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Journal of Applied Sciences 10(8):658-663.2010
ISIN 1812-5654
@2010 Asia Network for Scientific Information
低碳鋼藥芯焊絲氣保護(hù)焊接參數(shù)對
焊縫寬度和焊縫金屬拉伸性能的影響
H.R.Ghazvinloo and A.Honarbakhsh Raouf
摘要:焊縫質(zhì)量很大程度上受焊接過程參數(shù)的影響。為了獲得高質(zhì)量的焊縫,焊縫的幾何形狀和力學(xué)性能必須要求精確。目前研究強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)條件下分析了不同藥芯焊絲氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)對于焊縫寬度和拉伸性能的影響。由于工業(yè)上高的利用率,因此選取焊接電流,焊接電壓和焊接速度作為變量;焊接材料使用低碳鋼。所有實(shí)驗(yàn)的焊接電流選取240A,280A和320A,電弧電壓選取26,30和34V,焊接速度選取40,50,和60cm\min。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有利于選擇合適的焊接過程參數(shù)來獲得良好的焊縫成形和拉伸力學(xué)性能。
關(guān)鍵詞:藥芯焊絲氣體保護(hù)焊,焊接參數(shù),焊縫寬度,屈服強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度,熱輸入
引言
藥芯焊絲氣體保護(hù)焊應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)條件下士全自動(dòng)的過程,在這一過程中,管狀焊絲作為電極持續(xù)地加入到焊接區(qū)域。熔融材料在管材的中心處。管材的外部引導(dǎo)電流形成電弧然后熔化形成填充金屬。近來的研究表明:藥芯焊絲氣體保護(hù)焊較普通的焊接技術(shù)有很多的優(yōu)勢:可以使用實(shí)芯焊絲例如手工電弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊。為了研究焊接過程中變量對于焊縫幾何形狀和焊縫質(zhì)量的影響,研究人員采用了不同的技術(shù)來進(jìn)行。提供了在機(jī)器人焊接過程中使用模糊還原方式在熔滴成形的可能性。用最優(yōu)的藥芯焊絲氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)來使在低合金高強(qiáng)鋼中的焊接滲透達(dá)到最大。利用最優(yōu)的過程參數(shù)來獲得理想的焊縫成形以及通過藥芯焊絲氣體保護(hù)焊過程來進(jìn)行不銹鋼的電鍍稀釋。同藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的熱輸入對于韌性的影響通過EH鋼來進(jìn)行。Balasubramanian和Guha研究了焊接尺寸對于藥芯焊絲氣體保護(hù)焊十字形焊縫疲勞極限的影響。未焊透缺陷是通過拉伸能量密度因素來定義的。然而,有確切的關(guān)于使用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊方法獲得的焊接試驗(yàn)拉伸性能和低碳鋼接頭的焊縫寬度的數(shù)據(jù),這在一些著作中是可以查到的。目前研究的目的是調(diào)查在使用自動(dòng)化藥芯焊絲氣體保護(hù)焊焊接時(shí)低碳鋼接頭的過程參數(shù),焊縫成形以及拉伸性能之間的關(guān)系。
材料及方法
由于工業(yè)上高的利用率,焊接材料是含碳量0.17%和含Mn1.21%的低碳鋼。為了測試焊接參數(shù)對于焊縫寬度的影響,金屬樣本采用尺寸為75*60*10mm作為基本的金屬材料從而提供單一的焊縫外形。
同樣,該實(shí)驗(yàn)中的拉伸測試的樣本采用25mm板厚并且切割成多塊金屬板,然后在每一塊板上開角度為60度的單V形坡口。焊縫根部面為1mm厚同時(shí)根部開口為25mm。高純的CO2氣體被用作保護(hù)氣體用來保護(hù)熔池。另外,作為填充金屬的藥芯焊絲的直徑為1.6mm(AWS的分類為E70T5),用在焊接參數(shù)范圍從焊接電流0-550A,焊接電壓范圍為0-45V的FCAW焊機(jī)上。為了減小焊接扭曲變形,在焊接開始之前實(shí)驗(yàn)測試用的金屬板被固定在夾具上。在這次實(shí)驗(yàn)中選中的變量為焊接電流(240,280,320A),電弧電壓(26,30,34V),然后焊接的速度為(40,50,60cm/min)。同時(shí),其他的過程參數(shù),例如焊絲熔敷速率,電弧距離,焊槍角度分別地被設(shè)置為8m/min,2.5mm和15度。
焊接完之后,不同焊接條件下的焊件的寬度的獲得是經(jīng)過嚴(yán)格測量的,其目的就是為了精確評估焊接過程參數(shù)對于焊縫成形的影響。同時(shí),從焊件中準(zhǔn)備的直徑分別為12.5mm和62.5mm的圓柱體拉伸樣品的標(biāo)準(zhǔn)長度尺寸與ASTM E8M-05的規(guī)定相一致。拉伸試驗(yàn)是在一個(gè)能力極限為20KN的DARTEC測試機(jī)器上進(jìn)行的。所使用的樣品是從Oghabafshan Co中準(zhǔn)備的,并且這些測試在2009在伊朗的伊朗大學(xué)進(jìn)行的。
結(jié)果和討論
所有試驗(yàn)中所選用的不同的電弧電壓,焊接電流,焊接速度的組合以及焊縫寬度,UTS和焊縫的屈服強(qiáng)度都被嚴(yán)格測量。
過程參數(shù)對于焊縫寬度的影響:焊接電流,焊接電壓以及焊接速度對于焊縫寬度的影響可以從圖1-3中看出。并且試驗(yàn)的結(jié)果被制成了表格,其結(jié)果如圖1a-c中的表1所示。當(dāng)電弧電壓被設(shè)定在28V,焊接速度被設(shè)定在55cm/min時(shí)。焊接電流分別為240,280和320A時(shí)的焊縫寬度的變化可以從圖1和表1中看出。當(dāng)焊接電流從240A升為320A時(shí),焊縫寬度從15mm到8mm有一個(gè)顯著的下降,這個(gè)觀察到的現(xiàn)象與Kannan和Murugan在2006年的著作中所描述的現(xiàn)象正好相反。在圖2a-c中,當(dāng)焊接電流和焊接速度分別被設(shè)定為300A和55cm/min時(shí),隨著焊接電壓從34V變到26V,可以觀察到焊縫寬度從最大的17mm到了最小的9mm。所以,隨著電弧電壓從26V升到34V,可以很明顯地觀察到焊縫寬度的增長。在圖3a-c中,焊接電流和電弧電壓分別被設(shè)定為300A和28V時(shí),當(dāng)焊接速度為40cm/min時(shí)焊縫的最大寬度為15mm;當(dāng)焊接速度為50cm/min時(shí),焊縫的最小寬度為7mm。由此可以得出,隨著焊接速度的增加焊縫寬度是不斷減小的,這點(diǎn)可以很方便地從Kannan和Murugan在2006年的著作中得出。本次試驗(yàn)得出的確切數(shù)據(jù)為50mm/min,并且在再一次超過這個(gè)點(diǎn)之后,焊縫寬度開始增加。試驗(yàn)結(jié)果清晰地顯示出在圖12,2a和3b中有不完整的焊縫寬度。這些樣本中的焊縫寬度尺寸比其他的樣本的要小。因而當(dāng)焊接條件與圖1c,2a和3b相似時(shí),卻不能得到好的焊縫成形。圖1b,2b和3c看起來就是最適宜的外形結(jié)構(gòu)。焊縫寬度尺寸在這些樣本中是良好完整的。超出范圍的是不必要的情形,其造成的結(jié)果就是材料的浪費(fèi),成本的提高以及生產(chǎn)重量的增加。這些都是不理想的情況,所以有必要阻止超出范圍的情況。
過程參數(shù)對于焊縫拉伸力學(xué)性能的影響:焊接電流,電弧電壓,以及焊接速度對于UTS和屈服極限的影響可以從圖4-5中看出來。如圖中所示:當(dāng)焊接電流從240A升到320A時(shí)或者隨著電弧電壓從26V加到34V時(shí),在焊件的屈服強(qiáng)度上有一個(gè)顯著的下降。根據(jù)圖6所示,隨著焊接速度從40mm/min提升到60mm/min焊縫的屈服強(qiáng)度有一個(gè)顯著的提高。焊件拉伸力學(xué)性能和屈服強(qiáng)度的提升可能與焊接區(qū)域的圍觀組織變形有關(guān)。根據(jù)公式1,藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的焊接參數(shù)的變化與焊接熱量的輸入的關(guān)系為:
H=60EI/1000S
其中:H=熱輸入(KJ/mm)
E=電弧電壓(V)
I=焊接電流(A)
S=焊接速度(mm/min)
改變焊接熱輸入會(huì)影響到焊件的機(jī)械性能和冶金組織。焊接熱輸入影響焊縫熔池形成速率。等式2顯示了預(yù)熱溫度,熱輸入和熔池形成速率的關(guān)系(Funderburk,1999)。這兩個(gè)變量(焊接熱輸入和預(yù)熱溫度)與其他的參數(shù):材料厚度,特性溫度,密度以及導(dǎo)熱性能,影響熔池形成速率的關(guān)系為:
R正比于1/(T0H)
其中:R=熔池形成速率(C/Sec)
T=預(yù)熱溫度(C)
H=熱輸入(KJ/mm)
熔池形成速率是決定焊接金屬最終微觀組織和機(jī)械性能的基本因素。一旦熱輸入增加,對于某一給定的焊接金屬來說熔池形成速率就會(huì)下降(Funderburk,1999)。大部分的馬氏體組織和雙生相組織會(huì)減少,焊接區(qū)域微觀組織的晶粒粗化現(xiàn)象會(huì)增加。焊接過程中的熱輸入與拉伸力學(xué)性能的關(guān)系可從Funderburk在1999年的著作中得到。該實(shí)驗(yàn)在焊接參數(shù)為20A,28V和55cm/min,氣壓為520.2和357MPa的條件下獲得的最大的屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
結(jié)論
本試驗(yàn)采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊,焊接材料為低碳鋼,根據(jù)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
1、 在藥芯焊絲氣體保護(hù)焊中電弧電壓或者焊接電流的增加會(huì)導(dǎo)致焊件的屈服強(qiáng)度的顯著下降,但是焊接速度對于拉伸力學(xué)性能的影響與其他的過程參數(shù)對于焊件的拉伸力學(xué)性能的影響正好相反。當(dāng)焊接速度增加時(shí),屈服強(qiáng)度也隨之增加。
2、 焊縫寬度隨著焊接電流在240到320A間變化,從15mm下降到8mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳的焊接電流為280A。
3、 焊縫寬度隨著電弧電壓在26到34V間變化,從9mm增加到17mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳的電弧電壓為30V。
4、 焊縫寬度在焊接速度增加到50cm/min這一過程時(shí)會(huì)下降,并且在到達(dá)這一點(diǎn)之后焊縫寬度會(huì)開始變大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最大的焊縫寬度為焊接速度取40cm/min時(shí)的15mm。
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