重型機(jī)械中厚板埋弧焊焊接工藝研究

李光鋒

（陜西航天德林科技集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

機(jī)械化和智能化是現(xiàn)代工程的重要發(fā)展趨勢，也是提高國產(chǎn)設(shè)備國際競爭力的重要手段。隨著工程規(guī)模的不斷增加，重型化、大型化設(shè)備被廣泛應(yīng)用[1-3]。受機(jī)械設(shè)備的起重和受力要求，中厚鋼板被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備加工制造中，厚型鋼板的焊接工藝選擇不恰當(dāng)，容易引起裂紋、氣孔等缺陷[4]，達(dá)不到控制標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)備的安全和質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，重型機(jī)械中厚板的焊接給焊接工藝帶來新的挑戰(zhàn)，研究埋弧焊焊接具有重要的意義。

1 埋弧焊基本原理

埋弧焊焊接是一種生產(chǎn)效率較高的焊接方法，并對一些狀復(fù)雜的構(gòu)件具有較好的適應(yīng)性，具有溶渣對焊縫金屬保護(hù)效果好、焊工可以在無防護(hù)條件下作業(yè)、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)。

通過在焊接操作平臺上預(yù)先埋設(shè)顆粒狀的焊劑，機(jī)械自動將焊絲送至顆粒狀焊劑中，引燃中厚板母材與焊絲之間的電弧，電弧在焊接過程中一直在焊接裝置內(nèi)部引燃，焊工通過手動移動電弧實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的自動焊接[5]。

2 重型機(jī)械中厚板埋弧焊焊接過程電信號分析

為了研究重型機(jī)械中厚板埋弧焊焊接過程中的電流變化情況，選取Q345 鋼板、直徑4 mm 的H10Mn2焊絲和CHF431焊劑進(jìn)行焊接試驗(yàn)，鋼板的尺寸為500 m×150 mm，厚度為12 mm，屈服強(qiáng)度為546 MPa，抗拉強(qiáng)度為379 MPa，每塊鋼板的厚度方向進(jìn)行V形坡口處理，坡口角度為45°。H10Mn2焊絲的屈服強(qiáng)度為505 MPa，抗拉強(qiáng)度為418 MPa，焊接過程中的電信號采集系統(tǒng)主要由霍爾電流傳感器、A/數(shù)模轉(zhuǎn)換采集卡、信號放大器和濾波器、移動電腦等組成。

中厚板埋弧焊接過程電流信號測試結(jié)果如表1所示。

表1 中厚板埋弧焊接過程電信號測試結(jié)果 單位：A

由表1可知，在中厚板埋弧焊接的打底焊道、填充焊道和蓋面焊道施焊過程中，電流的變化均呈現(xiàn)出3個明顯的階段，分別是初始階段（Ⅰ階段），該階段為充電階段，約400 ms，電流值為0；突變階段（Ⅱ階段），在這個階段內(nèi)電流值發(fā)生突變，從0直接躍升到700 A，并持續(xù)時間約400 ms；穩(wěn)定階段（Ⅲ階段），在大于800 ms之后，電流值穩(wěn)定在350～450 A，焊接存在微小的干擾。因此，除了在Ⅰ階段和Ⅱ階段，由于啟動燃燒電弧導(dǎo)致的電流波形的劇烈波動，進(jìn)入Ⅲ階段，電弧燃燒相對穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的波動和斷弧現(xiàn)象。

3 重型機(jī)械中厚板埋弧焊焊接過程應(yīng)力場分析

運(yùn)用Ansys有限元模擬軟件建立中厚板模型，考慮3種不同的施焊工況。工況A：單面雙層焊；工況B：正反雙面依次焊；工況C：正反雙面同時焊。設(shè)置工況A焊速為10.8 m/h，工況B焊速為20.0 m/h，工況C焊速為20.0 m/h。焊接引起中厚板上表面的橫向殘余應(yīng)力分布如表2所示。

表2 焊接引起中厚板上表面的橫向殘余應(yīng)力分布 單位：MPa

中厚上板表面焊接引起的橫向殘余應(yīng)力分布曲線如圖1所示。

圖1 中厚上板表面焊接引起的橫向殘余應(yīng)力分布

由圖1可知，單面雙層焊、正反雙面依次焊、正反雙面同時焊3種工況導(dǎo)致的中厚板上表面的橫向殘余應(yīng)力分布曲線具有一致的變化趨勢，均呈明顯的二次拋物線變化，在與起始焊點(diǎn)為0.2 m時，達(dá)到上表面橫向殘余應(yīng)力的最大值。

在與起始焊點(diǎn)距離焊點(diǎn)為0時，單面雙道焊接中厚板上表面橫向殘余應(yīng)力δx最大（負(fù)值表示為壓應(yīng)力），而正反雙面依次焊接中厚板上表面橫向殘余應(yīng)力次之，正反雙面同時焊接中厚板上表面橫向殘余應(yīng)力最小；在與起始焊點(diǎn)距離為0.2 m時，按照單面雙層焊、正反雙面同時焊、正反雙面依次焊的順序，中厚板上表面橫向殘余應(yīng)力不斷減小（正值表示為拉應(yīng)力）；在與起始焊點(diǎn)距離為0.4 m時，中厚板上表面橫向殘余應(yīng)力的變化規(guī)律與起始點(diǎn)距離為零時一致，但在同一種焊接方法對應(yīng)的橫向殘余應(yīng)力上數(shù)值明顯增大。

中厚板上表面焊接引起的起弧部位縱向殘余應(yīng)力分布曲線如圖2所示。

圖2 中厚板上表面焊接引起的起弧部位縱向殘余應(yīng)力分布

由圖2可知，單面雙層焊、正反雙面依次焊、正反雙面同時焊3種工況導(dǎo)致的中厚板上表面起弧部位縱向殘余應(yīng)力分布曲線具有一致的變化趨勢，在與焊縫中心線的距離為0.05 m范圍內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力為拋物線變化。

在與焊縫中心線的距離為0.02 m時達(dá)到起弧部位縱向殘余應(yīng)力峰值，按照正反雙面同時焊、正反雙面依次焊、單面雙層焊的順序，上表面縱向殘余應(yīng)力的峰值不斷增加；在與焊縫中心線的距離大于0.05 m時，3種不同工況下的中厚板上表面的縱向殘余應(yīng)力趨于收斂，殘余應(yīng)力收斂值約為0。

單面雙層焊、正反雙面依次焊2種工況導(dǎo)致的中厚板上表面中間部位縱向殘余應(yīng)力分布曲線具有一致的變化趨勢，且數(shù)值上較為接近，在與焊縫中心線的距離為0.02 m時，中間部位縱向殘余應(yīng)力不斷增加且達(dá)到峰值。隨著與焊縫中心線距離的增加，中間部位縱向殘余應(yīng)力不斷減小，而正反雙面同時焊引起的中間部位殘余應(yīng)力曲線沒有明顯峰值，隨著與焊縫中心線距離的增加而不斷減小。

中厚板上表面焊接引起的中間部位縱向殘余應(yīng)力分布曲線如圖3所示。

圖3 中厚板上表面焊接引起的中間部位縱向殘余應(yīng)力分布

中厚板上表面焊接引起的收弧部位縱向殘余應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

圖4 中厚板上表面焊接引起的收弧部位縱向殘余應(yīng)力分布

由圖4可知，單面雙層焊、正反雙面依次焊2種工況導(dǎo)致的中厚板上表面收弧部位縱向殘余應(yīng)力分布曲線具有一致的變化趨勢，且數(shù)值上較為接近，在與焊縫中心線的距離為0.02 m時，收弧部位縱向殘余應(yīng)力不斷增加且達(dá)到峰值。隨著與焊縫中心線距離的增加，收弧部位縱向殘余應(yīng)力不斷減小，并在與焊縫中心線的距離為0.16 m時達(dá)到低谷。隨后，縱向殘余應(yīng)力又呈現(xiàn)增加的趨勢，而正反雙面同時焊引起的收弧部位殘余應(yīng)力曲線沒有明顯峰值，隨著與焊縫中心線距離的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。

4 結(jié)語

采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值仿真分析相結(jié)合的方法，研究打底焊道、填充焊道和蓋面焊道施焊過程中電流的變化規(guī)律以及不同施焊方法時中厚板的橫向、縱向上表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。

第一，單面雙層焊、正反雙面依次焊、正反雙面同時焊3種工況導(dǎo)致的中厚 板上表面的橫向殘余應(yīng)力分布曲線具有一致的變化趨勢，均呈明顯的二次拋物線變化。

第二，單面雙層焊、正反雙面依次焊2種工況導(dǎo)致的中厚板上表面中間部位縱向殘余應(yīng)力分布曲線具有一致的變化趨勢，且數(shù)值上較為接近，存在峰值，正反雙面同時焊引起的中間部位殘余應(yīng)力曲線沒有明顯峰值，隨著與焊縫中心線距離的增加而不斷減小。

第三，單面雙層焊、正反雙面依次焊2種工況導(dǎo)致的中厚板上表面收弧部位縱向殘余應(yīng)力分布曲線具有一致的變化趨勢，且數(shù)值上較為接近，存在峰值和谷值，而正反雙面同時焊引起的收弧部位殘余應(yīng)力曲線沒有明顯峰值，隨著與焊縫中心線距離的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢