火焰切割对16Mn_DR钢焊接接头组织性能影响研究_彭章祝.pdf

2023年 第5期 热加工76焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g火焰切割对16MnDR钢焊接接头组织性能影响研究彭章祝，曹龙韬，孟腾逸，曹文楷，龚兰芳，陈智江株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412000摘要：针对16MnDR焊接接头引弧和引出板位置火焰切割、火焰切割与退火处理、等离子切割和激光切割对焊接接头显微组织和力学性能的影响研究，通过对焊接接头母材、热影响区和焊缝区硬度梯度分布和显微组织变化的试验，得出不同切割方式16MnDR钢焊接接头热影响区范围，为引弧和收弧位置切割、打磨工艺的制定和改进提供科学数据支撑。关键词：火焰切割；等离子切割；激光切割；焊接接头；热影响区；维氏硬度；显微组织1 序言氧-丙烷火焰切割的基本原理是用丙烷与氧气混合燃烧产生热能，将金属预热到燃点，然后开启高压氧，使金属剧烈燃烧，最后在高压氧气流的作用下，将燃烧的金属熔渣吹掉，形成割缝1。在火焰切割过程中，由于切割面附近的金属受到快速加热和冷却以及氧化还原反应等物理和化学过程的影响，使得该区域的化学成分、显微组织和力学性能等均发生不同程度的变化2，这些变化都会影响到切割试样的使用性能。在构件焊接过程中，焊缝引弧端和收弧端容易产生气孔、未熔合等焊接缺陷3，为避免缺陷产生，在焊缝引弧和收弧处加装与焊缝坡口形式相同的焊接引弧板、引出板，焊缝合格后，通过火焰切割的方式去除引弧板、引出板，再通过机械打磨将火焰切割面打磨平整，这种接头设计能够很好地提高焊缝质量。由于火焰切割会对切割面热影响区显微组织和力学性能产生影响，为了消除这种影响需要通过机械打磨的方式去除热影响区，但热影响区的宽度和硬度的变化梯度直接关系到打磨的深度。而16MnDR钢是机车车体常用的材料4，为此，笔者研究了火焰及其他切割条件下16MnDR钢板热影响区的范围，可为确定焊接接头打磨余量提供科学依5 结束语本文针对核电站在役维修特殊环境的管道返修作业的遥控操作机器人视觉系统、人机交互，以及质量评价进行了方案设计，完成了基于视觉系统的人机交互设计，包括基于视觉反馈遥控操作的焊枪姿态优化、图像传感设备与机器人通信系统的开发、基于视觉的人机交互模块方案设计、视觉系统的数据管理与状态显示设计和基于视觉系统的遥控操作焊接质量评价，形成了基于遥控操作机器人视觉传感系统的人机交互系统。参考文献：1 杜爱国，李海超，陈洪堂，等用于核环境管道维修的宏-微机器人遥控焊接J焊接学报，2012，33（1）：65-69.2 周灿丰，王龙遥控操作焊接机器人焊接信息采集系统研究J焊接，2018（7）：1-7.3 陈英龙，宋甫俊，张军豪，等基于临场感的遥控操作机器人共享控制研究综述J浙江大学学报，2021，55（5）：831-842.4 卢明林，张宇，张攀峰，等基于遥控操作的焊接机器人连续轨迹系统设计J机械设计与制造，2019（2）：238-242.5 李海超，吴林，高洪明，等应用于遥控焊接的激光视觉传感辅助遥控示教J焊接学报，2006，27（5）：39-43.202302122023年 第5期 热加工77焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g据，在保证焊缝质量的同时，对降低打磨工作量有较大意义。2 试验材料及方法2.1 试验材料母材选用厚度为12mm的热轧态16MnDR低合金结构钢，焊接焊丝牌号为50C3，直径1.2mm，母材化学成分见表1，力学性能见表2，均符合材质标准要求。表116MnDR钢化学成分（质量分数）（%）CSiMnSPAl0.130.411.450.0030.0130.03表216MnDR钢力学性能抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后伸长率（%）弯曲试验d2a冲击吸收能量（-40）/J51837234.5180合格1832482052.2 焊接工艺焊接接头采用手工MAG焊，焊接设备为福尼斯TPS500i，采用60对接坡口单面焊双面成形，保护气体采用80%Ar+20%CO2，MAG焊焊接参数见表3。表3MAG焊焊接参数焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（mm/s）气体流量/（L/min）15017021.222.35.06.018203 试验结果与讨论3.1 引弧板和引出板切割试样外观形貌构件焊接完成后，采用火焰切割引弧板和引出板位置，切割下来的试样外观形貌如图1、图2所示。3.2 引弧板火焰切割面纵向检测取3件火焰切割试样并分别编号为1#3#，同时取1件机械切割（切割片切割）试样，作为对比试样，引弧板和引出板火焰切割试样沿中间纵向剖开（见图3中红线标记位置）检测硬度和金相组织，1#试样的宏观形貌（已侵蚀）如图4所示。距离火焰切割表面约0.2mm处，分别在焊缝区、热影响区和母图1引弧板和引出板火焰切割试样外观形貌1 图2引弧板和引出板火焰切割试样外观形貌2图3火焰切割焊接接头纵向取样位置示意图41#引弧板火焰切割试样宏观形貌（已侵蚀）材区进行硬度检测，结果见表4。由表4可知，机械切割方式对焊接接头的硬度没有影响。与机械切割试样相比，1#和2#试样硬度在热影响区和母材区有明显升高，硬度最高的地方达2023年 第5期 热加工78焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g图51#、2#试样母材区硬度梯度 表4引弧板火焰切割试样硬度 （HV10）试样编号焊缝热影响区母材1216、214、217327、321、313313、376、3672262、255、253391、386、383385、415、3473238、230、227228、272、235220、217、222机械切割159、166、159223、219、208180、162、163图61#试样火焰切割母材金相组织图72#试样火焰切割母材金相组织图83#试样火焰切割热影响区金相组织图9引弧板火焰切割试样横向取样示意（红线表示）开，取样位置如图9所示，金相法测量火焰切割上中下3个位置热影响区宽度，结果见表6。由表6可知，起始位置热影响区平均宽度为3.31mm。为进一步分析火焰切割起始位置硬度梯度，在7#试样火焰切割起始位置进行硬度梯度测试，如图10所示，测试结果如图11所示。表5引弧板火焰切割面纵向影响深度 （mm）试样编号焊缝区热影响区母材区11.011.111.0520.891.010.9330.911.051.22到了415HV10，3#试样硬度略有升高，最高硬度为272HV10。分别在1#、2#试样母材区测试硬度梯度，测试结果如图5所示。由图5可知，1#试样距离表面0.5mm以内硬度在300HV10以上，2#试样距离表面0.3mm以内硬度在300HV10以上。用金相法测量火焰切割影响深度，结果见表5。由表5可知，火焰切割热影响区深度大致一样，平均深度值在1.0mm左右。观察1#3#试样靠近火焰切割表面金相组织，如图68所示。1#和2#样品金相组织为贝氏体组织，3#样品为贝氏体+铁素体组织。由于3#试样的金相组织中存在铁素体，因此降低了组织的硬度，这与硬度测试结果一致。3.3 引弧板火焰切割面横向检测由于切割过程中上表面先进行加热，在切割向前移动过程中，上表面加热时间长，因此会出现试件的热影响区宽度上表面比下表面宽的现象5。为了分析火焰切割起始表面影响深度，将4#、5#、6#试样沿焊缝中间横向剖开，将7#试样沿母材横向剖2023年 第5期 热加工79焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g图12引弧板火焰切割退火处理纵向硬度梯度图117#试样火焰切割起始表面硬度梯度图13引弧板火焰切割退火处理金相组织由图11可知，焊接接头火焰切割起始区域的母材硬度值在距表面深度1.0mm以内300HV10。3.4 火焰切割退火处理后火焰切割面纵向检测引弧板和引出板火焰切割后，再进行退火处理，试样沿纵向面切割，取样位置如图3所示，分别测试焊缝区、热影响区和母材区的硬度梯度，检测结果如图12所示。由图12可知，退火后硬度值出现明显下降现象，均300HV10。退火后的金相组织为粒状贝氏体组织，如图13所示。3.5 激光切割和等离子切割板材纵向面检测取激光切割引弧板试样3件，厚度12mm，编号8#10#，取等离子切割引弧板试样3件，厚度12mm，编号11#13#，沿横向面取样，取样位置如图14所示。对以上试样分别测试硬度梯度，结果如图15所示。由图15可知，激光切割焊接接头近表面约0.25mm以内硬度值300HV10，等离子切割焊接接头近表面约0.50mm以内硬度值300HV10。8#试样激光切割面热影响区金相组织如图16所示。由图16可知，激光和等离子切割影响区域的金图14激光和等离子切割横向取样位置示意（红线表示）图15焊接接头激光切割和等离子切割纵向硬度梯度图107#试样火焰切割起始表面硬度测试图16引弧板8#试样激光切割面热影响区金相组织表6引弧板试样火焰切割面起始位置影响宽度（mm）试样编号4567上表面3.292.673.583.73中间1.081.121.061.21下表面0.981.030.961.052023年 第5期 热加工80焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g相组织为贝氏体组织。金相法测定热影响宽度，不同于火焰切割，激光和等离子切割上中下3个位置的影响深度基本一样，结果见表7。由表7可知，激光切割热影响宽度平均值为0.24mm，等离子切割热影响宽度平均值为0.60mm，与硬度检测结果基本一致。表7引弧板试样激光和等离子切割面影响深度（mm）切割方式热影响区深度8#9#10#11#12#13#激光切割0.300.200.22等离子切割0.650.550.6图17不同切割方式硬度超过300HV10宽度硬度值影响较大，近表面区域硬度可达400HV，对焊缝区硬度值影响相对较小，机械切割对焊接接头硬度值基本无影响。2）引弧板火焰切割起始位置影响深度平均值在3.31mm，上表面1.0mm以内硬度300HV10；中间区域和下表面影响深度平均值在1.00mm左右，距离表面0.5mm以内硬度300HV10。引弧板火焰切割退火处理后焊接接头硬度值（300HV10）明显下降。等离子切割表面约0.5mm以内硬度值300HV10，影响深度在0.6mm左右。激光切割近表面约0.25mm以内硬度值300HV10，影响深度在0.24mm左右。3）引弧板火焰切割、激光切割和等离子切割靠近切割面的金相为贝氏体组织，经退火后为粒状贝氏体组织。4）根据试验结果给出如下建议：火焰切割后采用机械打磨工艺的深度2mm以上，能有效减少火焰切割对焊接接头的影响。火焰切割后若需要进行退火的构件，机械打磨深度可以适当减少，在确保打磨掉火焰切割锯齿面的情况下保证切割面光滑即可。采用等离子切割工艺方式，机械打磨工艺的深度达1.0mm以上，能有效地减少等离子切割对焊接接头的影响。采用激光切割工艺方式，机械打磨工艺的深度控制在0.5mm以上，能有效地减少激光切割对焊接接头的影响。参考文献：1 梁桂芳切割技术手册M北京：机械工业出版社，1997.2 韩永馗，王智新，闫家树，等大厚度钢锭氧丙烷火焰切割热影响区组织及性能J焊接学报，2013，3（34）：28-32.3 陈占峰，贾洪波，王广英，等新型焊接引弧板的发明和应用J焊接技术，2013，11（42）：44-47.4 陈积翠16MnDR钢双丝自动焊工艺研究J金属加工（热加工），2022（2）：14-16.5 陈增友，马清波，许鸿吉，等Q345E 低合金钢热切割热影响区的组织和性能研究J材料热处理技术，2012，18（41）：229-233.202301294 分析总结对于车间生产和工艺部门而言，关注点在不同切割方式对焊接接头热影响区深度的影响，需要通过打磨工艺去除切割方式的热影响范围，因此热影响区深度决定了打磨的深度，制定合理的打磨工艺对于确保焊接接头质量与减轻员工工作量有着重要的意义。现在车间普遍采用火焰切割方式切割引弧板和引出板，本文通过试验对比了火焰切割、机械切割、等离子切割和激光切割4种方法的热影响宽度，其中重点关注维氏