雙絲埋弧焊熱循環(huán)測量與haz組織性能研究

雙絲埋弧焊熱循環(huán)測量與haz組織性能研究

0熱循環(huán)曲線的測量目前，從各種焊接方法的焊接金屬質(zhì)量的比例來看，埋弧焊約占10%，仍然是實際生產(chǎn)中使用的一種高效焊接技術。雙絲(多絲)埋弧焊雖然廣泛應用于實際工程中,但其理論研究不足,雙絲(多絲)電弧熱作用不能簡單的看作單電弧間的熱作用相互疊加,其相關研究還未見報道。焊接過程冷卻速度直接關系到焊后的組織、擴散氫含量、應力等,因此,準確地獲得熱循環(huán)曲線對有限元溫度場和應力場模擬的準確程度非常重要。焊接過程是一個特殊的局部加熱和冷卻過程,且熱影響區(qū)的粗晶區(qū)處在過熱狀態(tài),奧氏體晶粒因加熱而嚴重長大,冷卻后便產(chǎn)生復雜粗大的組織,韌性很低,過熱粗晶區(qū)通常成為力學性能薄弱區(qū),是催化和裂紋的發(fā)生地。因此,準確地測量焊接熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線,是調(diào)整和控制焊接工藝參數(shù)以及研究金屬焊接組織變化對性能影響的前提,也是進一步深入探討相關理論的基礎。在此,采用自行研制的多點測溫裝置測試單絲埋弧焊和雙絲埋弧焊溫度場,分析了不同絲間距、不同點熱循環(huán)曲線的特點,提出了判斷熱循環(huán)曲線測量是否有效的方法。首次采用實測粗晶區(qū)熱循環(huán)特征參數(shù)t8/5比較了單絲單弧焊接和雙絲雙弧同時焊接關系,驗證了雙絲雙電弧熱作用不是兩單絲單電弧熱作用的簡單疊加,為解釋雙絲焊接頭不同位置組織性能的差異奠定了基礎。1雙絲雙弧埋弧焊接法對于雙絲雙電源埋弧焊來說,每一根焊絲由一個獨立電源供電,分別為直流電源和交直流兩用電源,有DC+DC與DC+AC兩種電源組合可供選擇。一般認為,雙絲串列時前絲采用較高的電流和較低的電壓以獲得足夠的熔深;后絲選用相對低的電流和較高的電壓可改善熔池尾部液體金屬流動和焊縫結晶條件。試驗采用AUTODSADW型Miller雙絲焊機,選用DCRP+AC,即前絲為直流電源,后絲為交流電源。焊機不同位置組合兩絲間距可調(diào)范圍為:串列時,16~110mm;并列時,最小值為10mm,錯開角度范圍更大。雙絲雙弧埋弧焊接法的基本原理如圖1所示。圖2為雙絲調(diào)整參數(shù)圖,圖2a、圖2b為兩絲間距L=15~50mm時,兩絲電弧形成在一個熔池即雙絲共熔池,此種間距特別適合焊絲摻合金堆焊或焊接合金鋼;當L≥55mm時,兩絲電弧形成兩個獨立的熔池,如圖2c所示,不共熔池雙絲埋弧焊能起到前弧預熱、后弧填絲及后熱作用,以達到堆焊或焊接合金不出現(xiàn)裂紋和改善接頭性能的目的,在雙絲埋弧焊中多用后一種方法。當然,兩絲間距形成的熔池類型除了與絲間距有關外,還與焊接工藝規(guī)范(如前、后絲電流和電壓以及電源極性)有關。文獻指出,在常用的焊接規(guī)范下,當兩絲間距L≤10mm時,兩焊絲在一個熔池,因間距過小易出現(xiàn)兩絲磁場嚴重干擾,致使電弧不穩(wěn)定,一般不采用;當兩絲間距L為15~25mm和L≥55mm時,兩電弧之間的相互作用很小,焊縫成形好。所用,雙絲間距的大小對電弧的穩(wěn)定性影響很大,并直接影響焊接成形和質(zhì)量。2pc機配合應用試驗中采用自行研制的測溫系統(tǒng),測溫原理框圖如圖3所示。其原理為:焊接過程中,由PC發(fā)出測量要求,焊接進行到被測點,熱電偶的正負端因熱作用產(chǎn)生電動勢,測溫儀的數(shù)據(jù)采集卡K-803B8將信號經(jīng)過差動放大和有源濾波電路后,輸入到USB2010板進行模數(shù)(A\D)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號通過USB接口傳到PC機,通過軟件設計,PC機主要完成控制參數(shù)的設置和控制指令的發(fā)送、測量數(shù)據(jù)的處理、溫度變化曲線的顯示、測量結果的存儲與打印等功能。采用一種Cr-Ni系的低合金高強鋼,含碳量為0.076,焊接鋼板規(guī)格500mm×150mm×16mm,采用雙絲雙電源埋弧堆焊工藝,焊接規(guī)范如表1所示。鑒于埋弧焊接正面需要堆焊劑,所以在焊接測溫前先在試板的背面鉆一個直徑為4mm的盲孔,先將套有瓷管的K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶的一固定端通過電容儲能點焊機焊接到盲孔的底部,再將熱電偶另一端按照正負極接到測溫裝置的輸入端,打開電源和PC機,便可進行測溫,測溫現(xiàn)場如圖4所示。3熱循環(huán)曲線分析盲孔的深度應保證熱電偶處在焊接接頭的熔合區(qū)而非焊縫,所以,選定熱電偶的量程為-50℃~1350℃,當熱電偶在焊縫位置,溫度超過1350℃時,熱電偶將損壞,熱循環(huán)曲線會較長時間顯示高溫或出現(xiàn)不穩(wěn)狀況,如圖5所示,圖中曲線為熱循環(huán)曲線,右上角為測溫孔與焊接接頭相對位置宏觀圖,下同。為了保證被測點在熱影響區(qū)內(nèi),僅僅通過觀看測量曲線顯示是否為1200℃~1350℃還不夠,還應查看曲線變化趨勢特別是降溫趨勢。由圖6可以看出,當曲線光滑,且有高溫降段平穩(wěn)時,可以判定所測點處在過熱區(qū),所得熱循環(huán)曲線為有效曲線;當曲線的降溫段突變或過于平緩,即使測量顯示有高溫,但因熱電偶熔化或其固定端被熔化填充金屬包圍,測量點不穩(wěn)定,所得曲線也屬于無效曲線,所以圖5為無效曲線,不能采用。4溫度場試驗結果分析4.1埋弧焊熱循環(huán)曲線為了弄清單絲和雙絲埋弧焊焊接熱循環(huán)的特點,通過改變雙絲間距使兩絲電弧分別從共熔池到分離熔池狀態(tài),比較熱循環(huán)曲線的特點。由圖7可得出如下結論:(1)單絲埋弧焊和雙絲共熔池埋弧焊熱循環(huán)曲線的形狀相似,都只有一個峰值溫度;(2)后絲單弧焊時t8/5(從800℃降低到500℃)的平均值為32s,前絲單弧焊時t8/5(s)的平均值為30s,前后絲電弧在間距20mm時形成共熔池時,t8/5平均值為97s,比前后絲電弧單獨焊接的t8/5(s)之和還要多35s。由此證明了雙絲焊熱作用不是單絲焊熱作用的簡單疊加,雙絲雙電弧形成共熔池冷卻速度要慢得多,所以雙絲焊在提高焊接效率的同時,更加節(jié)能。4.2熱循環(huán)曲線的比較根據(jù)焊接熱循環(huán)對焊接接頭組織和性能的影響,研究焊接熱循環(huán)主要考慮四個參數(shù):加熱速度ωH、加熱的最高溫度、在相變溫度以上停留時間、冷卻時間(即目前普遍采用的從800℃降低500℃的時間t8/5以及800℃到300℃的時間t8/3),圖8和表2是雙絲間距100mm、焊速60cm/min時,雙絲雙弧形成分離熔池情況下得到的一組熱循環(huán)曲線?？梢钥闯?所得熱循環(huán)曲線與共熔池下的雙絲焊顯著的不同點是有兩個峰值,且t8/5的平均值比雙絲共熔池時短,即分離熔池下冷卻速度快;由表2可知:(1)分離熔池焊接時的t8/5平均值比前后絲分別作用時t8/5之和多12s;(2)焊接中不同點峰值出現(xiàn)時間間隔不同,其值不能簡單由雙絲間距與焊接速度之比來計算。進一步證明了雙絲焊熱作用的復雜性,從而試驗驗證了文獻所說的與單弧焊相比,雙弧焊具有節(jié)能、高速、成形好等優(yōu)點。4.3焊接時雙絲t8/5的均值為了考查雙絲焊在不同焊接速度和間距下的熱作用的特點,在確保測量點均在熱影響區(qū)而且是有效熱循環(huán)曲線的基礎上,在每種規(guī)范下t8/5的平均值是4條曲線以上的前提下取得,得到了不同絲間距和焊速下t8/5的平均值,如表3所示,由表3還可得出:雙絲雙弧形成相連熔池(見圖2b)的情況下焊接時,處在熱影響區(qū)點的t8/5的均值最大,雙絲雙弧形成共熔池(見圖2a)t8/5的均值次之,雙絲雙弧形成分離熔池(見圖2c)t8/5的均值最小,且雙絲焊測得的t8/5比前、后絲單電弧焊接測得的t8/5之和大。5初步判斷測量有效性(1)共熔池雙絲焊和單絲焊的熱影響區(qū)熱循環(huán)曲線