289—2006《儲水式電熱水器》進行，在內膽內注入環境溫度的水排除內部空氣，采用額定壓力的15%～（100%±5%）之間的數值交替對容器加壓， 25～60次/min，每完成1×104次，保持最大工作壓力10 min，如圖9所示。從圖9中可以看出，內膽兩側環焊縫成形良好，沿環向焊縫飽滿均勻，無明顯焊接缺陷。測試結果表明，在1×105次脈沖試驗后，筒身無滲漏、變形等不良現象，滿足企業脈沖壓力試驗要求。

3結論

（1）根據多因素正交試驗的極差分析結果可知，主要工藝參數對焊縫表面成形質量的影響由大到小依次為焊接電流、焊接速度和電弧電壓。最優的焊接工藝參數組合為焊接電流190 A，電弧電壓27 V，焊接速度23 mm/s。

（2）在最優焊接工藝參數組合下進行多組焊接試驗，試樣焊縫表面成形連續均勻，焊接過程穩定，接頭力學性能較好，能夠滿足實際內膽環縫生產要求。

（3）采用最優焊接工藝參數組合在實際內膽生產線進行焊接試驗，內膽筒身兩側環縫成形良好，焊縫飽滿均勻，無明顯焊接缺陷。脈沖壓力試驗達到1×105次以上，滿足企業產品質量要求。能夠為內膽實際生產過程中環縫焊接環節的參數調試提供參考和指導，有利于提高產品合格率。

參考文獻

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收稿日期： 2022-02-26

王猛簡介： 碩士研究生；主要從事焊接工藝與數值模擬的研究；450641297@qq.com。

魏艷紅簡介：通信作者，博士，教授，博士生導師；主要從事焊接數字化與智能化軟件開發、焊接過程有限元仿真、接頭組織演化模擬、接頭力學性能預測等方向的研究；已發表論文260余篇；yhwei@nuaa.edu.cn。