中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002
摘要:在长大货车及承受较大动载荷产品生产制造过程中,为满足结构合安全要求、具有良好的承载能力,许多焊缝采用V型坡口形式,不仅焊缝的外观质量需要符合标准要求,焊缝内部质量标准要求非常高。其中,中、厚板材对接焊缝是产品结构中的重要组成部分,如焊接操作不当极易出现焊缝内部缺陷,从而影响使用。为确保中、厚板对接焊缝的焊接质量,本文针对对接焊缝的坡口形式进行优化,从中找出适合焊接操作及易于实现高质量焊接焊缝的坡口形式。
关键词:坡口形式 对接焊缝 生产效率
目前,在焊接构架转向架或长大货车中,曾多次出现中、厚板V型坡口焊缝一次交检合格率低的问题,需经过焊修才能使产品质量达到图纸设计要求,一次交检合格率低,导致现场操作者的劳动强度提高、了焊接材料及辅助材料的消耗增加、工序生产节奏被打乱、影响生产进度等不利因素,无形中增加生产成本。本文对厚板V型坡口焊缝在中存在的问题进行了分析,提出坡口形式优化方案,通过评定试验得到较优的坡口组合形式。
1 V型坡口在厚板施焊中存在的问题
通过对超声波探伤产生焊接缺陷的焊缝情况进行分析,发现V型坡口焊缝易出现的以下问题:
1.1当板材厚度较大时,通常V型坡口对接焊缝单侧板材坡口的加工角度为单边30°,在焊缝根部,焊接过程中焊枪的摆动受到一定的限制。
1.2在通常情况下焊前预热是在板材上表面进行火焰预热,如果预热不充分就会出现厚板上表面的预热温度达标,底层温度要低于上表面温度50—100℃。在此种条件下,焊接打底层时会因为电弧热量不够集中而影响焊缝与板材的熔合。
1.3很多对接焊缝是在产品整体组装后焊接的,为保证产品整体尺寸不变,焊接时必须处于刚性约束状态,这就造成焊缝在焊接前及焊接过程中存有较大的应力无法得到释放,如对打底层焊缝进行打磨,焊缝厚度变薄时在应力作用下会出现裂纹。
2 对接焊缝坡口优化方案
对比的基本形式坡口为现车生产中应用坡口形式,进行改进优化的坡口形式是根据GB/T985坡口加工标准里选取的部分坡口形式进行优化焊接。
基础形式有:1号,板对接单边V型坡口、坡口角度为30°V型坡口、钝边0—1mm;2号,板对接单边U型坡口、坡口角度为R820°U型坡口钝边2mm。
优化对比的坡口形式有:3号选用R812°U型坡口、坡口角度12°根部转角半径8mm、钝边2mm;4号,坡口角度R820°U型+45°V型组合;5号,坡口角度R812°U型+45°V型组合、钝边0—1mm;6号,坡口角度30°V型+45°V型组合、钝边0—1mm;7号,坡口角度20°V型+45°V型组合。
采用根部V型坡口45°是根据焊接过程中焊接打底层的焊缝厚度确定的,由于打底层焊接电流较小,需要控制焊接电弧将两侧坡口边缘熔化,保证根部母材熔合良好,焊接时操作者易观察熔池温度与电弧的稳定性,并提高焊接电弧的穿透效果。考虑到打底层焊缝厚度在3—4mm的情况,因此确定根部厚度应控制在5—6mm效果较好。
3 优化数据基础分析
3.1 不同坡口形式在施焊过程中的温度对比
检测不同坡口形式在统一条件下(不采用预热条件)进行焊接,分别在起弧处、焊缝中间及收弧处3点进行测温。测温方式:起弧处温度是在焊接到板长200mm处进行测温、焊缝中间处温度是在焊接到收弧处时测温、收弧处的温度是在焊接停止后10秒进行测温。
测温点按2线6点进行测温,第一条线为打底层焊缝、第二条线为距板底边10mm位置。在测完打底层的温度后直接测量周围区域的温度变化。为保证试验具有可对比性,按打底层的焊接速度相近的试件分3组进行比对。即:第一组常规1号30°V型坡口与7号20°V型+45°V型坡口组合;第二组常规2号R820°U型坡口与3号R812°U型坡口 ;第三组4号R820°U型+45°V型坡口、5号坡口角度R812°U型+45°V型坡口组合及6号30°V型+45°V型组合。
温度对比试验根据焊接速度相近试件进行,分成三组进行对比。从温差对比可以得出2号—6号试件在焊接时间、焊接工艺参数及根部间距相近的状态下数值的变化基本相同,在表5.1中在焊接速度一致的条件下7号试件的侧量温度要比其他试件均高出20℃。即:V型坡口30°的散热速度要快一些。
3.2 不同坡口焊接外观成形及可操作性
1号试件焊接打底层过程中,焊接电弧的稳定性较好,焊接电弧能够熔化坡口边缘1—2mm,且焊缝熔合状态较好。主要问题在于焊接填充层时由于打底层焊缝宽度较窄,焊缝两侧与母材的夹角深,极易在施焊时造成熔化金属倒前、电弧在夹角处的穿透力不够、焊枪摆动幅度受到限制,形成层间未熔合缺陷。难点:第一道填充层的焊接熔化金属倒前。
2号、3号试件打底层焊接时焊枪的摆动不受坡口面的限制,焊工的观察角度较好。填充层及盖面层的焊接操作时熔化金属的可控性好,能够有效的控制焊接电弧的指向。难点:钝边为2mm不易承载熔化金属,背面易形成未熔合及焊瘤。
4号--7号试件4组试件在焊接打底层时,焊接电弧在根部的摆动不受坡口面的限制,焊缝两侧熔合较好,焊缝与坡口面是平滑过渡的。与30°V型坡口相比要便于操作,填充层、盖面层的焊缝与母材夹角浅而小,不需要打磨便可焊接。从焊缝的正面成形进行观察4号—6号试件正面较宽,7号试件正面焊缝正常。背面焊缝成形均存在局部凸起,与U型坡口相比较好。
3.3 不同坡口组合的焊接材料消耗对比
表1焊缝填充量与焊丝消耗量对比
序号 | 坡口形式 | 焊前(Kg) | 焊后(Kg) | 焊丝 消耗量 | 焊前(Kg) | 焊前(Kg) | 试件 对比值 |
1 | 30°坡口 | 9.485 | 8.080 | 1.405 | 30.025 | 31.350 | 1.325 |
2 | 20°U型坡口 | 8.080 | 6.465 | 1.615 | 28.985 | 30.500 | 1.515 |
3 | 12°U型坡口 | 6.465 | 4.910 | 1.555 | 29.170 | 30.635 | 1.465 |
4 | 12°U型坡口与45°坡口组合 | 4.760 | 2.860 | 1.900 | 29.300 | 31.095 | 1.795 |
5 | 20°U型坡口与45°坡口组合 | 15.175 | 13.300 | 1.875 | 29.300 | 31.090 | 1.790 |
6 | 30°坡口与45°坡口组合 | 13.300 | 11.545 | 1.755 | 29.825 | 31.465 | 1.640 |
7 | 20°坡口与45°坡口组合 | 11.545 | 10.235 | 1.310 | 29.200 | 30.450 | 1.250 |
通过表1计算7组试件在焊前、焊后的重量测量及焊丝的消耗统计,组合类的4组试件中4号、5号、6号的焊材消耗量较30°V型坡口大 ,7号试件在对比试验中焊丝的消耗量为最少。在操作的角度6号、7号的组合坡口对焊接技能的要求不是很高,较为实用。
4 不同坡口组合焊缝金属性能分析
为验证不同坡口组合的焊接接头力学性能,分别制备了4号—7号进行焊接接头性能试验,试验内容包括射线探伤、拉伸试验、弯曲试验、硬度、宏观金相,其结果如下:
4.1焊缝无损检测射线探伤
依据GB/T 3323-2005《金属熔化焊接接头射线照相》标准对7组试件的对接焊缝进行射线探伤,发现焊缝中存无裂纹、未熔合、等缺陷,检测结果为Ⅰ级。
4.2力学性能
力学性能试验针对4号—7号组合试件结果:焊接接头整个硬度区间在162-233之间,依据ISO 15614-1:2004《金属焊接工艺规程及评定-焊接工艺评定试验-第一部分:钢的弧焊和气焊、镍及镍合金的弧焊》第7.4.6条硬度试验的要求,硬度允许的最大值(HV10)为380,因此,硬度检测合格;焊缝抗拉强度最低值516Mpa,依据GB 1591-2008低合金高强度结构钢标准,高于Q345E母材的要求值≥335MPa,且断裂部位在母材上检测结果合格;弯曲试验结果完好;冲击试样标准值为-40°、≥34(J),实测最小值为53(J)、最大值为115.3(J),均符合标准要求。
5 结束句
通过组合坡口的试件在焊接过程的分析,7号件具有较好的操作性。打底层时焊枪的摆动不受坡口面的阻碍与V型30°坡口相比活动范围加大了。在易出现焊接缺陷的第一道填充层焊接时,焊道可分为2道施焊有效的避免了一道施焊时产生的熔化金属倒前现象。对焊工的操作技能要求有所降低。消耗焊材较少。可以减少焊接生产成本。根据射线探伤、宏观金相、力学性能检测结果,组合坡口试件均达到标准要求,证明采用组合坡口的接头形式可以应用到现车生产中。
参考文献
1 刘云龙.焊工技师手册.北京:机械工业出版社,2000.
2 王春山,陈雷.铁路重载提速货车技术.北京:中国铁道出版社,2010.
3 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册.北京:机械工业出版社,2014.