低碳鋼管-管全位置自動焊接的工藝及性能研究

張文勇, 肖　卓,， 陳志宏， 陳文元

(1.中原工學院，鄭州 450007； 2.鄭州科慧科技股份有限公司，鄭州450001)

低碳鋼管-管全位置自動焊接的工藝及性能研究

張文勇1, 肖卓1,2， 陳志宏2， 陳文元2

(1.中原工學院，鄭州 450007； 2.鄭州科慧科技股份有限公司，鄭州450001)

摘要：利用管-管全位置自動焊接設備研究了不同的焊接工藝對低碳鋼管焊縫形貌和性能的影響。通過金相顯微鏡、掃描電鏡分析了焊縫的組織形貌，利用顯微硬度計測定了焊縫不同區域的硬度分布。結果表明，在焊接過程中，焊槍處于不同位置時，相應地調節焊接參數，才能保證良好的焊接成形質量。硬度測試表明，從基體到熱影響區再到焊縫，硬度逐步升高。

關鍵詞：低碳鋼；管-管；全位置自動焊接；工藝；性能

近年來，隨著石油化工、管道以及造船等行業的飛速發展，采用全位置焊接工藝的場合越來越多[1]。在全位置焊接過程中，在不同空間位置熔池中的液態金屬受力不同，焊件受到熔池變化、幾何形狀等因素的影響，存在焊縫成形差等缺點[1-3]。因此全位置焊接中合理分段設計焊接工藝和焊接參數，能夠彌補焊槍在不同位置由熔池變化等因素帶來的不良影響，保證良好的焊接成形外觀和質量。張瑞華等利用A-TIG焊接方法有效提高了低碳鋼管全位置焊接的質量和效率[4]；張相福利用窄間隙脈沖TIG焊接工藝解決了厚壁大直徑焊接時側壁熔透、坡口設計等難點[3]；張天理等研究了自保護藥芯焊絲全位置焊接的電弧穩定性[5]。目前關于小直徑低碳鋼管-管全位置TIG焊接工藝研究報道不多。本文以小直徑20鋼管為研究對象，利用全位置TIG焊接設備，研究了焊接電流對焊縫成形外觀和形貌的影響，并分析了焊接接頭的微觀組織和性能。

1實驗材料與設備

1.1實驗材料

本文所選用的焊件為20鋼管。鋼管的尺寸規格為：長度15 cm,外徑Φ41 mm，壁厚3 mm。其化學成分見表1。焊絲牌號為H08Mn2Si，其化學成分見表2。

1.2實驗方法

利用ISY-80電動管子坡口機對管口進行開坡口處理，坡口類型為V型。管—管全位置焊接采用鄭州市科慧科技股份有限公司自主研發的KHGT管-全自動脈沖氬弧焊機，這是專用于管外徑Φ32～Φ88 mm的管子對接的自動焊接設備。利用XJP-300型金相顯微鏡觀察焊縫組織，腐蝕劑為4%的硝酸酒精。通過JSM-5610LV掃描電子顯微鏡觀察分析組織形貌。顯微硬度是通過402MVD顯微硬度計測定，負荷200 g，加載10 s測定硬度值。硬度測定是沿著“基體-熱影響區-焊縫-熱影響區-基體”這一方向進行，以接近一條直線的方式在焊件上依次打點并計算相應的硬度值。每條焊縫測定5次，取其平均值。

表1　低碳鋼鋼管的化學成分

表2　H08Mn2Si型焊絲的化學成分

1.3焊接工藝參數

將試樣的整個360°環形焊縫分為12等份，每份占30°。開始焊接后，全自動脈沖氬弧焊機內的電路會智能分配每一段的電流，以獲得均勻良好的焊接接頭，如圖1所示。

采用控制變量法來研究焊接電流對低碳鋼鋼管鎢極氬弧焊自動焊接質量的影響。試驗進行3次，送絲速度680 mm/min, 回轉速度0.50 r/min,基值電流41 A，依次改變焊接電流的大小，獲得相對應的焊縫，分別記為A、B、C。焊縫不同段的脈沖電流見表3。

圖1　焊縫分段示意圖

表3　焊縫的焊接脈沖電流　A

2實驗結果討論及分析

2.1焊縫外觀

圖2是焊縫不同位置的形貌圖。從圖2可以看出，在管-管全位置自動焊接中，焊縫的不同位置會因為受到不同的重力、電弧力等影響而產生不同的焊縫形貌。圖2(a)是環形焊縫的上半部分，焊縫明顯向下凹陷，焊縫位置明顯低于母材所在曲面。圖2(b)是環形焊縫的下半部分，焊縫有較為明顯的外凸，焊接接頭有一定的余高，即焊縫明顯高出母材。另外，通過對比發現，電流對焊縫寬度有一定影響。在一定范圍內，焊接脈沖電流越大，得到的焊縫寬度也越大。焊縫A表面發黑，表明在焊接過程中出現氧化現象；焊縫B和焊縫C呈現較好的金屬光澤，無明顯氧化現象。焊縫C內表面成形不均勻，局部出現未焊透現象。綜合比較，焊縫B在不同位置成形良好，沒有明顯焊接缺陷。

(a)焊縫上部　　　　(b)焊縫下部圖2　焊縫不同位置的形貌

2.2焊接接頭的金相組織分析

在區段相同的不同焊縫選取試樣來研究焊縫的組織和性能。圖3為焊縫熔合區的金相組織。從圖3可看出焊縫與熱影響區有較明顯的分界線，即焊縫和熱影響區的組織明顯不同。因為基體傳熱性很好，熔池中液態金屬凝固過程加快，明顯提高形核率，因此焊縫晶粒比熱影響區晶粒小。3條焊縫的組織均為片狀與塊狀先共析鐵素體+珠光體，結晶方向不明顯，表明焊接工藝變化對焊縫組織影響不大。熱影響區包括了粗晶區和細晶區，粗晶區又稱過熱區，緊鄰熔合區，一定量的魏氏體組織與鐵素體+珠光體復合組織混合分布，晶粒較粗大；而細晶區為晶粒細小的鐵素體+珠光體混合分布。

(a)焊縫A

(b)焊縫B

(c)焊縫C圖3　焊縫熔合區金相組織圖(×100)

2.3焊接接頭的組織形貌分析

圖4為焊縫組織的掃描電鏡照片。通過對比焊縫A、B、C，可以發現，組織形貌差別不大，但晶粒度不同。焊縫C的平均晶粒度最小，這是因為其焊接電流小，熱量輸入少，焊縫金屬冷卻速度大，形成細小晶粒。隨著焊接電流升高，輸入熱量增多，冷卻速度下降，液態金屬中形成的晶核長大的時間延長，因此晶粒度增大。

(a)焊縫A

(b)焊縫B

(c)焊縫C圖4　焊縫組織的掃描電鏡照片

2.4焊接接頭的硬度分析

沿著“基體-熱影響區-焊縫-熱影響區-基體”進行顯微硬度測定，研究焊接接頭不同區域的硬度分布。圖5顯示了焊接接頭各部分的顯微硬度值及其分布趨勢。從圖5看以看出，基體的硬度最低，熱影響區的硬度次之，焊縫的硬度最高。熱影響區組織在焊接過程中相當于正火處理，因此其硬度高于母材。焊縫組織的晶粒比熱影響區更細小，同時在焊接過程中，焊材熔化時一些合金元素進入焊縫，起到強化作用，因此焊縫硬度最高[6]。從基體到熱影響區再到焊縫，硬度逐步提高，呈現出較好的硬度分布趨勢。

圖5　不同焊接電流的焊件維氏硬度分布圖

3結語

(1)在進行低碳鋼管-管全位置自動焊接時，焊槍在不同位置時需調節焊接電流，才能保證焊接接頭成形質量。通過3條焊縫比較，焊縫B(初始電流為113 A)焊縫質量最好，無氧化現象及未焊透缺陷。

(2)焊縫組織為細小的鐵素體+珠光體組織，焊接電流對焊縫晶粒大小有一定影響。熱影響區包括粗晶區和細晶區。

(3)對焊接接口不同區域進行硬度測試，結果表明，從基體到熱影響區再到焊縫，硬度逐步升高。

參考文獻：

[1]劉觀輝，易耀勇，劉美華，等. 304N2不銹鋼管全位置A-TIG焊接工藝[J]. 電焊機，2014，44(7)：6-11.

[2]張相福. 厚壁大直徑管間隙TIG自動焊技術[J]. 焊管，2011，34(10)：30-32.

[3]岳建峰，李亮玉，姜旭東，等. 全位置MAG焊縫成形控制技術及研究進展[J]. 中國機械工程，2012，23(10)：1256-1259.

[4]張瑞華，王海濤，王榮，等. 低碳鋼管子全位置A-TIG焊接法[J]. 焊接學報，2010，31(6)：13-15.

[5]張天理, 栗卓新，荊洪陽，等. 自保護藥芯焊絲全位置焊接電弧穩定性分析與評價[J]. 焊接學報，2014， 35( 8)：99-102.

[6]李亞江. 焊接冶金學-材料焊接性[M]. 北京：機械工業出版社, 2007.

(責任編輯：席艷君)

The Technology and Properties of All-position

Automatic Welding of Low Carbon Steel Pipe

ZHANG Wen-yong1, XIAO Zhuo1,2, CHEN Zhi-hong2, CHEN Wen-yuan2

(1. Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007;

2.Zhengzhou Kehui Technology Co., Ltd., Zhengzhou 450001， China)

Abstract：Effects of welding process on appearance and properties of the weld joint of low carbon pipe are studied by all position automatic equipment. The microstructure of welding joint was studied by metallographic microscope and scanning electron microscope (SEM). The microhardness of the different regions was tested. The results show that the pipe weld quality is good by adjusting the corresponding welding parameters when the welding torch is in different position. The hardness gradually increases from the substrate, heat affected zone (HAZ), to welding line.

Key words:low carbon steel; pipe-pipe; all position of automatic welding; process; properties

文章編號：1671-6906(2015)01-0067-04

作者簡介：范曉偉(1966-)，男，河南澠池人，教授，博士。

基金項目：國家自然科學基金項目(51306214)；河南省科技廳科技攻關項目(132102210176)

收稿日期：2014-05-15

中圖分類號：TG 457.6

文獻標志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.01.016