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技术 | 薄板小变形MAG焊焊接工艺研究

我国从50年代初从前苏联引进了水面潜艇的制造技术,作为水面舰艇的关键制造技术之一的焊接技术主要是采用手工电弧焊、埋弧半自动焊、自动焊这些工艺方法。由于工艺方法的局限性,造成了舰艇在制造过程中存在焊接变形大,舰艇性能差,线型差,外观不美等一系列缺点,不但影响舰艇的机动性能(增加水阻和风阻),而且经火工矫正,增加建造周期,降低钢板的力学性能和耐蚀性,影响舰船寿命。

在国外,如美国、俄罗斯等国,在建造大型水面舰艇时,普遍采用高强度薄板船体钢材,从而使舰艇的自身重量减轻,进步了舰艇的战斗力,具有航速快的优点。然而由于板厚的减薄也带来了薄板焊接变形的控制困难。在国外这些先进国家均采取专用的焊接工装及装配夹具,同时大胆采用气体保护焊接工艺新技术,甚至不惜本钱采用激光焊接舰体薄板结构,加拿大采用T.I.M.E.焊接方法焊接HY80钢制造潜艇,终极控制了焊接变形,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困难之一,其与材料、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,热输进小的特点开展薄板结构的小变形MAG焊接技术研究,进步建造质量,缩短制造周期,延长服役寿命具有重要的意义。1. 试验方法、设备和试验材料焊接方法采用MAG焊;设备采用自行研制的小变形MAG焊焊接系统;焊接电流为190~300A,焊接电压28~32V,焊接速度为0.4~1.6 m/min,送丝速度为36m/min,保护气体为Ar、CO2、O2的三元保护气体,气体流量为20L/min,焊丝干伸长为22mm;母材为4300125mm的普碳钢钢板,焊丝为JW-57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丈量,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的范围内。

图1 焊接电流对薄板焊接角变形和纵向挠曲变形的影响FIG. 1 Effects of the welding current on the angular deformation and deflection

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,焊接热输进降低,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。

图2 焊接速度对薄板焊接角变形和纵向挠曲变形的影响FIG. 2 Effects of the welding velocity on the angular deformation and deflection deformation

3.焊接热输进对薄板焊接变形的影响在间隙(1.5mm)不变的条件下,焊接热输进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进很敏感,要获得小的纵向挠曲变形,应选用小焊接热输进,避免过大的焊接热输进引起严重的焊接变形。

图3 焊接热输进对薄板焊接角变形和纵向挠曲变形的影响FIG. 3 Effects of the heat input on the angular deformation and deflection deformation

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,由于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。

图4 焊接间隙对薄板焊接角变形和纵向挠曲变形的影响FIG. 4 Effects of the fit-up gap on the angular deformation and deflection deformation

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,终极导致构件的纵向挠曲变形和角变形等。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、或者焊接热输进增加,或者焊接间隙增大,这些因素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,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,这主要与影响薄板焊接变形因素的复杂性有关。

由于在一定的焊接电流和焊接速度下,与焊接间隙存在匹配关系,假如采用小电流使焊缝金属的中心线不能确保和试板的中心线重合,将严重影响薄板焊接的应力分布从而发生变形。所以要综合考虑焊接规范参数对和焊接间隙对焊接变形的影响。

从图4可知,焊接间隙与焊接变形量之间存在匹配关系,即焊接间隙在2~3mm时可获得比较理想的焊接变形控制量。从图3可见,薄板焊接纵向挠曲变形对焊接热输进很敏感,根据实际经验,要获得小的焊接变形,必须采用小的焊接热输进,避免过大焊接热输进引起的严重变形。但是考虑到焊缝成形,焊接热输进不能过小,只有采用合适的焊接热输进才能很好的控制纵向挠曲变形变形。由图1~4可知,在本文焊接条件下焊接试板的角变形都在6.0mm以内,这主要是由于试板的厚度很薄,只有4mm,当板厚小于9mm时沿试板厚度方向的温度分布趋于均匀,使总的焊接角变形减小。

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