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1、活性剂对焊缝咬边倾向及接头疲劳性能的影响柴国明,张慧(北京航空制造工程研究所高能束流加工技术国防科技重点实验室,北京100024)摘要:针对活性剂等离子弧焊焊接过程,对焊缝咬边倾向和焊接接头的疲劳性能进行了研究.结果表明,增加焊接速度虽然可以提高生产效率,但是焊接速度增加后,熔敷金属不易填充焊趾部,容易在焊趾部产生咬边缺陷,加入活性剂可以减小或消除咬边现象.添加活性剂后,熔敷金属增加,电弧力对熔池的压迫作用增强,电弧电压升高,电弧挺度增加,电弧更稳定.这些因素可以促进熔敷金属向焊趾部流动,填充在焊趾部.添加活性剂后,疲劳寿命最多提高了60%左右.通过添加活性剂可以减小
2、或消除咬边,提高焊接接头的疲劳性能.关键词:活性剂;咬边;疲劳强度文章编号:0253-360X(2009)05-0045-04柴国明中图分类号:TG456文献标识码:A善焊缝咬边倾向和提高焊缝疲劳性能进行了研究.0序言1焊缝产生咬边的机理等离子弧焊焊接(PAW),因其能量集中,穿透力强,焊接速度快,焊接变形小,接头强度高,可以不开坡口,一次焊双面成形1,对裂纹敏感性低等优点,广泛用于不锈钢、钛合金、铝合金和高温合金等材料的焊接.随着工业生产的飞速发展,自动化技术、人工智能理论等相关学科纷纷取得长足进展,焊接的机械化和自动化程度不断提高,为了提高生产效率、降低生产成本,
3、对焊接加工的生产速度提出了更高的要求.为了提高焊接速度,同时还需要增大焊接电流,以维持热输入大致不变.但是,实践证明,简单地通过提高电流并不能实现稳定的高速焊接.焊接速度的提高会带来一些问题.其中最主要的是焊缝咬边,速度进一步提高时出现“驼峰”焊缝,甚至导致焊缝的不连续2.这些缺陷对接头承受静载荷的能力影响甚微,但对接头承受动载荷的能力影响较大,疲劳裂纹往往从该部位更早地萌生,因而使接头的使用寿命受到损害,迫使一些焊接结构不得不降低使用条件,甚至返修或报废,造成严重的经济损失3.若采取适当的工艺措施给予一定程度上的改善,使其疲劳性能得以提高,必将产生显著的经济效益.通
4、过添加活性剂来改善焊缝咬边,并针对活性剂改咬边是电弧冲刷或熔化了近缝区母材后又未能充填的结果.这与焊接速度有密切关系,是影响焊接速度提高的重要因素之一.不计电弧吹力,在稳定状态下等离子弧焊熔融金属的形状可用图1所示的二维模式来分析4.图1熔池形状模型Fig.1Modelofweldpool假设熔敷金属首先铺展在焊趾部,此时焊趾部有三相:一是电弧的气相;二是熔敷金属的液相;三是母材的固相.这样焊趾部就会受到三个力:一是收稿日期:2008-03-31基金项目:武器装备重点基金项目(614010);高能束流加工技术国防科技重点实验室基金项目(41318.5.1.9)46焊接
5、学报第30卷固—气界面间的表面张力;二是固—液界面间的表面张力;三是气—液界面间的表面张力.图1中F是这三个力的合力.焊趾部三相接触线处熔敷金属的受力及运动趋势可以用三个角度值来简化表示:一是气—液界面与水平线的夹角α;二是固—液界面(熔合线)与水平线的夹角β;三是固—液相间的接触角γ.当α+β=γ时,焊趾部三相接触线处熔敷金属的受力达到平衡,焊趾部熔敷金属不运动刚好添充在焊趾部,不会产生咬边,这也是不产生咬边的临界情况,如图1所示实线的焊缝形状.当α+β>γ时,焊趾部三相接触线处熔敷金属的受力不平衡,焊趾部三相接触线处熔敷金属受到向熔池外部的力,焊趾部熔敷金属越过焊
6、趾部向熔池外部运动,这样也不会产生咬边,如图1a所示虚线的焊缝形状.当α+β<γ时,焊趾部三相接触线处熔敷金属的受力不平衡,焊趾部三相接触线处熔敷金属受到向熔池内部的力,焊趾部熔敷金属向熔池内部运动,焊趾部就没有熔敷金属来添充,这样产生了咬边,如图1b所示虚线的焊缝形状.图2焊接速度对活性剂焊缝咬边的影响Fig.2Effectofweldingspeedonundercut2焊接速度对活性剂焊缝咬边的影响由图2可知,图2a～e没有添加活性剂,随着焊接速度的提高正面熔宽和背面熔宽都减小,当焊接速度达到350mm/min时,焊缝开始出现咬边,当焊接速度达到400mm/mi
7、n时,焊缝咬边量增加.图2f～h添加了活性剂,当焊接速度达到400mm/min时,焊缝没有咬边,只有焊接速度达到500mm/min时焊缝出现咬边.随着焊接速度的增加,熔池产生“后退效应”,所谓“后退效应”就是熔池移动速度落后于焊接热源移动速度,熔池金属不能及时填充到焊趾部就凝固了,所以产生了咬边,如图3所示5.试验所用材料为SUS304不锈钢,板厚4mm,化学成分如表1所示.采用恒流特性等离子弧焊焊接电源进行焊接.所有焊接试验采用的焊接工艺参数完全一致,电流为160A,钨极直径为5mm,等离子气流量为2.7L/min,保护气流量为10L/min,钨极
