自动MAG 焊接大熔深高低强钢异材组合的缺陷控制研究

钢结构焊接国际论坛IFWT2006自动MAG焊接大熔深高低强钢异材组合的缺陷控制研究余洋郭鹏杨家林樊亚丽（中物院机械制造工艺研究所）摘要：在对D6A高强度钢与20钢异种材料的焊接组合时，通常采用的焊接方法是手工TIG焊接，目前已经能较好的解决焊缝的内部缺陷，但是手工TIG焊接带来一系列的问题，最突出的问题是生产效率低下，工人劳动强度大，不易于连续生产作业。因此急需寻求一种焊接方法来解决手工TIG焊存在的这些问题。本项目的研究建立在机器人自动MAG焊接的基础上，采用这种焊接方法可显著提高生产效率，降低劳动者的劳动强度，但同时由于焊接方法的不同，又带来一系列新的问题：MAG焊接方法金属熔敷量大，焊缝内部容易产生气孔等缺陷；同时容易造成应力集中，而产生延迟裂纹。本文重点探讨了焊接缺陷的产生原因并提出了解决措施，取得良好效果。关键词：自动MAG焊接高低强钢异材组合缺陷控制Abstract：InweldingD6Asteeland20steel，thecommonwayisbyhand-TIGmethod.Anditcouldbegoodqualitybythismethod.Butseriesproblemscausedbyhand-TIGweldandtheoutstandingshortcomingsarelowproductivity，highlaborintensityanddifficultcontinuousproducing.It'snecessarytofindanewweldingmethodtoresolvetheseshortcomings.Thisresearchbasedontheauto-robotMAGweldingmethod，itcanimproveproductivity，butthechangesofmethodcausesanotherseriesproblems.Becauseofthelargemeltedmetal，gasholes，stressconcentrationareeasilyemergedinthejointandthestressconcentrationcancausethedelay-cracks.Thisarticlediscussedhowtoreducethesedefectsandgetagoodresult.Keywords：MAGantomationwelding，Highandlowstrengthsteels，Dissimilationmaterialsconbination，Defectscontrol0前言在对D6A超高强度钢和20钢异种材料组合焊接时，通常的方法是采用手工TIG焊接方法，目前已能较好的解决焊缝内部缺陷，但手工TIG焊接的生产效率低，工人劳动强度大，不易于连续生产。本项目的研究建立于机器人自动MAG焊接的基础上，旨在解决生产效率低下的缺点。由于MAG焊接方法金属熔敷量大，内部容易产生气孔等缺陷；同时D6A钢碳当量高，产生冷裂纹的倾向很大，因此如何控制焊接内部缺陷是本文探讨的重点。2006钢结构焊接国际论坛论文集426IFWT2006钢结构焊接国际论坛1焊接特点分析1.1焊接工艺难点1.1.1材料焊接性分析两种焊接材料：D6A钢与20钢，其化学成分见表1。20钢裂纹敏感性小，具有良好的焊接工艺性能。D6A钢含碳量较高，属于中碳调质钢，焊接性较差，主要有以下问题。表1D6A与20钢化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnPSCrNiMoVFeD6A0.42～0.480.15～0.300.69～0.90≤0.025≤0.0150.80～1.050.40～0.700.90～1.100.05～0.10余量20钢0.17～0.230.17～0.370.35～0.65≤0.035≤0.035≤0.25≤0.30≤0.25—余量（1）焊接热影响区的脆化与软化由于含碳量高、合金元素多，钢的淬硬倾向大，Ms点又低，因而在淬火区产生脆硬的马氏体（尤其是高碳、粗大马氏体），导致严重脆化。对于焊前为调质状态的钢材，热影响区被加热到超过调质时的回火温度区域，将出现强度、硬度低于母材的软化区，成为接头的薄弱区域。（2）裂纹D6A钢淬硬倾向大，近缝区所出现的马氏体组织，增大了焊接接头的冷裂倾向。在焊接中常见的低合金钢中，中碳调质钢具有最大的冷裂敏感性[1]。1.1.1.1D6A钢焊接裂纹敏感性根据材料化学成分，利用焊接领域常用的裂纹敏感性经验公式，对D6A钢的裂纹敏感性进行理论分析。（1）热裂纹敏感性的计算（成分取平均值）按Ocmpo.（1964）计算碳当量（用于wC＞0.25%～0.35%）：CE=C+0.25S+P/2.5+（Si-0.4）/5+（Mn-0.8）/6+Ni/6+Cu/8+（Cr-0.8）/8=0.437%＞0.35%的临界热裂纹敏感指标。上述计算结果表明，D6A钢具有相当高的热裂纹敏感性。然而，D6A钢中的S、P含量较低，而Mn含量较高，有利于防止热裂纹的出现。一般来说，Mn/S的比值大，对防止焊接热裂纹十分有利，当Mn/S的比值大于25时，一般不产生热裂纹。经计算，D6A钢的Mn/S比值为53＞25，表明D6A钢的热裂纹倾向较小。试验结果也表明，焊接接头经X射线探伤后，焊接热裂纹倾向很小。（2）冷裂纹敏感性的计算（成分取平均值，按WES—135条件确定）[2]裂纹敏感指数Pcm（合金元素裂纹敏感指数）：Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B=0.699大于0.36的临界冷裂纹敏感指标。可见，D6A钢也具有相当高的冷裂纹敏感性。（3）再热裂纹敏感性计算[1]（成分取平均值）∆G=Cr+3.4Mo+8.1V−2=2.93大于0的标准。可见，D6A钢具有相当高的再热裂纹敏感性。上述裂纹敏感性的理论计算结果表明，D6A钢具有明显的冷裂纹和再热裂纹敏感倾向，4272006钢结构焊接国际论坛论文集钢结构焊接国际论坛IFWT2006因此如何有效控制焊接裂纹是主要技术难点之一。1.1.1.2D6A钢与20钢异材组合焊接特点D6A钢与20钢两种材料的力学性能有很大差距。碳含量是决定焊接淬硬倾向的主要元素。含碳量越高，热影响区的淬硬倾向越大。为了避免在焊接热影响区形成脆性的马氏体并引发裂纹，应采用合理的焊接次序、焊前预热、焊后保温和最佳工艺参数等。1.1.1.3焊丝的选择为了降低焊后出现延迟裂纹的几率，必须严格控制焊缝扩散氢的含量（合理选用焊接材料和保护气氛）与焊后保温规范。通常，选用低氢型的焊接材料，如不锈钢焊丝，以保持焊缝金属的高塑性，避免焊缝及近缝区出现裂纹，保证焊接接头的抗裂性能。兼顾焊缝强度要求，焊接材料选用低碳高合金高强不锈钢焊丝H1Cr24Ni13，化学成分见表2。高Cr与高Ni含量有利于克服D6A钢或20钢对焊缝的稀释作用，抑制熔合区中碳的扩散，避免出现碳迁移过渡层和马氏体脆化层。试验结果表明，不锈钢焊丝H1Cr24Ni13满足强度和成分的要求。表2焊丝H1Cr24Ni13的化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnPSCrNiMoVFe含量≤0.12≤0.601.0～2.5≤0.030≤0.02023.0～25.012.0～14.02.0～3.0—余量1.1.2焊接设备及方法1.1.2.1机器人自动化焊接系统集成采用唐山松下的独立多关节型焊接机器人系统，可实现7轴协调（联动）运动，具有柔性程度高、焊接过程稳定、重复性好等特点。1.1.2.2焊接方法的选择钨极氩弧焊虽然能够获得优良的焊接质量，但是由于受到钨极许用电流的限制，焊接电流不能用的太大[3]，所以钨极氩弧焊焊接时，生产率低，劳动条件差，不能满足高效生产的需要。机器人熔化极混合气体保护焊用焊丝本身作电极，电流可以大大提高，因而焊丝熔敷速度快，提高了劳动生产率，改善了劳动条件，特别适用于中等和大厚度板材的焊接[4]。1.2焊前预热与焊后保温方案（1）预热温度的确定由于D6A钢的裂纹敏感性大，必须采用焊前预热、焊后保温和缓冷等措施来控制冷裂纹的产生。根据防止冷裂纹的预热温度经验公式，可初步确定大致的预热温度：T（℃）=1440Pc−392其中：Pc（焊接冷裂敏感指数）=Pcm+[H]/60+δ/600；Pcm=C+Si/30+（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V10+5B[H]——扩散氢含量（JIS测氢法），mL/100g；δ——板厚，mm。经计算得出防止冷裂纹的经验温度为＞338ºC，但实际焊接中由于20钢一侧开有1mm厚的钝边，如预热温度过高，容易造成焊穿的现象，应综合考虑确定适当的预热温度。（2）焊后保温规范焊后保温的作用是降低焊后的冷却速度，降低接头淬硬倾向与拘束应力，从而防止冷裂纹的产生。焊后保温温度可参照下列经验公式确定：Tpc=455.5[Ceq]p−1142006钢结构焊接国际论坛论文集428IFWT2006钢结构焊接国际论坛[Ceq]p=（C）+0.2033（Mn）+0.0473（Cr）+0.1228（Mo）+0.0292（Ni）−0.0792（Si）+0.0359（Cu）−1.595（P）+1.692（S）+0.844（V）式中Tpc——保温的下限温度，℃；[Ceq]p——确定保温下限温度的碳当量，%。经计算得出焊后保温温度为约为338℃。试验发现，不同的焊后保温规范，在焊缝根部熔合线附近出现有裂纹的概率差异较大，因此合理选择焊后保温规范十分重要。1.3保护气氛的确定任何大气环境下的焊接方法都需要保护气氛，只是采用的方法不同而已，目的是为避免焊缝金属氧化，控制有害气体在焊接接头中的含量，改善焊缝成形。通常，保护气氛是指保护气体的种类、配比及流量。保护气体的流量决定于焊接速度和弧长、喷嘴直径等因素。保护气体流量可按下面经验公式计算：Q=（0.8～1.2）D式中Q——氩气流量，L/min；D——喷嘴直径，mm。根据所使用的喷嘴直径，采用上述公式计算得出，保护气体流量控制在20～25L/min的时候为最佳，考虑焊丝干伸长等原因，试验中我们采用20～22L/min的保护气体流量。为降低熔池粘性，改善焊缝成形，可加入少量（体积百分比）的CO2和O2，即三元混合气体。1.4焊接热输入量的确定焊接热输入量是指单位长度焊缝所获得的热量，由焊接电流、电压及焊接速度等焊接规范共同决定。焊接热输入量对焊接质量影响甚大，一般来说，焊接热输入量增加，焊接热输入增加，加热宽度和残余应力增大，拉伸残余应力范围也增大。不同的焊接方法，不同的熔滴过渡形式，对焊接热输入量有不同的要求。焊接热输入量过大，焊缝热影响区增加，晶粒粗化，容易出现焊接裂纹，严重恶化接头性能；小的焊接热输入量，可以减小不均匀加热区的范围及焊缝收缩量，但如果焊接热输入量太小，容易形成气孔、咬边、未熔合等焊接缺陷。根据国内外文献报道[2]，在采用熔化极焊接方法时，熔滴的过渡形式基本上都处于亚射流电弧范围内，这是因为在亚射流过渡形式下，保护效果好，焊缝成形好，焊接缺陷也较少。因此，在焊接过程中，尽可能选择小电流和较低电压进行焊接。由于机器人焊接是自动连续焊接[5]，不能采用分段焊、倒退焊等方法来减小热输入量，只能从焊丝直径、电流、电压、焊接速度等方面来控制热输入量。在熔化极保护气体自动焊接时，其电流和焊接速度范围的关系见下图[2]。由图可以看出，对于厚板焊接时，其电流均在200A以上，这对于控制热输入量是不利的，不过随着焊丝直径的减小，电流也相应地减小。于是在采用焊丝直径方面，我们选择φ1.2mm的焊丝，这样焊接电流可减小到200A。2焊接缺陷分析及其控制措施2.1裂纹的成因及控制措施在D6A钢与20钢焊接时出现的裂纹主要有冷裂纹、弧坑裂纹及热裂纹三种，其中冷4292006钢结构焊接国际论坛论文集钢结构焊接国际论坛IFWT2006裂纹最容易出现。熔化极自动焊焊接电流范围（1）冷裂纹X射线探伤结果表明，在焊缝根部熔合线附近常出现基本与焊缝轴线平行的微小裂