薄板小变形MAG焊焊接工艺探讨.doc

薄板小变形MAG焊焊接工艺探讨
提要:本文对4mm普碳钢钢板小变形MAG焊焊接工艺进行了试验研究,研究结果表明采用该工艺能较好地控制薄板的焊接变形,并且得出了焊接角变形和纵向挠曲变形量在±6mm范围内合适的焊接工艺参数。主题词薄板焊接变形MAG焊美国、俄罗斯等国,在建造大型水面舰艇时,普遍采用高强度船体钢薄板,以减轻舰艇自重,提高舰艇战斗力。然而,也由此带来了控制薄板焊接变形的难题。为解决这个问题,这些国家多采用焊接工装及装配夹具,同时采用气体保护焊接新工艺,甚至不惜成本采用激光焊接技术焊接薄板结构。加拿大采用T.I.M.E.焊接方法焊接HY80钢制造潜艇[1],[2],最终控制了焊接变形,达到了舰艇的设计要求。薄板的焊接变形控制技术是焊接领域的技术难题之一,焊接变形与材料、焊接工艺、焊接方法等因素有关。焊接变形的多样性、焊接变形的多因素交互作用,导致了控制焊接变形技术的复杂性和相互制约作用。采用小变形MAG焊焊接工艺进行薄板焊接,利用该工艺大电流、高速、高效、热输入小的特点开展薄板结构的小变形MAG焊接技术研究[3],[4],对提高舰船建造质量,缩短制造周期,延长服役寿命具有重要的意义。1试验方法设备和材料焊接方法采用小变形MAG焊;设备采用自行研制的T.I.M.E.焊焊接系统;焊接电流为190～300A,焊接电压为28～32V,焊接速度为0.4～1.6m/min,送丝速度为36m/min,保护气体为Ar、CO2、O2三元保护气体,气体流量为20L/min,焊丝干伸长为22mm;母材为4mm×300mm×125mm的普碳钢钢板;焊丝为JW257实芯焊丝;接头形式为对接试板,单面焊双面成形。焊接前后对试板进行测量,得出试板纵向挠曲变形和角变形的数据。通过本文的研究,得出角变形和纵向挠曲变形量在±6mm时合适的焊接工艺参数。2试验结果2.1焊接电流对变形的影响在焊接速度(0.8m/min)、间隙(1.5mm)和电压(30～31V)不变的条件下,研究焊接电流对焊接角变形和纵向挠曲变形的影响规律,试验结果见图1。由图1可知,焊接电流在230～260A时,可控制薄板焊接角变形和纵向挠曲变形值在适当范围内。2.2焊接速度对变形的影响在焊接电流(240A)、间隙(1.5mm)和焊接电压(29～31V)不变的条件下,焊接速度对薄板角变形和纵向挠曲变形的影响规律,试验结果见图2。由图2可知,在所选的焊接速度范围内,薄板焊接角变形和纵向挠曲变形值都在±6mm范围内。在焊接电流和焊接电压不变的情况下,焊接速度增加,焊接热输入降低,焊接变形减小,最大焊接速度受焊缝成形制约。试验结果表明,对于焊接电流240～260A、电压28～31V时,合适的焊接速度是0.8～1.4m/min。2.3焊接热输入对薄板焊接变形的影响在间隙(1.5mm)不变的条件下,焊接热输入对薄板焊接角变形和纵向挠曲变形的影响规律,试验结果见图3。由图3可见,薄板焊接纵向挠曲变形对焊接热输入很敏感,要获得小的纵向挠曲变形,应选用小焊接热输入,避免过大的焊接热输入引起严重的焊接变形。2.4焊接间隙对焊接变形的影响在焊接电流(270～280A)、焊接速度(1.5m/min)、焊接电压(30～31V)不变的情况下,间隙对薄板焊接角变形和纵向挠曲变形的影响规律,试验结果见图4。由图4可见,间隙对焊接变形的影响也很大,因为间隙的大小影响焊缝截面沿板厚方向的位置,从而影响焊接变形。但是,间隙和变形量之间有一个匹配关系,即间隙在2～3mm之间,可控制角变形量在-1～+1mm之间;纵向挠曲变形在-0.5～4mm之间。间隙大小还要考虑对焊缝成形的影响。3分析与讨论焊接过程中的局部高温加热和快速冷却,在焊缝中及其近缝区的母材内,产生热应变和压缩塑性应变,进而引起内应力,最终导致构件的纵向挠曲变形和角变形等。纵向挠曲变形与的纵向收缩应力有关[5],纵向弯曲挠度式中b———纵向焊缝距试板重心的距离;l———焊接试板的长度;E———弹性模量;J———焊接试板截面惯性矩;PL———总的纵向收缩应力;σL———纵向收缩应力;Aw———焊缝金属断面面积。当接头形式和焊板尺寸、材料一定时,σL为常数。即纵向挠曲变形和挠度与总的纵向收缩应力相关,即与焊缝金属断面面积成正比。所以,能影响焊缝金属断面面积的因素,都能影响焊接试板的纵向挠曲变形。当焊接电流增大,或焊接速度减小,或者焊接热输入增加,或者焊接间隙增大,都将引起焊缝金属断面面积的增加,从而使总的纵向收缩应力增加,最终导致薄板焊接过程中的变形量增加。从图1和图2可知,在本文条件下,当采用较大焊接电流和较小焊接速度焊接时,焊接试板的纵向挠曲变形量和角变形量都增加,与上述讨论的结果相符。但是,在采用小电流和大的焊接速度时,焊接试板的纵向挠曲变形和角变形量也有增大的趋势,