双V形坡口圆环链的闪光对焊工艺研究

王福明 高国印 冯锦国

1中煤张家口煤矿机械有限责任公司 张家口 075025 2河北省高端智能矿山装备工程技术研究中心 张家口 075025

0 引言

圆环链作为一种广泛应用于煤矿采掘、煤化工、火力发电、港口起重、海洋船舶甚至军事领域的工业产品，焊接质量是其所有质量要素中最重要的一环。圆环的焊接成型方式主要有电阻对焊和闪光对焊2种。电阻对焊一般用于材料强度较低、直径φ20mm以下的圆环链的焊接成型；材料强度较高、直径较大的圆环链一般都采用闪光对焊。闪光对焊是将待焊工件装配成等截面的对接接头，并利用液压、机械等结构在接通电源后使待焊工件的端面逐步接近并达到局部接触，利用接触电阻的电阻热加热这些触点，使待焊端面的金属触点受热融化，直至在垂直端面的方向上形成一定深度的温度梯度之后，迅速施加顶锻力，依靠焊接区高温金属的塑性变形和持续电阻热，使2个待焊表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成牢固的金属键，当在结合面上产生足够多的共同晶粒时就能得到永久接头。如何提高闪光对焊焊接接头质量是许多焊接从业人员一直在研究的课题。冯元秋等[1]详细介绍了闪光对焊工艺和设备的研究及其应用现状；王洪飞[2]对闪光对焊过程中出现的烧伤、未焊透等各种缺陷进行了原因分析；黄华刚等[3]研究了闪光对焊工艺参数对焊接接头金相组织、热处理后接头力学性能的影响；本文使用KSH402D闪光对焊机焊接双V形坡口的22×66规格的圆环链，对焊接成型的链环热处理后进行弯曲、冲击、静拉伸、金相分析等，对焊接工艺的可靠性进行评估。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

用于焊接试验的材料为德国生产的φ22mm的热轧退火圆钢，原材料表面经过了磨外圆处理，材质为低碳合金钢23MnNiCrMo52（以下简称52钢），其主要化学成分如表1所示。

表1 23MnNiCrMo52钢化学成分（质量分数） %

52钢主要用于生产井下牵引运输链条和港口起重链条，由于作业环境恶劣，链环在使用工况下频繁受到交变载荷、应力腐蚀、高速冲击以及受力摩擦。钢材质量的好坏直接关系到工作人员的人身安全，故要求链条必须具有高强度、高韧性、良好的冷弯性能、可靠的焊接质量和优良的耐疲劳性能。52钢在低碳钢的基础上添加Mn、Ni、Mo、Gr、Al、Cu等合金元素，通过这些合金元素的固溶强化、晶界强化及第二相强化来提高材料的强度和韧性。同时，通过控制钢材中的有害元素S、P等提高钢材的疲劳寿命，该材料具有高强度、高韧性、良好的冷弯能力，较高的破断拉力及综合力学性能。用52钢生产的链条，具有耐磨性能好，疲劳寿命高，破断强度高，抗冲击能力强，承载负荷大的特点。

1.2 焊接设备及焊接试验过程

试验采用的焊接设备为德国生产的KSH402D全自动液压闪光对焊机，设备功率250 kVA。链环通过KBA型中频加热链条编结机编结成型。单V形坡口、双V形坡口链环编结成型后如图1所示。

图1 链环编结成型示意图

闪光对焊分为连续闪光对焊、预热闪光对焊和闪光-预热-闪光对焊3种[4]。具体焊接模式根据焊接件的横截面来选取，由于选取的材料直径为φ22 mm，大于φ20 mm，故本次试验采用预热闪光对焊的模式。预热闪光对焊过程主要由环背预热、往复焊口预热、连续闪光、顶锻（包括有电顶锻和无电顶锻）、保压和去刺等步骤组成；环背预热为恒流加热，通过设定电流大小与加热时间长短调整预热效果；预热、闪光为恒压控制，但往复预热电流大于闪光电流；顶锻开始为带电顶锻，之后为无电顶锻。此次双V形坡口试验的主要焊接参数如表2所示，为方便对比，单V形破口的焊接参数也同步列于表2。

表2 22×66链环闪光对焊参数

从表2可以看出，在相同焊接电压、焊接电流、闪光电流、顶锻电流及保压时间条件下，双V形坡口链环的往复预热效果更好，用明显少于单V形破口的预热次数就达到了焊接所需的温度梯度，且成功实现了焊接成型。

热传导是热量由系统的一个部分传导到系统的另一个部分或由一个系统传导到另一个系统的现象，是热量传递的3种基本方式之一，也是热量在固体中传递的主要方式。热传导过程的实质就是大量的物质分子通过热运动相互撞击，从而把能量从物体的高温部分传递到低温部分，或由高温物体传递到低温物体。在固体中，热传导的具体微观过程是：在温度较高的部分，晶体节点上的微粒振动动能较大；在温度较低的部分，晶体节点上的微粒振动动能较小；由于微粒是互相联系的，且在固体内部微粒不间断地发生振动，动能由能量高的部分向能量低的部分传递，故在固体中的热传导就是能量的迁移。在固体金属中由于自由电子的存在，自由电子不停地在做无规则的热运动，自由电子在金属晶体中对热的传导起主要作用，其热传导效率也比其他固体高得多。根据相关热力学理论研究，在二维的矩形平面上，热源在中间位置的热传导速度呈现传热较快的特点，且这种速率远远快于热源在两边位置的热传导速率，基本上呈现指数级暴涨。

分析认为，双V形坡口链环在往复预热时热量由端面中心向四周扩散，端面预热更加快速、均匀，且热量扩散行程较单V形破口缩短一半，焊接端面温度能较快达到焊接温度，且能快速地在待焊端面纵向建立适宜焊接的温度梯度，满足后续的连续闪光需求，为获得优质接头打下良好的基础。

2 分析与讨论

使用上海某厂生产的WE-100型液压式万能试验机对焊接成型并热处理后的链环与链条进行弯曲挠度试验、静拉伸试验，使用济南某司生产的JB-W300C型微机控制摆锤式冲击试验机对焊接接头部位做常温V形缺口冲击试验，其试验结果如表3所示。

表3 22×66链环(双V形坡口)力学性能试验结果

进行弯曲试验的5个22×66链环的弯曲挠度值均达到18 mm，大于欧标EN818规定的DN0.8，且未出现断裂、目视裂纹等缺陷，故判定5环抗弯全部合格。焊接接头部位V形缺口冲击值均达到70 J以上，5条静拉伸试验链条均为肩部断裂，破断载荷均达到欧标EN818规定的80级以上，使用英国某司生产的CS3400型扫描电镜对断口做微观形貌观察，扫描图片如图2所示。

图2 焊接链环弯曲、冲击断口、静拉伸断口及SEM图片

2.1 弯曲试验

弯曲试验主要用于测定焊接接头的抗裂纹能力并反映焊接接头塑性指标，通过弯曲试验，同时可反映出焊接接头各区域的塑性差别，暴露出构件的焊接缺陷。弯曲试验主要过程为：在压力机上安装专用的抗弯胎具之后，使用标准规定尺寸的弯曲辊，将试样缓缓弯曲到规定的挠度，以此检验焊接接头抵抗塑性变形的能力。根据标准EN818的规定，链环在热处理后进行弯曲试验时使用的弯曲辊直径为DN2，同时要求弯曲挠度不小于DN0.8。如果弯曲后链环未出现断裂、目视裂纹等缺陷，则视为抗弯合格，弯曲试验的具体形式如图3所示。

图3 焊接链环弯曲试验示意图

2.2 冲击试验

冲击试验是用来研究材料、组织、结构在经受外力冲撞或作用时构件的安全性、可靠性和有效性的一种试验方法。是用来度量材料在高速状态下的韧性或断裂的抵抗能力。与构件受静载荷时不同，由于冲击试验加载速度很快，构件的内应力骤然提高，而变形速度往往会影响构件的机构性质，故构件对动载荷作用很可能表现出另一种反应。通常在静载荷下表现为极佳塑性性能的接头，在冲击载荷下会呈现出脆性的性质。金属材料冲击试验还可以揭示在静载荷条件下不易发现的应力集中、材料内部缺陷、化学成分不均匀、受力状态不均匀及热处理缺陷等问题。按冲击试验温度来分，冲击试验可分为常温冲击试验、低温冲击试验，本次冲击试验为常温冲击试验。根据GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》规定，在23±5℃条件下，对焊接成型并热处理之后的链环做焊缝V形缺口冲击试验，按冲击试验的形状和破断方式，冲击试验分为弯曲冲击试验、扭转冲击试验和拉伸冲击试验3种，本次冲击试验采用的方式为弯曲冲击试验。通过图2b的焊缝处宏观冲击断口和图2c焊缝处微观冲击断口可以发现，本次试验的焊缝处冲击断裂方式为延性断裂，间接表明本次试验的焊接质量、热处理质量均合格。从表2的数据可得出，单个试样的最低冲击值为82.3 J，高于MT 244.1—2005《煤矿窄轨车辆连接件 连接链》中关于焊缝处常温平均冲击值不低于64 J的规定。

2.3 拉伸试验

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的方法，又称为抗拉试验，是测定材料机械性能的基本试验方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准或者研发的新材料能否达到预定性能。拉伸试验得出的数据可以用来确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、断面收缩率、拉伸强度、屈服强度等其他指标。在高温下进行的拉伸试验可得到材料的高温蠕变数据。但是圆环链的拉伸试验和棒料的拉伸试验又不完全相同。圆环链在静拉伸试验时的正常断裂方式为肩部和顶部受到了拉伸-剪切复合应力，故其最终反映的破断强度为链环肩顶部的抗剪切能力。通过圆环链静拉伸试验可得到链条破断强度、破断延伸率、试验延伸率等的基本力学性能指标。由表3的静拉伸试验数据可以得出，22×66链条(双V形坡口)静拉伸破断载荷与破断延伸率都满足标准EN818-2中关于T8级链条的规定。由静拉伸断口图2d、图2e可以看出，链环肩部断裂前发生了明显塑性变形，相对于原始尺寸断口尺寸也发生了明显的变化。从其宏观断口形貌图2d可以看出，断口比较光滑且呈现弱金属光泽，未发现放射线，此为典型的延性剪切断裂。其微观扫描电镜照片（见图2f）具有明显的韧窝状断裂特征，也证明链环静拉伸断裂种类为典型的延性断裂。

2.4 金相检验

金相检验的主要目的是检查原材料或零部件的质量，评定构件的各种缺陷，检验工艺过程是否合理以及失效分析等，分为宏观金相检验与微观金相检验[5]。焊接接头的金相检验是用放大镜、显微镜来检查焊缝、近逢区及焊接工件的金相组织以及确定内部缺陷、评判热处理质量等。宏观金相检验是指用肉眼或低倍的放大镜检查金属表面、断口或宏观组织及其缺陷的方法，这种检验方法操作简捷、迅速，能反映金属宏观区域内组织和缺陷的形态及分布状况；本次试验宏观金相主要被用来观察焊缝与近缝区的宏观形貌，如夹杂、宏观裂纹等。微观金相检验是指用高倍光学显微镜或电镜来观察金属材料内部各组成物微观结构的一种技术，微观金相主要被用来观察材料的显微组织、偏析、缺陷以及析出相的种类、性质、形态等，以分析材料的均匀性，焊接、热处理工艺的稳定性等。对焊接成型的链环热处理以后的焊缝进行金相检验，金相图片如图4所示。

图4 双V形坡口链环焊缝金相

从图4a可以看出，由于碳烧损的原因，其中白亮的贫碳带为焊缝，2个端面之间的焊缝融合良好。根据图4b分析可得，焊缝组织为回火索氏体，未见显微裂纹和其他异常组织。

3 结论

1）在相同的参数下，双V形坡口链环的往复预热效果更好，用明显少于单V形破口的预热次数就达到了焊接所需的温度梯度，其焊接效率更高。

2）双V形坡口链环焊接成型并经过热处理以后，其机械性能能够满足相关标准要求，焊缝组织均匀，未见裂纹及其他缺陷。