不銹鋼薄板等離子弧搭接焊間隙對焊縫表面成形的影響

李子晗 忻建文 吳東升 張躍龍 王歡 華學明

摘要：以液化天然氣船薄膜型圍護系統中304L不銹鋼薄板等離子弧搭接焊為實際應用場景，使用示蹤粒子檢測和紅外熱成像技術對焊接過程中搭接間隙對熔池動態行為和焊縫表面成形的影響進行研究。示蹤粒子檢測結果表明，當間隙為0.3 mm或0.6 mm時，由于上板處的液態金屬層很薄，容易凝固，最終在凝固區形成空洞;當間隙為0.9 mm時，上板熔化產生的液態金屬在凝固區前聚集，但由于間隙較大，無法形成液橋，而是形成了一個金屬液滴，最終形成駝峰。紅外熱成像的結果表明，隨著間隙的增加，在熔池中部會形成一段低溫區，高溫區面積也有所增加，這與示蹤粒子檢測的結論一致。

關鍵詞：不銹鋼薄板;等離子弧搭接焊;焊縫表面成形缺陷;示蹤粒子檢測;紅外熱成像

中圖分類號：TG456.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）12-0028-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.06

0? ? 前言

隨著科學技術的發展，制造業對焊接技術提出了新的要求，如何適應工業生產的需要，成為近年來焊接技術發展的方向之一[1]。由于優秀的焊接適應性，等離子弧焊在眾多焊接技術中脫穎而出[2]，廣泛應用于不銹鋼、鋁合金、鈦等材料的對接、搭接和角接焊[3]。與傳統的非熔化極惰性氣體保護電弧焊相比，等離子弧焊具有能量集中、熱影響區窄、焊接變形小和生產效率高等優點[4-5];與同為高能束流焊的激光焊和電子束焊相比，等離子弧焊的設備和操作成本更低，對接頭準備的要求也更低[6]。隨著工業生產對焊接技術要求的提高，等離子弧焊正逐漸成為一種高效實用的焊接技術。

304L不銹鋼薄板的等離子弧搭接焊接頭是液化天然氣船薄膜型圍護系統中的重要組成部分[7]。在實際生產過程中，304L不銹鋼薄板自身的約束力很弱，在焊接過程中極易變形[8]，導致上下板間形成間隙，產生填充不足或未熔合等缺陷[8]，嚴重影響焊縫質量和生產效率[9]。李超豪[9]采用冷金屬過渡焊接技術，研究了間隙大小對鍍鋅板搭接焊的影響，結果表明，間隙對消除氣孔效果明顯，但隨著間隙的增大，會有焊穿傾向，當間隙達到2.0 mm時發生焊穿。Meng等人[10]討論了間隙對激光焊時T型接頭中等離子體、小孔和熔池動態行為的影響。研究結果表明，在點焊過程中，間隙極大地影響等離子體和小孔的穩定性，導致焊縫金屬中形成氣孔;而在連續焊過程中，間隙處小孔前壁的破壞和閉合隨著間隙的變化呈現周期性變化，導致間隙處形成大量氣孔。對不同搭接間隙下的熔池動態行為和間隙適應性進行研究，對于提升對焊接過程的認知和改善焊接接頭質量均有重要的意義。

目前，對等離子弧搭接焊中不同間隙下的熔池動態行為和焊縫成形情況的研究還較不完善。文中以液化天然氣船薄膜型圍護系統中304L不銹鋼薄板的等離子弧搭接焊為實際應用場景，使用示蹤粒子檢測技術對等離子弧搭接焊過程中的熔池動態行為進行拍攝，并采用紅外熱成像技術獲取了熔池上表面的溫度分布，結合示蹤粒子檢測和紅外熱成像的結果對不銹鋼薄板等離子弧搭接焊間隙對焊縫表面成形的影響進行了研究。

1 試驗材料和焊接工藝

1.1 試驗材料

選用厚度為1.2 mm的304L不銹鋼作為試驗材料，其化學成分[3]如表1所示。304L不銹鋼因具有優異的力學性能被應用于液化天然氣船薄膜型圍護系統，其力學性能如表2所示。

1.2 試驗設備

等離子弧焊試驗平臺如圖1所示。等離子弧焊設備主要由LHM-315等離子焊機、TP-3等離子焊槍、DX100型控制機器人、DIC020ASS-LB2型冷水機和夾具組成。示蹤粒子檢測設備為Cavilux 640nm激光照明系統和Phantom VEO710S高速攝影相機，示蹤粒子為直徑約0.2 mm的SiC粒子。紅外熱成像設備為R500EX-Pro紅外熱成像儀。

1.3 焊接工藝

試驗母材為304L不銹鋼板，尺寸150 mm×50 mm×1.2 mm。焊槍噴嘴孔徑1.6 mm，鎢極內縮量為3.0 mm。選取4個不同搭接間隙，分別為0 mm、0.3 mm、0.6 mm和0.9 mm，焊槍與上板的夾角為80°，約束噴嘴與母材上表面的間距為2 mm，焊槍空間位置參數如圖2所示。需要指出的是，由于在實際焊接過程中使用了焊縫跟蹤技術，因此產生間隙后，隨著上板位置的變化，焊槍位置也發生了變化。焊接過程采用直流型等離子弧焊模式，焊接速度3.3 mm/s，焊接電流40 A。焊接過程中的離子氣和保護氣均為高純Ar氣，離子氣流量0.5 L/min，保護氣流量12 L/min，背保護氣流量30 L / min。

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫表面成形

不同搭接間隙下的焊縫表面成形如圖3所示?？梢钥闯?，隨著間隙的增大，焊縫表面成形逐漸變差。當間隙為0 mm時，焊縫表面成形良好，焊縫表面沒有缺陷;當間隙為0.3 mm時，焊縫表面出現空洞缺陷，搭接接頭已不滿足應用要求;當間隙為0.6 mm時，焊縫表面的空洞缺陷進一步擴張;當間隙為0.9 mm時，焊縫幾乎完全不連續，形成駝峰缺陷。

2.2 熔池動態行為分析

2.2.1 間隙為0 mm

間隙為0 mm時，熔池動態行為如圖4所示，示蹤粒子在熔池兩側向尾部運動，上下板熔化產生的液態金屬在焊槍中心位置處匯聚，形成穩定的熔池。熔池凝固后，得到成形良好的焊縫。

2.2.2 間隙為0.3 mm

間隙為0.3 mm時，熔池動態行為如圖5所示。由圖5a、5b中示蹤粒子1的行為可以看出，由于上下板間存在間隙，上板熔化產生的液態金屬無法直接與下板熔化產生的液態金屬匯聚，而是在等離子弧產生的電弧壓力和電弧剪切力作用下[11]向后流動，在熔池中形成了一段缺口，如圖5中藍色虛線所示。當上板產生的液態金屬堆積到一定程度后，在焊槍后與下板產生的液態金屬匯聚形成熔池。焊接過程進行到圖5c時，缺口尾部紅色虛線內的液態金屬層很薄，熱容很低[12]，在失去電弧的熱作用后迅速凝固，形成一個凝固區。從圖5c、5d中示蹤粒子2的行為可以看出，受到凝固區的阻礙作用，上板熔化產生的液態金屬無法向熔池尾部流動，而是受到固液相間分子作用力的影響在上板處凝固區前堆積;當堆積到一定程度后，在凝固區前和下板產生的液態金屬匯聚，在上下板間形成液橋。隨著液橋的形成，上板熔化產生的液態金屬從液橋處向下流動，如圖5e、5f中示蹤粒子3的行為所示。由于焊槍繼續移動，熔池后部空洞周圍的液態金屬冷卻，在凝固區附近形成了一個沒有液態金屬填充的空洞，如圖5e、5f中綠色虛線所示。

2.2.3 間隙為0.6 mm

間隙為0.6 mm時，熔池動態行為如圖6所示。與間隙為0.3 mm時相比，熔池動態行為類似，空洞的產生機理相同。但由于間隙變大，液橋形成的難度增大，凝固區的面積隨之上升，導致焊縫表面的空洞缺陷有所擴張。

2.2.4 間隙為0.9 mm

間隙為0.9 mm時，熔池動態行為如圖7所示。凝固區形成前（見圖7a～7c），與間隙0.3 mm和0.6 mm時相比，間隙為0.9 mm時的熔池動態行為相同。但由于間隙變大，液橋形成的難度變大，凝固區的面積也隨之上升。從圖7e～7g中示蹤粒子2的行為可以看出，由于凝固區的形成，上板熔化產生的液態金屬也會在凝固區前匯聚，但與搭接間隙為0.3 mm和0.6 mm時相比，搭接間隙為0.9 mm時在上下板間無法形成液橋，而是在凝固區前匯聚形成了金屬液滴，如圖7h～7k所示。金屬液滴形成后，焊接過程繼續進行，在金屬液滴前再次形成了凝固區，金屬液滴被阻隔在兩個凝固區之間，逐漸凝固，形成駝峰，如圖7l所示。

2.3 熔池表面溫度分布分析

當搭接間隙為0 mm、0.3 mm、0.6 mm和0.9 mm時，使用紅外熱成像儀對焊接過程中的熔池表面溫度分布情況進行了拍攝，如圖8所示。未有間隙時，在熔池上表面，焊槍中心區域溫度最高，沿焊接方向距焊槍中心區域越遠，熔池上表面溫度越低。間隙增加后，在熔池中部會產生溫度相對較低的區域，將熔池分割成兩部分，且間隙越大，低溫區面積也越大。此外，隨著間隙的加大，高溫區面積也有所增加，這主要是液橋形成的難度變大，熔池缺口擴張所致。這些結論與示蹤粒子檢測的結論相吻合。

3 結論

使用示蹤粒子檢測和紅外熱成像技術對304L不銹鋼薄板等離子弧搭接焊間隙對焊縫表面成形的影響進行了研究，得到以下結論：

（1）間隙對等離子弧搭接焊的焊縫表面成形有很大的影響，隨著間隙的增加，焊縫表面成形逐漸變差。當間隙為0.3 mm或0.6 mm時，焊縫表面出現空洞缺陷，搭接接頭不滿足實際應用需求;當間隙為0.9 mm時，焊縫表面出現駝峰缺陷。焊接過程中間隙的容忍度小于0.3 mm。

（2）當間隙為0.3 mm或0.6 mm時，由于上板處的液態金屬層很薄，熱容很低，在失去電弧的熱作用后迅速凝固，在上板處形成了凝固區，最終在凝固區處形成空洞。隨著間隙的增加，凝固區擴張，形成的空洞也有所擴張。

（3）當間隙為0.9 mm時，在上板處會形成更大的凝固區，上板熔化產生的液態金屬在凝固區前聚集。由于間隙較大，沒有形成液橋，而是形成了金屬液滴。金屬液滴凝固后，在焊縫表面形成駝峰。

（4）紅外熱成像的結果表明，隨著間隙的增加，在熔池中部會產生溫度相對較低的區域，高溫區面積也有所增加，這與示蹤粒子檢測結論相吻合。

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