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不锈钢焊接管的工艺过程对气孔的影响
时间: 2019-03-21 10:08 浏览次数:
气孔是焊接过程中经常遇到的一种焊接缺陷,如果工艺过程控制不当,在奥氏体不锈钢焊接管的焊缝中,可能出现气孔,焊缝中的气孔不仅会削弱焊缝的有效截面积,同时也会带来应力
气孔是焊接过程中经常遇到的一种焊接缺陷,如果工艺过程控制不当,在奥氏体不锈钢焊接管的焊缝中,可能出现气孔,焊缝中的气孔不仅会削弱焊缝的有效截面积,同时也会带来应力集中,从而降低焊缝金属的强度和韧性,严重时,气孔还可能会引起裂纹。
 
奥氏体不锈钢焊接管焊缝中的气孔一般有两种,一种是氢气孔;另一种气孔是由小孔效应引起。氢气孔大部分出现在焊缝表面,有的氢气孔会出现在焊缝内部,一般在焊缝的中上部,这是由于析出的H2来不及逸出而遗留在焊缝内部;小孔型气孔是由于深熔焊时,匙孔中金属蒸汽剧烈蒸发,小孔内部处于不稳定状态,小孔前部的高温液态金属快速下降,到达熔池底部时受液体流作用力向熔池后部运动形成涡流。这个过程很容易切断小孔,把金属蒸汽封闭在小孔内,而脉冲激光焊冷却速度很快,液态金属来不及回填便在焊缝底部形成了气孔,小孔型气孔一般是不规则的。
 
实际焊接应用表明,脉冲激光焊在焊接过程中,因参数选择不适宜易产生气孔,使焊接接头有效截面积减少,接头强度降低。为了防止激光焊薄板不锈钢焊接管气孔的产生,本文详细研究了气孔产生的原因,并通过调整合适的工艺,有效的避免了气孔的产生。
 
在试验中,采用氩气为保护气体,固定离焦量为-1mm,根据四因素三水平的正交试验原理,对焊缝质量的影响因素:电流,脉冲频率,脉冲宽度,焊接速度进行搭配,见表3.8;生成如表3.9中的9组参数组合,通过统计分析,确定对焊缝质量影响最大的因素;采用LWD200-4T型光学显微镜和Quanta 200型扫描电镜观察焊缝形貌。
 
根据表3.9中工艺参数进行脉冲激光焊实验,依据ISO-5817焊缝外观评定标准,评定9组焊接参数下的焊缝形貌,其结果如表3.9所示。图3.15为1组和9组工艺参数下焊缝表面形貌。由图可以看出,图3.15-a中1组工艺试验时焊点重叠率低,焊缝边缘不整齐,飞溅严重,焊点中心有明显的孔洞,其焊缝表面成形性最差,用数值0进行表征;而图3.15-b中9组工艺试验时焊点重叠率较高,焊缝宽度连续一致,无飞溅,焊缝表面整齐美观,其焊缝表面成形性最好,用数值100进行表征,其它组工艺试验的焊缝表面形貌表征数值则介于0到100之间。
 
表3.9中S1、S2、S3分别代表四因素在第1、2、3水平下焊缝表面形貌表征数值平均值Rs=max{S1j,S2j,S3j}-min{S1j,S2j,S3j}。极差R的大小反映了焊接中各因素对焊缝质量影响的大小,极差越大,说明该因素数值的变化对实验结果影响越大,是焊接过程中应该控制的重要因素。比较RS可以看出,脉冲频率是对脉冲激光焊焊缝质量影响最大的工艺参数,其余依次是电流,脉宽和焊接速度。
 
当脉冲频率为15Hz和30Hz时,焊缝中有时会出现工艺气孔,工艺气孔有圆锥形、不规则形和球形三种。下面分别分析这三种形貌的工艺气孔。
 
图3.16是4试验组中发现的气孔的形貌图,脉冲频率为15Hz,电流为160A,脉宽为2.5ms,焊接速度为600mm/min,离焦量为-1mm时,焊缝中所发现的气孔的形貌图,观察图3.16-a可以看出,试验组表面看不见孔洞,但沿焊缝表面打磨后出现圆形孔洞,直径0.22-0.41mm,沿焊缝方向与焊点同心分布,如图3.16-b所示。图3.16-c是气孔横截面外观形貌图,从图中可以看出孔洞为圆锥形。这是因为试验组电流较大,焊接峰值功率高,高能激光束打在金属不锈钢焊接管表面,极大的瞬时热输入使熔池内部金属迅速受热气化向外逸散,造成熔池沸腾,飞溅严重,焊缝金属损失形成孔洞,孔洞内壁上沿有较大瘤状金属附着物,这是飞溅的液态金属冷却后造成的。
 
维持脉冲频率不变,调节其他焊接参数,图3.17是1、4、7试验组焊缝中气孔横截面外观形貌图。1试验组脉冲宽度为2.0ms,焊接速度800 mm·min-1,电流180A,从图3.17-a可以看出,其焊点分离,没有重熔金属覆盖金属蒸汽逸散造成的小孔,形成了开放型孔洞。随着脉冲宽度增加至2.5ms,电流减少至160A,焊接速度减少至600 mm·min-1,热输入更加均匀,熔池稳定,飞溅减少,前一焊点重熔金属可以回填后续焊点产生的孔洞,但SUS304不锈钢焊接管合金元素含量高,液态流动性差,填充不足从而形成的闭合气孔,如图3.17-b中4试验组所示。7试验组脉冲宽度加大至3.0ms,进一步降低电流和焊接速度,在焊接过程获得足够量重熔金属和较长回填时间,有效消除了圆锥形气孔。经测试,在焊接频率为15Hz条件下,1、4、7试验组焊缝的焊点重叠率依次为38%、35%、42%,均不能形成合格焊缝,须进一步增大脉冲频率。增大脉冲频率到30Hz时,基本上完全消除了大的圆锥形工艺气孔,但在焊缝底部出现了如图3.18所示的不规则的工艺性气孔。实际试验所得气孔表面形貌如图3.10所示。从图3.18-a、3.18-b、3.18-c可以看出,2和5试验组在焊缝底部均有不规则的气孔,匙孔型气孔一般都是位于熔池底部的不规则的气孔,也有一部分规则的气孔。这是由于深熔焊时,匙孔中金属蒸汽剧烈蒸发,小孔内部处于不稳定状态,小孔前部的高温液态金属快速下降,到达熔池底部时受液体流作用力向熔池后部运动形成涡流。这个过程很容易切断小孔,把金属蒸汽封闭在小孔内,而脉冲激光焊冷却速度很快,液态金属来不及回填便在焊缝底部形成了气孔,2、5两试验组电流较大,瞬时热输入高,熔池内液态金属运动剧烈,冲击力较大,容易形成此种工艺性气孔。8试验组降低了电流,减小脉宽并增大焊接速度,适当降低了热输入,缓解了液态金属紊流,有效降低焊缝中工艺气孔产生的概率。
 
当脉冲频率为30Hz时,实验中焊缝中还出现了球形气孔,如图3.19所示。从3.19-a中可以看出气孔位于焊缝中部的分层处。从3.19-b中可以看出气孔呈球形,还保留了一点漩涡状。这是由于高功率密度的激光打到材料表面,使材料迅速汽化,形成小孔,小孔中金属蒸汽剧烈蒸发,小孔内部处于不稳定状态,小孔前部的高温液态金属快速下降,到达熔池底部时受液体流作用力向熔池后部运动形成涡流,这个过程很容易切断小孔,把金属蒸汽封闭在小孔内,在一段时间内,金属蒸汽没凝固,而是以气体的形式漩涡状的形貌存在于液态熔池内部,并会在液态金属中上浮,在上浮过程中,在液态金属表面张力的作用下,会由漩涡状慢慢转变为球形。又由于冷却速度很快,在上浮过程中凝固了,气孔会呈旋涡状的球形,并出现在熔池中部。
 
激光焊薄板不锈钢焊接管时,焊缝金属中的气孔究竟是如何形成的呢?这是由于:尽管钢板的厚度为1mm,但用脉冲激光焊时,还是属于深熔焊。深熔焊时,熔池中存在等离子体,产生匙孔中,有大量金属蒸气剧烈蒸发,匙孔内部处于不稳定状态。由于熔池温度的不均匀性,在熔池中存在旋转的涡流,且能量较大,有强烈的搅拌力作用,液态金属在匙孔前壁快速下降,当到达匙孔底部时,形成涡流。
 
在焊接过程中,匙孔随连续熔池移动,并有金属对匙孔进行回填,就能避免气孔的产生。若焊接过程中,为非连续移动熔池,如图3.17中的图a,液态金属就会把金属蒸汽封闭在小孔内,激光焊时冷却速度很快,液态金属来不及回填便在焊缝内部形成了孔洞。
 
即使为连续移动熔池,若焊接工艺参数不适宜,后熔化的液态金属对前面形成的小孔补填不充分,也会形成孔洞,如图3.18中的图a和图b。焊缝金属中孔洞的存在,不仅减少焊缝的承载面积,而且会造成应力集中,降低焊接接头的强度。
 
进一步增大脉冲频率到45Hz,3、6、9试验组焊缝的焊点重叠率进一步提高,分别达到65%,68%、70%。焊接时相邻焊点的重叠率越高,后一焊点对前一焊点的重熔作用就越明显,越容易消除前一焊点内部可能产生的工艺性气孔,如图3.20所示,3、6、9试验组焊缝截面金相图均没有发现气孔。
 
通过正交实验设计结果分析,脉冲激光焊焊接奥氏体不锈钢焊接管时,不当的焊接工艺是产生工艺性气孔的主要原因,对不锈钢焊接管薄板焊缝质量影响最大的工艺参数是脉冲频率,其余依次是电流,脉宽和焊接速度。当脉冲频率为15Hz和30Hz时,焊缝工艺气孔不能完全消失,气孔的形状为圆锥形、不规则形和球形。不论脉宽频率与其他参数以何种方式组合,均不能形成合格的焊缝。而当脉冲频率为45Hz时,电流,焊接速度和脉冲宽度不论选取何值,焊缝中均无工艺气孔。

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