CN113649725A - 一种改善薄板钢材gmaw电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法 - Google Patents

一种改善薄板钢材gmaw电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善薄板钢材GMAW电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法，属于薄板电弧焊接技术领域，适用于焊接结构的抗疲劳设计以及焊接工艺的制定与质量控制。该工艺针对薄板钢材电弧焊过程中对接接头常呈现焊道较窄且余高较高，焊趾处过渡突变明显等现象，基于改变熔池受力状态进而改变熔池流动行为，最终改善焊缝几何形貌的思想。通过调整待焊工件的实际焊接位置，增加焊接倾斜角度，在合理的焊接工艺参数范围内，获得足够焊缝填充金属量的同时，改善了焊缝形貌。焊缝连续均匀且无明显焊接缺陷，焊缝宽度增大同时余高减小，焊趾处过渡更加“平滑”，应力集中系数减小，接头疲劳性能提高。本发明对于提高薄板钢材电弧焊对接接头的疲劳性能与使用寿命具有重要的参考价值和指导意义。

Description

一种改善薄板钢材GMAW电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法
技术领域
本发明提出了一种改善薄板钢材GMAW电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法，属于薄板电弧焊接技术领域，适用于焊接结构的抗疲劳设计以及焊接工艺的制定与质量控制。
背景技术
焊接结构作为材料连接的主要方式之一，广泛应用于航空制造、轨道车辆和海洋船舶等各大领域。据统计，工程上有45％的结构失效与焊接接头相关，而焊接接头的主要失效形式，50％-90％则是由疲劳引发的裂纹扩展与破坏。由于疲劳断裂常常是突然发生，在结构断裂之前没有明显的塑性变形。因此，结构一旦产生疲劳断裂不仅会造成巨大的经济损失，更可能造成人员伤亡。故在工程上，衡量焊接结构性能的一个重要指标就是焊接接头的疲劳强度。
焊接接头的特征之一是产生几何形貌的变化，焊缝余高的存在会使截面几何尺寸突变而在结构上产生应力集中，应力集中现象会一定程度上降低焊接接头的疲劳强度，从而影响结构的疲劳性能，成为结构的“危险环节”。国内外研究表明，焊接接头焊趾处最易产生应力集中现象，而焊缝的几何形状直接决定了焊趾处的应力集中系数。尤其对于高强铝合金等材料，其焊接接头的疲劳强度强烈的依赖于焊缝的几何特征。通常随着焊缝余高的增大，焊趾处的过渡半径与过渡角与会随之变化，焊趾处的应力集中系数增大，接头的疲劳性能不同程度的降低。
针对上述问题，采用诸如等离子弧焊、TIG焊和激光焊等焊接工艺，可以获得余高较小且焊趾处过渡平滑的接头形貌。与此同时，应用超声锤击、机械加工、和低相变点填充材料等措施也能改善焊趾处的应力分布状态，以提高焊接接头的疲劳性能。但上述方法或成本较高，或在一定实际生产场合适用性较差，常难以应用于实际焊接生产当中。
寻求一种低成本、高效率、适用性强且可靠性高的工艺方法以优化实际生产过程中焊接接头的几何形貌，对于改善接头焊趾处的应力集中现象，提高焊接接头的疲劳强度，提升产品的使用寿命具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于背景技术的局限性，本发明提出了一种改善薄板钢材GMAW电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法，基于改变实际焊接过程中熔池流动状态以改变焊缝几何形貌的思想，通过引入一定的工件倾斜角度，搭配合理的焊枪姿态和焊接参数，获得连续均均的焊缝形态，焊缝余高减小，焊趾处过渡角度增大，过渡更加“平滑”，从而减小焊趾处的应力集中，优化焊接接头的疲劳性能，提高接头的疲劳寿命。本工艺方法具有灵活性好、适用性强和成本低等优点。
本发明的技术方案为：
一种改善薄板钢材GMAW电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法，分别采用厚度为1.5mm和1.8mm厚度低碳钢板作为焊接母材；焊接接头形式为对接，无间隙；采用GMAW电弧作为焊接热源；实际焊接参数范围：焊接电流为140A-180A，焊接电压为20V-24V，焊接速度为22-25mm/s，焊丝直径为1.2mm，干伸长为13-15mm，保护气体为80％Ar+20％CO2混合气，流量为15-20L/min；设置工件焊接倾角为0°和25°作为对比，焊枪行走角与工作角为90°保持不变。
进一步地，所述的待焊工件倾斜角度和焊枪姿态采用量角器进行设定，以实现对接焊过程中待焊工件位置与焊枪角度的变化。
进一步地，所采用的GMAW焊接设备为福尼斯TPS5000数字化焊机，焊接机器人为安川MOTOMAN-GP12/AR1440六轴机器人。
进一步地，焊接过程中的具体焊接参数通过焊机进行直接设置，具体焊枪姿态和焊接路径通过机器人面板进行直接设置。
进一步地，增加工件倾斜角度的同时需要适当调整焊接参数以保证焊接热输入与焊缝金属填充量的稳定。
进一步地，焊接完成后，对焊缝进行金相试样制备，对焊缝宏观成形以及横截面金相形貌进行观察、拍摄。
进一步地，根据焊接接头实际横截面形貌建立对应的疲劳试片件几何模型，应用有限元软件计算单位载荷下焊接接头的应力分布状态，求解焊趾处的应力集中系数。采用应力集中系数对接头的疲劳性能进行表征。
本发明的有益效果为：首先，增加待焊工件的倾斜角度等效于增加了实际焊接过程中板材的厚度，这将提高实际焊接过程的稳定性。其次，一定的倾斜角度可以改变实际焊接过程中熔池的受力状态，进而影响焊接熔池的流动行为，改善实际接头形貌，减小焊缝余高，焊缝与母材之间过渡更加平滑，降低焊趾处的应力集中系数。同时能够减少熔池尾部出现的液体堆积，减小咬边、驼峰焊道等焊接缺陷的产生的可能性。
附图说明
图1薄板钢材对接焊工艺方法示意图
图2实施例1-实施例2焊缝表面及背面宏观形貌
图3实施例1-实施例2焊缝横截面金相形貌
图4实施例1-实施例2对接接头应力集中系数仿真结果
图5实施例1-实施例2对接接头沿焊趾处应力分布曲线
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明
实施例1
采用1.8mm厚度DC01EK低碳钢薄板作为焊接母材，通过线切割方式将试样规格加工至350mm×150mm×1.8mm，接头形式为对接；焊前对母材表面进行机械清理，并采用乙醇对母材表面进行擦拭，以去除表面氧化物和油污等杂质。
焊接采用TPS5000数字化GMAW焊机与安川MOTOMAN-GP12/AR1440六轴机器人，焊丝采用ER50-6，直径为1.2mm。焊接电流为180A，焊接电压为24V，焊接速度为22mm/s，焊丝干伸长为15mm，保护气为80％Ar+20％CO2混合气，流量为20L/min。焊接试板倾斜角度分别为0°和25°，分别记作实施例1-1和实施例1-2。
焊后分别对焊缝表面成形进行拍摄，并通过机械切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀等流程制备焊缝金相试样，拍摄横截面金相形貌。
根据焊缝横截面形貌建立对接接头拉伸件几何模型，应用有限元分析软件，计算焊趾处应力集中系数，评定焊接接头疲劳性能。
实施例2
采用1.5mm厚度TC300低碳钢薄板作为焊接母材，通过线切割方式将试样规格加工至350mm×150mm×1.5mm，接头形式为对接；焊前对母材表面进行机械清理，并采用丙酮对母材表面进行擦拭，以去除表面氧化物和油污等杂质。
焊接采用TPS5000数字化GMAW焊机与安川MOTOMAN-GP12/AR1440六轴机器人，焊丝采用ER50-6，直径为1.2mm。焊接电流为140A，焊接电压为22V，焊接速度为22mm/s，焊丝干伸长为15mm，保护气为80％Ar+20％CO2混合气，流量为20L/min。焊接试板倾斜角度分别为0°和25°分别记作实施例2-1和实施例2-2。
焊后分别对焊缝表面成形进行拍摄，并通过机械切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀等流程制备焊缝金相试样，拍摄横截面金相形貌。
根据焊缝横截面形貌建立对接接头拉伸件几何模型，应用有限元分析软件，计算焊趾处应力分布状态和应力集中系数，并依据此评定焊接接头疲劳性能。
实施例1-实施例2所得到的焊缝表面及背面形貌如图2所示，横截面金相形貌如图3所示，焊趾处应力集中系数计算结果如图4和图5所示。
从图2-a和图3-a中可以看出，焊缝表面成形良好，接头内部无明显焊接缺陷。对于1.8mm厚板材对接接头，相比于倾斜角度为0度的实施例1-1，采用25度倾角时，实施例1-2的焊接接头形貌发生了明显变化，焊缝更加“扁平”。焊缝余高减小17.2％，宽度增加54.4％，母材与焊缝的过渡角增大10.9％。
同上，从图2-b和图3-b中可以看出，焊缝表面成形良好，接头内部无明显焊接缺陷。对于1.5mm厚板材对接接头，相比于倾斜角度为0度的实施例2-1，采用25度倾角时，实施例2-2的接头焊缝余高减小52.5％，宽度增加6.6％，母材与焊缝的过渡角增大20％。
从图4-a和图5-a可以看出，相比于倾斜角度为0度，采用25度倾角时焊接接头焊趾处的应力集中系数发生了变化。对于1.8mm厚板材对接接头，焊趾处最大应力值由1.43MPa(实施例1-1)降至1.34MPa(实施例1-2)，应力集中系数减小6.29％，有助于疲劳性能提升。从图4-b和图5-b可以看出，对于1.5mm厚板材对接接头，焊趾处最大应力值由1.38MPa(实施例2-1)降至1.21MPa(实施例2-2)，应力集中系数减小12.31％，有助于疲劳性能提升。
实施例结果分析表明，本发明所提出的基于改变焊接工件倾斜角度从而减小焊趾处应力集中系数的工艺方法具有一定的可靠性和适用性。在合理的焊接参数范围内，适当的改变工件的倾斜角度可以调节焊缝的几何形态，使焊缝与母材过渡更加平滑，改善焊趾处的应力分布状态，最终提高焊接接头的疲劳性能以及结构的疲劳寿命。
以上所述，仅是本发明的部分实施例，并非本发明任何形式上的限制。任何熟悉本专业领域的人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种改善薄板钢材GMAW电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法，其特征在于：焊接母材为1.8mm厚度DC01EK低碳钢薄板，采用对接接头形式；采用GMAW电弧作为焊接热源，采用ER50-6焊丝，直径为1.2mm。焊接电流为170A-180A，焊接电压为22V-24V，焊接速度为22mm/s，焊枪行走角与工作角分别为90°和90°，试板倾斜角度为25°，干伸长为15mm，保护气为80％Ar+20％CO2混合气，流量为15-20L/min。
2.一种改善薄板钢材GMAW电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法，其特征在于：焊接母材为1.5mm厚度TC300低碳钢薄板，采用对接接头形式；；采用GMAW电弧作为焊接热源，采用ER50-6焊丝，直径为1.2mm。焊接电流为140A-150A，焊接电压为20V-22V，焊接速度为22mm/s，焊枪行走角与工作角分别为90°和90°，试板倾斜角度为25°，干伸长为15mm，保护气为80％Ar+20％CO2混合气，流量为15-20L/min。
3.根据权利要求1和2所述的一种改善薄板钢材GMAW电弧焊对接接头疲劳性能的工艺方法，其特征在于，通过增加焊件在实际焊接过程中的倾斜角度，改变熔池的受力状态，从而改变熔池的流动行为，最终改善实际焊缝形貌，降低接头焊趾处的应力集中系数，提高接头的疲劳性能与使用寿命。特别地，不同的焊件倾斜角度需要匹配相应的焊接参数范围和焊枪姿态。该思想同样可以适用于工件的旋转，如针对环形结构，使工件进行旋转，通过工件的旋转速度来控制焊接速度，同时改善熔池形貌，提高焊缝性能与寿命。
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