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45#钢厚板窄间隙焊接工艺研究
发布日期:2016-03-02 20:25:14 浏览次数: 字体大小:
本文采用二氧化碳气体保护焊实现45#钢厚板窄间隙的对接焊,通过科学的实验方案来寻找合适的工艺参数并通过正交优化设计对工艺参数进行了优化,制定出最佳焊接工艺组合。为了更好的衡量焊接质量与实验指标之间的关系,优化工艺还制定了焊接工艺中焊缝形的相关衡量标准。
1项目简介
现代工业生产中大厚壁金属容器类结构工件的制造越来越引起人们的关注, 随着该类结构生产的不断增长, 传统的窄间隙焊接技术(电渣焊、气电焊和埋弧焊等)已经表现出了很大的局限性。目前,CO2 气体保护焊已被广泛地应用到钢制构件中厚板的焊接中。本试验采用CO2 气体保护焊 设备全面研究了45#钢厚板窄间隙的焊接工艺参数,并对焊缝成形的影响进行了分析,为45#钢厚板窄间隙焊接的实践教学和生产应用提供参考。
2 试验材料、设备与试验方法现代工业生产中大厚壁金属容器类结构工件的制造越来越引起人们的关注, 随着该类结构生产的不断增长, 传统的窄间隙焊接技术(电渣焊、气电焊和埋弧焊等)已经表现出了很大的局限性。目前,CO2 气体保护焊已被广泛地应用到钢制构件中厚板的焊接中。本试验采用CO2 气体保护焊 设备全面研究了45#钢厚板窄间隙的焊接工艺参数,并对焊缝成形的影响进行了分析,为45#钢厚板窄间隙焊接的实践教学和生产应用提供参考。
2.1 试验材料
试验用材料为7.5mm和15mm厚的45#钢钢板,材料的化学成分如表1所示。其力学性能如表2所示。坡口型式V形坡口,焊前调质处理。
表1 45#钢的化学成分
元素
|
C
|
Si
|
Mn
|
Cr
|
Ni
|
Cu
|
S
|
P
|
含量(%)
|
0.42~0.5
|
0.17~0.37
|
0.5~0.8
|
≤0.25
|
≤0.30
|
≤0.25
|
≤0.035
|
≤0.035
|
表2 45#钢的力学性能
力学性能
|
σb(M Pa)
|
σs(M Pa)
|
ς(%)
|
Ψ(%)
|
数值
|
≥600
|
≥355
|
≥16
|
≥40
|
2.2 试验设备
试验焊接设备为微型电脑数字控制CO2/MAG自动焊接机,具有熔深控制功能,采用微电脑控制。配合博斯曼数控焊割设备,实现在设定焊接速度下的稳定焊接。金相试验设备为PXS9-T型宏观显微镜及MDS-YM 310型金相显微镜。
2.3 试验方法
2.3.1试验因素的选择
试验因素:气体流量、焊接速度、焊枪角度、焊丝直径、焊丝种类、焊丝干伸长度、焊接电流、电弧电压。经查阅相关资料及现场调试,得到以下因素的参数大致范围:
表3 焊接参数范围
代号 因素 范围
|
A 气体流量 15~20L/min
B 焊接速度 150~210mm/min
C 焊枪角度 60°~90°
D 焊丝伸出长度 24~30mm
E 焊接电流 260~310A
F 电弧电压 33~35V
|
根据以上分析总结并结合生产实际得出的结果,下面主要研究电弧电压、干伸长度、焊接电流、焊接速度对试验指标的影响。
此次试验实验目的:通过对电弧电压、干伸长度、焊接电流、焊接速度四因素进行正交组合,找出45钢生产液压油缸采用二氧化碳气体保护焊的最佳工艺。
试验因素:电弧电压(U)、干伸长度(L)、焊接电流(I)、焊接速度(V)。
试验指标:焊缝成形质量、熔深、焊缝形状。
为了得到较为靠近真实值的试验结果,对以上因素进行三水平正交设计,选取正交表为L9(34),如表4所示。
表4 各因素水平
因素
序号
|
1
|
2
|
3
|
焊接速度(B)
|
150
|
180
|
210
|
干伸长度(D)
|
25
|
27
|
30
|
焊接电流(E)
|
260
|
285
|
310
|
电弧电压(F)
|
33
|
34
|
35
|
2.3.3试验过程
2.3.3.1 焊接过程要点
(1) 将母材坡口表面用砂轮机打磨干净,清除焊缝内由于母材原因可能存在的氧化物和油污,保证焊缝质量,以便得到优质接头。
(2) 由于板厚较厚,焊接时应预留根部间隙。经过试探性实验得知根部间隙应预留3~4mm,焊接过程为预防母材与焊接台焊在一起,应对母材添加垫板。焊第一道焊缝之前应将母材与垫板点固。
(3) 由于45钢含碳量较高CE>0.5%,钢材易淬硬焊接性差,焊接时应进行预热处理。通过查阅资料得知预热温度为250℃。
(4) 板厚较厚应采用多层焊,经试探性实验经过三层焊缝可以填满坡口。焊缝焊完一层后应进行敲渣处理,并冷却5min左右后,再进行下一道焊缝的焊接,以便控制层间温度。
2.3.3.2 焊接后检验
(1)热处理过后应在每一焊件上使用锯床切出一块式样,使用砂轮机打磨平整后使用3%的硝酸酒精腐蚀测出其熔宽熔深,计算其焊缝成形系数。
(2)切出试样后,观察焊缝横截面未熔合、夹渣等缺陷记录。在电子显微镜下观察焊缝组织,比较其晶粒度大小,观察微观缺陷。
2.3.3.1 焊接过程要点
(1) 将母材坡口表面用砂轮机打磨干净,清除焊缝内由于母材原因可能存在的氧化物和油污,保证焊缝质量,以便得到优质接头。
(2) 由于板厚较厚,焊接时应预留根部间隙。经过试探性实验得知根部间隙应预留3~4mm,焊接过程为预防母材与焊接台焊在一起,应对母材添加垫板。焊第一道焊缝之前应将母材与垫板点固。
(3) 由于45钢含碳量较高CE>0.5%,钢材易淬硬焊接性差,焊接时应进行预热处理。通过查阅资料得知预热温度为250℃。
(4) 板厚较厚应采用多层焊,经试探性实验经过三层焊缝可以填满坡口。焊缝焊完一层后应进行敲渣处理,并冷却5min左右后,再进行下一道焊缝的焊接,以便控制层间温度。
2.3.3.2 焊接后检验
(1)热处理过后应在每一焊件上使用锯床切出一块式样,使用砂轮机打磨平整后使用3%的硝酸酒精腐蚀测出其熔宽熔深,计算其焊缝成形系数。
(2)切出试样后,观察焊缝横截面未熔合、夹渣等缺陷记录。在电子显微镜下观察焊缝组织,比较其晶粒度大小,观察微观缺陷。
3 采用衡量标准
本次焊接试验标准:由于实验的目的是确定最佳的焊接工艺,但所选取的衡量标准不同所得到的最佳工艺参数也不尽相同,因此需要一确定标准来进行衡量。根据以往经验及实际情况,特此设定了工艺评定的相关标准如下:
(1)液压油缸采用二氧化碳气体保护焊的实际生产过程中出现的主要缺陷为未熔合,为保证焊缝根部熔合充分,特将焊缝熔深(H)作为衡量焊缝质量最主要的标准,焊缝熔深(H)越深,焊缝质量越好。
(2)同时在实际生产过程中还会出现热裂纹缺陷,而焊缝成形系数又是影响裂纹的主要因素(焊缝成形系数(Φ):为焊缝熔宽(B)与焊缝熔深(H)的比值)。对于相同的成形系数,热输入越大越容易产生裂纹,但当成形系数大于1.25时,即便很高的热输入仍不会出现裂纹。因此需对焊缝成形系数进行科学的设立标准。考虑到焊缝坡口的类型,成形系数过大会造成咬边,所以成形系数也不能过大。
(3)焊缝形状分为V型、U型和V-U过渡型,考虑到焊丝金属与母材的熔合情况,焊缝形状为U型时焊缝质量较好,所以将焊缝形状作为衡量焊缝质量的标准之一。
(4)制定的熔深衡量评分标准见表1、焊缝成形质量衡量评分标准见表2及焊缝形状衡量评分标准见表3。
(5)进行初步试验时确定观测指标值为熔深、焊缝形状和焊缝成形质量,采用综合评分法,令熔深权重占70%,焊缝成形质量权重占15%,焊缝形状权重占15%。
(6)进行方差分析时采用直观法进行分析。
本次焊接试验标准:由于实验的目的是确定最佳的焊接工艺,但所选取的衡量标准不同所得到的最佳工艺参数也不尽相同,因此需要一确定标准来进行衡量。根据以往经验及实际情况,特此设定了工艺评定的相关标准如下:
(1)液压油缸采用二氧化碳气体保护焊的实际生产过程中出现的主要缺陷为未熔合,为保证焊缝根部熔合充分,特将焊缝熔深(H)作为衡量焊缝质量最主要的标准,焊缝熔深(H)越深,焊缝质量越好。
(2)同时在实际生产过程中还会出现热裂纹缺陷,而焊缝成形系数又是影响裂纹的主要因素(焊缝成形系数(Φ):为焊缝熔宽(B)与焊缝熔深(H)的比值)。对于相同的成形系数,热输入越大越容易产生裂纹,但当成形系数大于1.25时,即便很高的热输入仍不会出现裂纹。因此需对焊缝成形系数进行科学的设立标准。考虑到焊缝坡口的类型,成形系数过大会造成咬边,所以成形系数也不能过大。
(3)焊缝形状分为V型、U型和V-U过渡型,考虑到焊丝金属与母材的熔合情况,焊缝形状为U型时焊缝质量较好,所以将焊缝形状作为衡量焊缝质量的标准之一。
(4)制定的熔深衡量评分标准见表1、焊缝成形质量衡量评分标准见表2及焊缝形状衡量评分标准见表3。
(5)进行初步试验时确定观测指标值为熔深、焊缝形状和焊缝成形质量,采用综合评分法,令熔深权重占70%,焊缝成形质量权重占15%,焊缝形状权重占15%。
(6)进行方差分析时采用直观法进行分析。
表1 焊缝熔深衡量
熔深
|
0~2.0
|
2.0~3.2
|
3.2~4.4
|
4.4~4.8
|
4.8~5.2
|
5.2~5.6
|
5.6以上
|
评分
|
0
|
10~30
|
30~60
|
60~70
|
70~80
|
80~90
|
90~100
|
表2 焊缝成形质量衡量
焊缝成
形系数
|
0~0.4
|
0.4~0.8
|
0.8~0.9
|
0.9~1
|
1~1.1
|
1.1~1.2
|
1.3以上
|
评分
|
0~30
|
30~60
|
60~68
|
68~76
|
76~84
|
84~92
|
92~100
|
表3 焊缝形状衡量
焊缝形状
|
V型
|
V-U型
|
U型
|
评分
|
0
|
60
|
100
|
4 实验结果及分析
4.1 实验所得数据(见表4)
4.1 实验所得数据(见表4)
表4 实验数据记录表
序号
衡量标准
|
焊缝形状
|
焊缝熔深
|
焊缝成形系数
|
焊缝质量评分
|
1
|
V-U型
|
3.4
|
1.126
|
50.05
|
2
|
U型
|
4.0
|
1.250
|
61.25
|
3
|
V型
|
5.8
|
1.517
|
72.20
|
4
|
U型
|
6.0
|
1.006
|
100.00
|
5
|
V型
|
5.4
|
1.446
|
66.40
|
6
|
V-U型
|
2.6
|
1.077
|
33.45
|
7
|
U型
|
4.7
|
1.360
|
70.35
|
8
|
V-U型
|
3,9
|
0.942
|
56.35
|
9
|
U型
|
3.3
|
1.094
|
51.40
|
4.2 正交实验分析(见表5)
表5 实验数据分析计算表
水平
|
B(mm/min)
|
D(mm)
|
E(A)
|
F(V)
|
I
|
61.17
|
73.47
|
46.62
|
55.95
|
II
|
66.62
|
61.33
|
70.88
|
55.02
|
III
|
59.37
|
52.35
|
69.63
|
76.18
|
R
|
7.25
|
21.12
|
24.27
|
21.17
|
排秩
|
4
|
3
|
1
|
2
|
最佳因素组合
|
E2F3D1B2
|
由表5数据分析表可知:
由计算出的因素的极差R,可得出实验四因素在实验所选取的水平条件下,极差R越大,表示该因素对实验的影响越大,即在实验因素与水平下,实验的因素由主到次的顺序为焊接电流(E)、焊接速度(B)、干伸长度(D)、电弧电压(F)。
指标为焊缝成形系数,而对于该项指标要求指标的数值越大越好,越大表示焊缝成形越好。因此选取较优的生产条件时,应取I、II、III中最大值所对应的水平,即E2F3D1B2也就是说焊接电流(E)为285A,电弧电压(F)为35V,焊接速度(B)为180mm/min,干伸长度(D)为25mm。
4.3 显微数据分析
图1 2mm间隙 图2 无间隙
图3 熔合线附近 图4 焊缝区
采用在上述实验中得到的最佳工艺参数,进行一组焊接根部预留2mm间隙和无间隙的对比实验。通过PXS9-T型宏观显微镜观察焊缝到母材的整体组织分布,如图1、图2。图中,中间区域为焊缝区,两侧为母材区。很显然,预留2mm间隙时的熔深比无间隙时要深。并且在无间隙时,焊缝根部出现未熔合缺陷时有发生。所以,建议在焊接前在焊接根部预留2~5mm的间隙以保证得到优质焊缝。
为进一步观察接头各部分的金相组织,改用MDS-YM 310型金相显微镜,选用40X的物镜进行观察。可以发现焊缝区(图4)晶粒细小紧密,近熔合线附近(图3)的晶粒明显变大, 但未发现有气孔和微裂纹等缺陷。接头熔合线附近存在细晶组织, 说明两种母材之间合金元素发生明显互扩散,呈完全熔合状态,焊缝区组织也较为均匀。
5结论
研究表明,焊接速度、焊接电流、电弧电压、干伸长度为主要影响因素。气体流量、焊枪角度影响不是很大。在电流285A、电压35V、保护气体流量15L/min、干伸长度(L)为25mm、焊枪角度为80°、焊接速度180mm/min的条件下,可获得最佳焊接接头。同时,应在焊接前在焊接根部预留一定的间隙以保证焊缝有一定的熔深,从而使焊缝根部熔合充分。得到的焊缝无缺陷、成形好,能够满足生产实际的要求。
由计算出的因素的极差R,可得出实验四因素在实验所选取的水平条件下,极差R越大,表示该因素对实验的影响越大,即在实验因素与水平下,实验的因素由主到次的顺序为焊接电流(E)、焊接速度(B)、干伸长度(D)、电弧电压(F)。
指标为焊缝成形系数,而对于该项指标要求指标的数值越大越好,越大表示焊缝成形越好。因此选取较优的生产条件时,应取I、II、III中最大值所对应的水平,即E2F3D1B2也就是说焊接电流(E)为285A,电弧电压(F)为35V,焊接速度(B)为180mm/min,干伸长度(D)为25mm。
4.3 显微数据分析
图1 2mm间隙 图2 无间隙
图3 熔合线附近 图4 焊缝区
采用在上述实验中得到的最佳工艺参数,进行一组焊接根部预留2mm间隙和无间隙的对比实验。通过PXS9-T型宏观显微镜观察焊缝到母材的整体组织分布,如图1、图2。图中,中间区域为焊缝区,两侧为母材区。很显然,预留2mm间隙时的熔深比无间隙时要深。并且在无间隙时,焊缝根部出现未熔合缺陷时有发生。所以,建议在焊接前在焊接根部预留2~5mm的间隙以保证得到优质焊缝。
为进一步观察接头各部分的金相组织,改用MDS-YM 310型金相显微镜,选用40X的物镜进行观察。可以发现焊缝区(图4)晶粒细小紧密,近熔合线附近(图3)的晶粒明显变大, 但未发现有气孔和微裂纹等缺陷。接头熔合线附近存在细晶组织, 说明两种母材之间合金元素发生明显互扩散,呈完全熔合状态,焊缝区组织也较为均匀。
5结论
研究表明,焊接速度、焊接电流、电弧电压、干伸长度为主要影响因素。气体流量、焊枪角度影响不是很大。在电流285A、电压35V、保护气体流量15L/min、干伸长度(L)为25mm、焊枪角度为80°、焊接速度180mm/min的条件下,可获得最佳焊接接头。同时,应在焊接前在焊接根部预留一定的间隙以保证焊缝有一定的熔深,从而使焊缝根部熔合充分。得到的焊缝无缺陷、成形好,能够满足生产实际的要求。