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      水下濕法FCAW焊接速度對熔池動力學和焊接質量的影響

      水下濕法FCAW焊接速度對熔池動力學和焊接質量的影響

      Changsheng Xua,b , Ning Guoa,b,c, *, Xin Zhangb , Haiyue Jianga,b , Yanbo Tana,b , Li Zhoua,b,c

      摘要:研究了焊接速度對水下濕藥芯焊絲電弧焊熔池動力學、焊縫成形和熔敷金屬中擴散氫含量的影響。隨著焊接速度的提高,熔池被拉長,凝固速度加快??焖倌炭梢詼p少FCAW過程中氣泡和氣體擾動,從而提高熔池的穩定性,但同時也增加了熔敷金屬中的氫含量,增加了焊縫的擴散氫含量。根據焊縫余高的變異系數,隨著焊接速度的提高,焊縫成形先得到改善,然后惡化。焊接速度越低,焊縫越容易產生鼓包,焊接速度越高,越容易產生凹坑。缺陷的發生與熔池行為密切相關,而熔池行為由熔池角度決定

      正文

      介紹

      由于水下焊接技術的發展,水下焊接技術得到了越來越多的重視。Rowe和Liu[4]報告說,UWW因其成本低、操作簡單、生產率高、設備簡單而被廣泛用于近海結構物的維護和維修。因此,近年來人們進行了許多相關的研究。郭等。建立了基于X射線成像技術的UWW熔滴過渡監測系統,該系統被廣泛應用于揭示弧焊熔滴過渡過程[5-8]。Wang等人。[9–11]描述了水下焊接電弧氣泡,并試圖通過機械約束保持較大的電弧氣泡來保護熔池。此外,陳等。[12] 設計了一種模擬電弧氣泡約束裝置,建立了電弧氣泡行為與超寬帶金屬轉移之間的關系。mazzaferond Machado[13]通過分析實時電信號和快速傅立葉變換頻譜來估計UWW電弧穩定性。Guo等人[14]還采用了四種方法來測定uww過程中的電弧穩定性,并研究了水溶液中硼酸含量對電弧穩定性的影響。郭等。[15] 指出UWW中有三種飛濺模式,認為熔池沖擊飛濺是UWW最常見的飛濺模式。在此基礎上,賈等。[16,17]綜合分析了考慮氣泡、液滴和電弧在不同焊接參數下的相互作用的超寬焊接飛濺損失形成機理。托姆克韋特·阿爾?!?8–20】為提高S460ML鋼的可焊性,在超寬焊接期間采用回火堆焊技術。

      上述研究揭示了超高壓水射流技術的一些特點,而對熔池行為的研究卻鮮有報道。目前制約超寬焊接技術應用的問題很多,如焊縫成形差、性能差等,熔池的動態行為與焊縫質量和焊縫成形密切相關。超臨界水是由熔化、流動、蒸發、界面反應和凝固等幾個化學或物理過程組成的。這些過程同時發生,使得很難測量或模擬焊接過程。關于UWW-moltenpool的研究很少。趙等。[21]采用三維瞬態CFD方法對水下濕法焊接過程中熔池的流動進行了數值模擬。先前的實驗[22]已經原位觀察了UWW的熔池行為,發現水下熔池由氣泡組成,而不是液態金屬。然而,對于熔池的更多特性,如研究不同焊接參數下熔池的穩定性等,都是亟待深入研究的課題。

      焊接參數是決定焊接接頭質量的關鍵和不可忽視的因素。對于UWW,Omajene等人。[23]采用神經網絡方法優化焊接工藝參數.郭等等。[8] 建立了UWW焊接過程中電弧電壓與焊接電流及金屬過渡模式之間的關系。Zhang等人[24]研究了焊接幾何和微觀結構對熱輸入和金屬傳遞的依賴性嗯。而且,?wierczynska等人。研究了焊接工藝參數對UWW熔敷金屬中擴散氫含量的影響。Mendon?a和Bracarense[26]探討了與焊接參數變化相關的形成頻率和形成氣泡大小之間的關系。他們的結論是,通過控制焊接參數,優化氣泡直徑和提高電弧保護是可行的。在眾多的焊接工藝參數中,焊接速度對焊接工藝和焊接質量有著重要的影響,尤其是對于UWW而言,焊接速度更是備受關注。郭等。[27]研究了焊接速度對UWW中金屬轉移模式的影響,發現較大的焊接速度將促進寬角度球形排斥轉移模式的產生。Wang等人。[11] 探討了氣泡動力學與焊接速度的關系。他們指出,氣泡的幾何尺寸與焊接速度有關,這影響了焊接過程穩定性。因此由此可見,焊接速度對熔池動力學有很大的影響。因此,本文對不同焊接速度下超寬焊接熔池動態行為進行了研究。在此基礎上,闡明了焊接熔池中氫含量與焊接速度的關系

      材料和方法

      1 濕焊試驗

      試驗中所用304不銹鋼的力學性能與母材成分無關。填充材料是一種直徑為1.6mm的CaF2-Al2O3渣自屏蔽藥芯焊絲,是自行研制的超寬帶專用藥芯焊絲。在直流正極(DCEP)條件下進行了UWW實驗。焊接工藝參數如表2所示。在幾組實驗中,焊接速度在1mm/s到3mm/s之間變化,而其他焊接參數則是固定的。

      這個實驗是在X射線觀察系統中進行的[22]。焊接過程中,母材固定,焊槍沿設計的直線路徑運動。采用X射線高速攝像系統采集焊接過程中熔池的圖像。實驗裝置如圖1所示。

      2 數據測量

      在描述熔池行為的方法上,提出了一種通過記錄熔池某一固定點的高度變化來探索熔池運動的方法游泳池如圖所示。2.選擇熔池中的一個隨機位置作為非靜態位置(線I),該位置在焊接過程中相對于x射線照片中的邊緣是恒定的。垂直線I與熔池上表面的交點被定義為a點,工件平面被定義為基準面。從熔化到凝固,計算了a點相對于基準面的高度(h)分布。熔化前h值為0,如圖所示。2(a),等于固化后的焊縫余高值,如圖所示。2(c)。當熔池發生波動時,無論該點在熔池中的哪個位置,都不可避免地使該點的熔池金屬上下波動。因此,用該方法得到的點的波形圖能反映熔池的流動情況。

      表一 304不銹鋼的主要成分

      表二 焊接參數

      image.png  

      3 擴散氫的測定

      根據GB/T 3965-2012,采用氣相色譜法測定熔敷金屬中擴散氫含量。試樣尺寸如圖所示。3、為超寬帶實驗做準備。試樣由arun-on-piece、平板、兩個試樣和一個徑流板組成。焊接完成后,在一分鐘內將試件敲碎并清理干凈,然后密封在取樣器中。然后,將取樣器置于60℃恒溫箱中72小時,使熔敷金屬中的擴散氫完全釋放出來。最后,將采樣器連接到NCS-HD-6型擴散氫分析儀上檢測擴散氫含量。

      結果與討論

      1 熔池動態行為

      圖4以焊接速度為1mm/s和3mm/s的焊接過程為例,展示了不同焊接速度下UWW中熔池的動態行為。為了區分母材、凝固金屬和熔池,焊縫邊界和熔池邊界分別用白色虛線和紅色虛線標記在所有X射線圖像上,如圖所示。4(a)、(c)。還有無花果。4(b),(d)給出了圖表,以清楚地了解熔池的特征。

      每個過程都包含一個液滴轉移過程。熔池的熔池流動主要是由于熔池中氣體的運動和液滴的沖擊[22]。通過大量的圖像觀察,我們發現熔池中氣體的運動和液滴的沖擊不是獨立的,熔池中的氣體主要是由液滴引起的。如圖所示。4(a),熔池在t0+38時進入熔池,t0+58時熔池中的氣體聚集在一起,t0+90時熔池中的氣體排出。這個過程如圖4(c)所示。一方面,液滴中充滿了氣體[28],這些氣體將與液滴一起被帶到水池中。另一方面,液滴的液態金屬在進入熔池時逐漸流入熔池尾部。在此過程中,由于熔池溫度的變化,氣體在液態金屬中的溶解度顯著下降。因此,當一個新的液滴過渡到池中后,在池的末端會產生大量的氣泡。液滴中的溫度相對較高,并且加入了更多的氫化物。進入熔池后溫度降低,大量氫氣逸出,形成氣泡。因此,每個液滴進入熔池后,都會有一個氣體積聚的過程,使熔池發生畸變。雖然這一過程發生在所有的熔池中,但熔池和氣體的狀態隨著焊接速度的不同而變化。隨著焊接速度的增加,熔池逐漸變長,形狀也相應變平。此外,值得注意的是,當焊接速度較低時,總是有氣泡填充在孔中,如圖所示。4(a),(b),當焊接速度較大時,氣體排出后不會產生新的氣泡,如t4+230時所示。4(c)、(d)。

      從圖中可以明顯看出,隨著焊接速度的增加,熔池長度變大。焊接速度對熔池長度的影響如圖所示。5其原因是當焊槍和工件相對靜止時,熔池表面的二維形狀可以近似為圓形。當焊槍與工件相互移動時,由于電弧軸線與熔池中心線的相對偏移,熔池的形狀將被拉長成橢圓形。隨著焊接速度的增加,焊接力與熔池中心線的相對距離增大,導致熔池變長。

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      圖片1 水下X射線透照實驗系統。

      2 熔池穩定性

      圖中給出了不同焊接速度下熔池表面高度和熔池內固定點的標準偏差曲線圖。6和7。

      隨著焊接速度的增加,固定點的移動時間逐漸變小。根據熔池的長度和凝固點的移動時間可以得出,隨著焊接速度的增加,熔池的凝固速度將顯著提高。這是因為隨著焊接速度的加快,進入熔池的熱量逐漸減少。另一方面,由于熔池末端液態金屬凝固速率的提高,熔池長度逐漸增大,因此傳遞到熔池背面的熱量明顯減少。

      從實驗數據結果可以看出,隨著焊接速度的增加,標準偏差逐漸減小,反映出熔池運動強度逐漸減弱,熔池運動趨于穩定。這主要有兩個原因。一方面,隨著焊接速度的增加,熔池長度逐漸增加,這將降低熔池運動的嚴重性。另一方面,隨著焊接速度的提高,焊縫余高逐漸減小。在熔池中很難產生大的氣泡,熔池的流動性明顯增強虛弱。這些兩種原因共同作用,使得焊接速度越快,標準偏差越小,熔池振蕩越弱。

      3 擴散氫含量

      測量了不同焊接速度下熔敷金屬中擴散氫的含量。最終結果如圖所示。8.發現隨著焊接速度的增加,熔敷金屬中擴散氫的含量逐漸增加,這與?wierczynska等人的研究一致。[25]。原因主要是接下來。首先,當焊接速度較大時,熔池迅速冷卻,如上所述。液滴攜帶氫氣進入熔池后,會在短時間內凝固,氫氣不會從熔池中流出,因此留在熔敷金屬中。然后,如圖所示。隨著焊接速度的增加,熔池的穩定性逐漸變好,即熔池波動較小。熔池的攪動主要是由氣體的運動引起的,也就是說,隨著焊接速度的增加,熔池中過流的氣體量減少。隨著焊接速度的增加,焊接熱輸入減少,熔池長度增加,熔池溫度降低,表面張力增大,進一步防止了熔池中氫氣的溢出??傊?,隨著焊接速度的增加,熔池中的氫含量會溢出。因此,隨著焊接速度的增加,擴散氫含量逐漸增加。值得注意的是,當焊接速度低于2.0mm/s時,熔敷金屬中的擴散氫含量處于較低水平。

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      圖2熔池流動性評價示意圖(a)熔池前面的統計點,(b)熔池中的統計點,(c)熔池后面的統計點。

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      圖3氣相色譜法測定擴散氫含量試樣尺寸圖

      4 焊縫成形

      在底板上堆焊后,觀察焊縫成形。實驗中發現,當焊接速度太?。?.5 mm/s)或焊接速度過大(3.5 mm/s)時,焊接過程極不穩定,不可能發生已完成。因此選擇的焊接速度在1mm/s~3mm/s之間,坡度為0.5mm/s。不同焊接速度下的焊縫成形圖如圖9所示

      為了量化焊縫成形的程度,測量了焊縫高度的變化系數來描述焊縫成形的具體情況。具體方法是在同一焊縫上選幾個點(本文中相鄰兩點的距離為1mm),用游標卡尺直接測量各點的殘余高度,然后計算測量數據,得到標準偏差和平均值。

      根據相關公式,得到了變異系數。系數越小,說明焊縫表面越光滑,變化越均勻。具體計算公式為:

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      式中,Va為殘余變異系數;Ai為測得的殘余高度分布序列;ea是ai的平均值;σais是ai的標準偏差;是點數。

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      圖4不同焊接速度下熔池的動態特性(a)、(b)X射線圖像和1mm/s、(c)、(d)X射線圖像和3mm/s示意圖。

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      圖5不同焊接速度下熔池長度。

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      圖6不同焊接速度(a)1 mm/s,(b)1.5 mm/s,(c)2 mm/s,(d)2.5 mm/s,(e)3 mm/s.c.Xu,et.在不同焊接速度下熔池點表面高度的示波圖期刊制造工藝55(2020)381–388385

      可見,當焊接速度較小時,隨著焊接速度的增加,焊縫補強的變異系數先減小,說明焊縫成形趨于良好,如圖所示。10隨著焊接速度的進一步提高,焊縫余高的變異系數增大,說明焊縫成形質量狀況逐漸惡化。

      通過對不同焊接參數下的焊縫成形和熔池圖像分析,發現當焊接速度為1.5mm/s和2mm/s時,上述焊縫表面不均勻現象多次出現

      在焊接過程中。但對焊縫成形的影響較小。在這兩種速度(1.5mm/s和2mm/s)下,殘余變化系數較小,焊縫成形良好。相比之下,當焊接速度為2.5mm/s和3mm/s時,焊接殘余變異系數較大,焊縫成形良好。

      測量焊縫的深寬比發現,隨著焊接速度的增加,熔深值先增大后減小,焊縫的深寬比也有相同的趨勢,如圖所示。11這是因為當焊接速度較小時,熔池上方積聚的液態金屬過厚,熱量不能直接作用于母材,導致熔深較淺。隨著速度的增加,熔池上方的液態金屬變薄,熔深逐漸增大。隨著焊接速度的不斷提高,熱輸入減少,熔深逐漸減小。

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      圖7熔池穩定性與焊接速度的關系。

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      圖8不同焊接速度下熔敷金屬中的擴散氫含量

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      圖9.不同焊接速度下的試樣外觀(a)1 mm/s,(b)1.5 mm/s,(c)2 mm/s,(d)2.5 mm/s,(e)3 mm/s

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      圖10.焊縫余高變化系數與焊接速度的關系。

      獲得平焊的前提是熔池凝固的界面與凝固高度一致表面。那個氣體在熔池中的移動導致熔池界面過高和過低是焊接接頭中產生預緊和凹陷的主要原因[22]。如上所述,當焊接速度較低時,熔池較短,且熔池中有大量氣體溢出,使熔池中的液態金屬容易被氣體提起,從而容易形成凸形,如圖所示。12(a)條。當焊接速度太快時,應注意。12(b),一方面,熔池中氣體較少,熔池容易坍塌。另一方面,熔池越長,冷卻速度越快,會使熔池的尾金屬低于固溶焊縫表面形成凹坑。

      從圖中可以看出。12(a),(b),焊道的形成與熔池的形狀密切相關。通過對熔池動態圖像的進一步觀察,發現在不同的焊接條件下,熔池的角度存在顯著差異速度。定義熔池角度為θ

      image.png 

      h1為焊縫余高;h2為焊接熔深;li為熔池長度,如圖所示。12(c)。

      計算不同焊接速度下tanθ的值,結果如圖所示。13可以清楚地看到,隨著焊接速度的增加,熔池的角度將逐漸增大減少。合并根據焊縫成形結果的情況,可以得到如下結果。焊接速度較小時,熔池角度較大。隨著焊接速度的增加,熔池角θ逐漸減小,焊縫成形性逐漸改善。進一步提高焊接速度,熔池角度繼續減小。然而,焊縫成形質量逐漸下降。當tanθ在0.5~0.6范圍內時,有利于焊縫成形。

      當熔池角度較小時,熔池較淺且較長。由于熔池較淺,氣泡的運動會使熔池表面產生較大的波動。另外,在熔池冷卻速度快的情況下,熔池尾部液態金屬容易凝固,導致焊縫表面起伏較大。同時,當焊接速度過大時,moltenfillermetal無法形成連續焊縫,如圖所示。4(e)條。但由于焊接角度過大,熔池長度過短,使得熔池中的金屬液只在一個小范圍內發生熔滴。其運動行為劇烈且不穩定,嚴重影響了焊縫質量。因此,熔池角度應保持在一定范圍內,以利于焊縫成形。

      得到了熔池角度對熔池整體形成的影響。當焊接速度較小時,熔池角度較大。隨著焊接速度的增加,θ值逐漸減小,焊縫成形逐漸得到改善更好。增加隨著焊接速度的進一步提高,熔池的角度繼續較小,但焊縫成形情況較差。tanθ在0.5~0.6范圍內,有利于焊接成形。

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      圖11:焊接熔深和焊縫深寬比與焊接速度的關系。

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      圖12.焊縫成形與熔池動力學關系示意圖(a)低速焊接熔池,(b)高速焊接熔池,(c)熔池角度定義。

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      圖13焊接速度對熔池角度的影響。

      結論

      1熔池長度隨焊接速度的增加而增加,而凝固時間和熔池的流動性則縮短。

      2隨著焊接速度的增加,擴散氫含量從1mm/s時的1.9ml/100g逐漸增加到3mm/s時的8.2ml/100g,提高了4倍。這是因為從熔池中溢出的氫越少,凝固速度越快,熔池的穩定性越差。

      3根據超高變異系數,在2mm/s的焊接速度下得到了優化的焊縫。焊接速度較低時,焊縫缺陷主要為喇叭形缺陷,當焊接速度超過2mm/s時,缺陷占主導地位,這是由于焊接速度較低時,熔池內氣體積聚較多所致。

      4熔池的形狀以熔池的角度為特征。結果表明,熔池角為0.5~0.6時,焊縫成形良好。


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