焊接工艺参数对超窄间隙焊接热裂纹的影响



摘 要：超窄间隙焊接中热裂纹是一种很容易出现的缺陷，采用焊剂带约束电弧超窄间隙焊接试验, 通过改变焊接工艺参数和间隙宽度，研究其对热裂纹的影响. 结果表明，焊缝成形系数与热输入和焊缝成形系数与间隙宽度的匹配关系是决定热裂纹的主要因素. 在较小的焊缝成形系数和较大的热输入量下热裂纹倾向较大，并且随着间隙宽度的减小，焊缝中热裂纹倾向明显增加. 当焊缝成形系数增大到临界值时焊缝中不产生热裂纹，且临界值随热输入量的增大而逐渐增大，随间隙宽度的增大而逐渐减小.

关键词：超窄间隙焊接；热裂纹；焊缝成形系数；热输入；间隙宽度

0 序 言

窄间隙焊接多数采用I形坡口，间隙宽度一般在7～20 mm之间，焊接时由于母材稀释率大，焊接构件所受拘束度大，在焊缝中心或弧坑部位很容易产生热裂纹[1]. 为了发现窄间隙焊缝中影响热裂纹产生的因素，文献[2]采用窄间隙埋弧焊方法对焊缝中的热裂纹进行研究，研究发现，在间隙宽度最小为7 mm时，热裂纹主要受焊接工艺参数和焊缝成分的影响. 热裂纹同焊接参数的关系主要表现在焊道几何形状，尤其表现在焊缝成形系数φ上. φ值越小，产生热裂纹倾向越大. 当含碳量较高时，热裂纹倾向也增大. 在文献[3，4]中，对窄间隙CO2气体保护焊采用数值模拟的方法研究发现，窄间隙焊接中，热裂纹也受热输入量、间隙宽度、焊接速度、脆性温度区间等因素的影响，且提出焊接时采用较小的热输入量和较大的焊接速度及间隙宽度可避免热裂纹的产生.

焊剂带约束电弧超窄间隙焊接是一种热输入量低、焊接生产效率极高、焊接接头力学性能优良，焊接残余应力和残余变形更小的焊接方法[5]. 其主要特征是采用间隙宽度为4 mm 的I形坡口，将焊剂带置于坡口根部两侧，进行单道多层焊接. 在焊接过程中焊剂带可有效的约束电弧，防止电弧攀升[6,7]. 但由于它的间隙宽度比窄间隙焊接的间隙宽度更窄，焊接过程中焊缝更容易产生热裂纹. 所以，对于超窄间隙焊缝中产生的热裂纹有必要进行系统的研究，文中通过改变焊接工艺参数和间隙宽度进行焊剂带约束电弧超窄间隙焊接试验，分析了焊缝成形系数、热输入和间隙宽度对热裂纹的影响，并提出抑制热裂纹产生的有效方法.

1 试验方法

焊剂带约束电弧超窄间隙试验用母材为Q235低碳钢，焊前将试件装配成I形坡口，将U形焊剂带放至坡口根部，保证焊剂带与坡口侧壁和根部紧密接触. 其中焊剂带所用焊剂成分主要为大理石和萤石，厚度为0.7 mm，填充焊丝为直径1.6 mm的H08Mn2Si，焊丝伸出长度在12～16 mm 之间. 为了保证焊枪能够深入间隙宽度最小为3.5 mm的坡口中进行焊接，装置中使用的焊枪为参考文献[8]中所设计的板式焊枪. 焊接试验采用直流反接，焊接电源为平特性，调整送丝速度和电弧电压分别对坡口根部间隙宽度为3.5,4.0和4.5 mm的试件进行焊接,试验所用焊接参数如表1所示. 焊接试验装置如图1所示.

表1 超窄间隙焊接工艺参数

Table 1 Ultra-narrow gap welding process parameters

间隙宽度W(mm)电弧电压U/V焊接电流I/A焊接速度v/(mm·s-1)3.520.5～27.5182～24210～134.023.5～28.5202～23211～134.519.5～30.5192～24210～13

图1 超窄间隙焊接装置示意图

Fig.1 Ultra-narrow gap welding device

将焊好的试样，沿焊缝横向切开，对焊缝横截面打磨抛光，然后采用4%的硝酸酒精进行腐蚀. 观察焊接接头中是否有热裂纹形成，以及热裂纹的形态，并测量焊缝截面每层焊缝的熔宽和熔深，计算出每层焊缝的焊缝成形系数.

2 试验结果分析

2.1 超窄间隙焊接热裂纹的形貌特征

图2为利用焊剂带约束电弧焊接所得超窄间隙焊缝截面形貌. 间隙宽度分别为3.5, 4.0和4.5 mm. 在这3种间隙宽度的接头中均产生裂纹并且具有相同的特征，裂纹都是从焊缝中心起裂，然后呈人字形向中心两边扩展，最终形成人字形热裂纹.

图2 不同间隙宽度超窄间隙焊缝截面形貌

Fig.2 Ultra-narrow gap welding sectional morphologies of different gap widths

2.2 焊缝成形系数、热输入和间隙宽度对热裂纹的影响

对试验中采用135种不同焊接工艺参数 得到的焊道进行观察，发现有45 %的焊道产生了热裂纹，通过比较热裂纹与焊缝横截面的关系可以发现，有裂纹焊道的焊缝成形系数φ(φ=B/H)明显小于无裂纹. 而焊缝成形系数φ的大小直接受到焊接电流和电弧电压的影响，当焊接电流较大时，会导致焊缝熔深增加. 电弧电压较大时电弧弧面较大，熔宽增加，然而熔宽增加的比例小于熔深增加的比例，所以得到较小的焊缝成形系数φ. 在分析每一道焊缝所使用的焊接参数时还发现，有裂纹焊道的热输入大于无裂纹焊道的热输入，这是因为有裂纹的焊道在焊接时，采用的焊接速度较小，单位长度上的热输入增大，导致熔化金属增多，焊缝截面面积和熔深均增大，得到的焊缝成形系数φ变小. 由此可见，超窄间隙焊缝中热裂纹倾向直接受到焊缝成形系数和热输入的影响.

图3为间隙宽度分别为3.5,4.0和4.5 mm时，焊缝成形系数和热输入对热裂纹的影响．

图3 热输入和焊缝成形系数对热裂纹的影响

Fig.3 Influence of heat input and B/H on formation of hot cracking

比较3种间隙宽度下裂纹分布情况不难看出它们具有一个相同的特点，即在热输入较大和焊缝成形系数较小的情况下，热裂纹倾向更大. 同时也存在不同的特征，当间隙宽度为4.5 mm和4.0 mm时，裂纹分布比较集中，实线将有裂纹和无裂纹分成两个区域 ，该实线为不产生热裂纹的临界线，如图3a，b所示. 从图3a，b中可以看出，当焊缝成形系数增大到临界值时，焊缝中将不会产生热裂纹,且随临界焊缝成形系数的增加，临界热输入呈线性增加. 当间隙宽度减小到3.5 mm时，焊缝中很容易产生热裂纹且不好控制，如图3c所示,热裂纹点比较分散，只能在无裂纹点比较集中的区域画出一条焊缝成形系数与热输入的关系实线，但在临界线下方也存在少数的热裂纹点. 这是因为试验结果归纳的间隙宽度为试验时设置的坡口根部间隙宽度，当焊至上层焊道时由于角变形，间隙宽度小于根部宽度，所以在3.5 mm坡口中焊至上层焊道时，间隙宽度变得比3.5更小，焊缝中更容易产生热裂纹，即使在较大的焊缝成形系数和较小的热输入下也很难避免.

比较图3中3个间隙宽度不产生热裂纹的临界线还可以发现，在不同间隙宽度下，热裂纹产生的倾向也不同. 当间隙宽度为4.5 mm时，不产生热裂纹的临界焊缝成形系数为0.7～1.05、热输入为540～650 J/mm；间隙宽度为4.0 mm时，不产生裂纹的临界焊缝成形系数为0.75～1.05、热输入为500～620 J/mm. 间隙宽度为3.5 mm时，不产生热裂纹的临界焊缝成形系数为0.8～1.02、热输入为375～500 J/mm. 可见，随着间隙宽度减小，不产生热裂纹的临界焊缝成形系数增大，热输入减小，焊缝中热裂纹倾向增加.

3 讨 论

在间隙宽度为3.5, 4.0和4.5 mm的焊剂带约束电弧超窄间隙焊接试验中，焊缝成形系数、热输入和间隙宽度对焊接接头热裂纹倾向有明显的影响，且焊缝成形系数为主要因素. 当焊缝成形系数增大到临界值时焊缝中不再产生热裂纹，且临界值随热输入增加而增大，随间隙宽度增大而减小． 文献[2]在间隙宽度为7～20 mm的窄间隙埋弧焊中对间隙宽度与临界焊缝成形系数的关系也进行了相关研究. 文献[3]利用数值模拟对间隙宽度为2.5～5.5 mm的焊缝进行窄间隙CO2气体保护焊，模拟了间隙宽度对不产生裂纹的临界焊缝成形系数的影响，可以归纳出不产生热裂纹的临界焊缝成形系数与间隙宽度的关系曲线，如图4所示. 其中三角形表示采用焊剂带约束电弧超窄间隙焊接所得的结果，虚线为数值模拟的结果，正方形代表窄间隙埋弧焊的结果.

从图4中可以看出，在3种窄间隙焊接方法下，间隙宽度对临界焊缝成形系数的影响具有相同的趋势，即在窄间隙坡口中随着间隙宽度的减小，不产生热裂纹的临界焊缝成形系数值增大. 间隙宽度对不产生热裂纹的临界焊缝成形系数的影响可做如下分析. 在相同焊接工艺参数下，在较小的坡口间隙里会形成窄而深的焊缝截面形貌，得到的焊缝成形系数较小，熔池所受拘束度较大. 窄而深的熔池金属凝固时，顶部的金属冷却速度相当快，没有熔融金属填补中心形成的缩孔，这样在收缩应力和较大的拘束度作用下很容易在最后结晶处起裂，形成热裂纹. 相反在比较大的坡口间隙里会形成宽而浅的焊缝截面形貌，焊缝成形系数较大，宽而浅的熔池在金属凝固时从四周以及底部开始，而顶部稍稍滞后，随着冷却过程的进展，金属的结晶方向从熔池四周和底部向着熔池中心，而收缩应力随着上升，然而由于顶部温度较高而尚未凝固的熔融金属填补着中心外形成的缩孔，所以此时焊缝中心就不会产生热裂纹.

图4 间隙宽度对临界焊缝成形系数的影响

Fig.4 Influence of gap width on formation of critical B/H

分析热输入对临界焊缝成形系数的影响还可以发现，随着热输入的增加，不产生热裂纹的临界焊缝成形系数也增大. 其原因可做如下分析，当焊接热输入增大时，熔池金属冷却速度减慢，焊缝结晶过程中形成的晶粒粗大，区域偏析倾向增大. 较大的热输入还会造成焊缝截面面积增大，使焊接过程中塑性变形区的面积变大，熔池冷却时体积收缩造成的应变量增加，熔池凝固形成焊接接头过程中所受内应力增加. 所以二者造成焊缝热裂纹倾向大大增加.

4 结 论

(1) 超窄间隙焊缝中随着间隙宽度减小接头热裂纹倾向明显增加. 尤其当间隙宽度减小到3.5 mm以下时，焊缝中热裂纹很容易出现并且很难控制，热裂纹形貌呈人字形.

(2) 超窄间隙焊接中随着焊接热输入的增大焊缝中热裂纹倾向增加.

(3) 焊缝成形系数是影响超窄间隙焊接接头热裂纹的主要因素. 当焊缝成形系数较小时,热裂纹倾向较大，但当焊缝成形系数增大到临界值时,焊缝中不再产生热裂纹. 且临界值随间隙宽度的增大而减小，随热输入量增大而增大. 为避免焊缝中产生热裂纹，得到了间隙宽度为3.5,4.0,和4.5 mm所对应的焊缝成形系数与热输入量的匹配范围.

参考文献：

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