0 前言

随着焊接技术的发展，高效、优质、低耗是当前制造业对焊接技术提出的迫切要求，也是焊接技术发展的方向[1-3]。电弧堆焊成型技术作为快速成型方法的一种，具有成本低、效率高、可控性好和冶金性能良好等优点而备受关注。因为堆焊层与母材之间实现冶金结合，堆焊层所获得的功能可根据需求选择堆焊合金，并且如果堆焊层能够得到较小的母材稀释率、较高的熔覆速度以及灵活的堆焊位置及方向，这种堆焊方法将会在生产中发挥极大的作用[4-5]。大型金属结构表面堆焊中，由于熔池受重力的作用，液态金属极易下坠溢流，因此在竖直方向上的堆焊多有受限。大型构件竖直方向堆焊多以焊条电弧焊立焊及CO2气体保护焊立焊方法应用最为广泛，焊条电弧焊立焊焊接效率低且受人为因素影响较大，CO2气体保护焊立焊受工件形状、焊接位置、焊道性能及设备条件等限制，在不同程度上难以克服自身缺点[6]。传统MIG焊飞溅大，TIG焊焊接效率低，单一焊接方法难以满足。TIG-MIG间接电弧焊方法，可以实现电弧在钨极和熔化极焊丝之间稳定燃烧，合适的工艺参数在提高焊丝熔敷效率的同时，可减少母材的热输入，降低稀释率以及有效地避免泛铁现象[7-8]。竖直方向低稀释率射流堆焊方法依据TIG-MIG间接电弧焊技术，单纯利用熔化极气体保护焊时的电弧作用力及保护气的向上吹力来维持熔池不下淌，即所谓的自由成形立焊原理[9-12]，实现的一种在竖直方向上进行堆焊的方法。堆焊过程中，熔滴以射流方式过渡，具有较高的飞行速度，可以实现竖直面堆焊。该方法克服了使用低价设备且在竖直方向上不易堆焊的难点，对堆焊表面工程有极大的意义。

文中试验主要应用于竖直平面堆焊领域中。大型结构件由于结构限制无法移动，需要进行竖直面堆焊且需要现场在竖直平面内堆焊，采用竖直方向低稀释率射流堆焊方法进行堆焊，由于堆焊过程中工件不与焊接电源连接，即不与焊丝及钨极产生电弧。因此工件表面金属的熔化量极小，从而可以极大地降低堆焊金属稀释率，获得低稀释率的堆焊金属层，以保证堆焊层的化学成分和性能，解决现有堆焊方法无法在竖直方向上进行低稀释率堆焊的问题。

染色过程：黑色，将嫩枫叶捣烂，稍微风干后加水浸泡，24 h后取出叶渣、滤净，将滤液放入锅中煮至50～60℃。再将糯米浸入其中，边搅拌边观察糯米颜色，待糯米染上黑色后将其捞出滤水。在染色过程中，若水温过高，糯米难以染成黑色，若染液浓度不足，易染成灰色或紫色；黄色，将姜黄拍碎，煮水过滤取汁，浸泡生糯米数小时即可；红色染色方法同黑色染色类似。

1 试验方法及材料

竖直方向低稀释率射流堆焊方法的堆焊系统主要由熔化极气体保护焊焊机、送丝机、钨极氩弧焊枪、CO2气体保护焊焊枪及工作台组成，其控制原理如图1所示。通过改造将送丝机中的焊丝送入CO2气体保护焊焊枪，并将接电端子接到熔化极气体保护焊焊机的正极，钨极氩弧焊枪配有水冷装置并将其接电端子接到熔化极气体保护焊焊机的负极，两焊枪通过连接件连接，施焊时两焊枪均通氩气保护。电弧在钨极与焊丝之间产生并熔化焊丝，熔滴在电磁力、重力、等离子流力、保护气体吹力及表面张力等作用下射流过渡到基体表面，熔滴自带的热量及电弧辐射的热量使基体表面产生微量熔化，冷却凝固后形成冶金结合。

  

图1 竖直方向低稀释率射流堆焊系统

试验材料选用Q235钢板作为堆焊基材，ER50-6焊丝作为堆焊焊材。母材尺寸为200 mm×100 mm×4 mm，焊前对母材表面进行除油、除锈处理。Q235钢含碳量适中，综合性能较好，价格低廉，用途广泛。Q235钢中碳及其他合金元素含量较低，其塑性、韧性好，无淬硬倾向，不易产生焊接裂纹，焊接性能优良。由于文中试验为工艺可行性试验，因此从性能及价格方面考虑选用Q235钢板作为堆焊母材。ER50-6焊丝属于碳钢类焊丝，适合于Q235A，B级的母材焊接。母材与焊丝成分、性能见表1～2。

沿垂直于熔合线方向，从基体到堆焊层，每隔30 μm测量硬度值，结果如图6所示。母材显微硬度值大致在130～180 HV之间，熔合线附近堆焊层金属显微硬度大致在180～220 HV之间，堆焊层硬度值高于母材硬度值。

 

表1 Q235钢和ER50-6焊丝的化学成分(质量分数，%)

  

材料CSSiMnPCrNiMoFeQ235≤0．2≤0．052≤0．20．393≤0．0320．0320．029—余量ER50-60．06～0．50≤0．0250．80～1．151．40～1．85≤0．0250．1500．1500．15余量

 

表2 Q235钢和ER50-6焊丝的力学性能

  

材料屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)V形缺口冲击吸收能量KV/JQ235≥235≥410≥23≥27ER50-6≥420≥500≥22≥27

2 不同堆焊工艺参数对焊缝成形的影响

常温下，在WAW-600G万能力学试验机上进行拉伸试验，拉伸速度设为 5 mm/s。采用竖直方向低稀释率射流堆焊方法堆焊后，熔敷金属的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率及断后伸长率分别为554 MPa, 332 MPa, 35%及30%。远高于NB/T 47016—2011标准中的规定值，说明在该堆焊工艺下堆焊层性能良好。

2.1 焊接电流和送丝速度

私密性活动是人精神活动的一个普遍现象。我们去餐馆找座位时都尽量避免靠近入口和过道的位置，这揭示了人类使用空间的私密性的需要。个人私密是一个时过境迁的暂时现象，不同人有着自己独特的个人需要，需要私密的空间，去做自己想做而又不想让别人知道的事情；同时关系自己隐私的问题，需要一个能够自我袒露的空间，主要室内空间有：卧室、卫生间。在私密空间之中可解决自己的私密问题。

堆焊过程中熔滴的稳定过渡与焊接电流及送丝速度的匹配关系相关，试验用逆变式脉冲MIG-500焊机的送丝速度与焊接电流匹配关系受焊接电源控制，调节焊接电流即可得到相应的送丝速度，因此联系两个参数共同研究它们对焊缝成形的影响。图2为不同焊接电流条件下熔敷金属表面成形。在其它工艺参数相同的条件下，电流过小时难以维持熔滴持续射流过渡，熔滴受重力影响严重，焊缝不成形；当电流增大到可维持熔滴射流过渡，熔池形状稍有不规则，焊道不够平整，两侧有飞溅液滴；电流继续增大到可稳定射流过渡，熔池规则，焊道平整，无飞溅。增大焊接电流，可延长熔池内液态金属的高温停留时间，加强熔池搅拌作用以及熔池边缘处液态金属的铺展性、流动性，从而在一定程度上改善熔池的结晶条件。但较大的焊接电流会增加堆焊层及母材的热输入，从而使熔宽、熔深及热影响区变大，提高稀释率，增强母材对堆焊金属的稀释作用，使得堆焊层成分不均匀，降低熔敷金属的力学性能。此外，电流过大会导致咬边等缺陷发生，使焊缝成形较差。

  

图2 焊接电流对焊缝成形的影响

2.2 焊接速度

在JBW-500 H冲击试验机上进行常温冲击试验。采用竖直方向低稀释率射流堆焊方法堆焊后，熔敷层冲击吸收能量和冲击韧性分别为35 J,0.71 J/mm2，远高于NB/T 47016—2011标准中的规定值。冲击断口如图7所示，断口显微形貌为韧窝状，是典型的韧性断裂[13-14]。

  

图3 焊接速度对焊缝成形的影响

2.3 钨极尖端到工件表面距离

堆焊焊缝金相组织如图5a所示，堆焊层内无气孔、夹杂及裂纹等缺陷，即冶金结合良好，没有明显过渡区域，熔合线较平滑，堆焊层与基体界面熔合良好，没有产生分离现象。基体Q235组织为常见的亚共析钢，因而基体组织为先共析铁素体(PF)+珠光体(P)，组织均匀，晶粒细小。在焊接热循环的作用下，母材组织发生了明显的变化，珠光体晶粒显著增大，但组织仍是先共析铁素体+珠光体，如图5b所示堆焊层的显微组织如图5c～5d所示，主要由先共析铁素体(PF)、侧板条铁素体(FSP)及针状铁素体(AF)构成。在晶界处存在少量魏氏组织，魏氏组织是由于熔滴自带热量以及电弧热量过大经快速冷却产生。

  

图4 钨极尖端到工件表面距离对焊缝成形的影响

3 试验结果及分析

3.1 组织分析

其他参数一定，钨极到工件表面的距离对焊缝成形的影响如图4所示。钨极到工件表面的距离较近时，熔滴射流过渡到母材上，由于距离较近，温度偏高，熔池冷却速度较慢，熔池来不及凝固便脱落，因温度较高，焊缝铺展较好，余高较低。随着钨极到工件表面距离的增大，焊缝成形较好，余高略有增加。钨极到工件表面距离过大，焊缝成形较差，且飞溅较大。

3.2 显微硬度分析

从堆焊样板上切取试样，经打磨抛光后，采用4% 硝酸酒精腐蚀液进行腐蚀，用 Axioverl200光学显微镜进行组织观察。采用 FM-300 型显微硬度仪对堆焊层进行硬度测试，加载载荷为10 g，保持时间为5 s。研究堆焊后材料的力学性能，拉伸试验取样参照NB/T 47016—2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》标准，在WAW-600 G万能试验机上进行试验。冲击试验取样参照NB/T 47016—2011标准，在JBW-500 H冲击试验机上进行试验，使用Zeiss Ultra 55扫描电镜观察冲击断口形貌。

3.3 力学性能分析

焊接电流和送丝速度、焊接速度及钨极到工件表面距离作为主要工艺参数，其变化范围大，且试验中易于控制，方便调节。通过初步焊接试验来研究它们对焊缝质量的影响。试验通过在基材表面进行单道摆动堆焊，研究焊缝余高、熔宽及焊缝平整度与焊接工艺参数之间的变化规律。其他焊接工艺参数选用为：焊接电压22 V，焊枪摆动速度1 000 mm/min，摆幅9 mm，气体流量12～16 L/min。

当前，学校共建校外实训基地30多处，与10多家单位建立院校联合就业基地，与20余家医院签订订单培养协议，与30多家医院签订临床实习协议。这些协议均是学校与医院就某个项目签订，形式比较灵活。

  

图5 显微组织图

焊接速度是影响焊缝成型的重要参数。图3为不同焊接速度下获得的熔敷金属成形。在其它焊接参数相同的条件下，随着焊接速度的增大，焊缝成形变化明显。焊接速度较慢，出现熔池下坠脱落现象，焊缝不成形。随着焊接速度增大，焊道不够平整，但熔池下坠脱落现象有所改善。熔池下坠脱落现象是由于焊缝单位长度内熔化的焊丝量增加，焊接速度较慢，熔池高温停留时间较长，焊接热输入增加，熔池质量增大，熔池表面张力难以维持到熔池内液态金属冷却凝固造成的。当速度增大到与其他参数相匹配，焊缝成形良好。焊接速度过大，熔池冷却凝固速度快，因焊枪摆动形成Z字形焊道。因此，在焊道可成形的条件下，较慢的焊接速度可使熔宽及余高增大，且焊接效率较低，熔池受热作用时间较长，影响堆焊层性能。

1．坚持文人相重以求大同。我在调研中深深感受到，文艺在民间，文艺是归宿，文艺蕴含喜怒哀乐。因为，文艺通过民间的哺育、参与得以普及、成长。同时，越来越多有闲暇时间的单位人、赋闲者以及离开工作岗位的各类人群，常以“文艺”为精神归宿，表达或寄托自己的生活幸福感。流行民间的说法“正处副处归为一处”也可沿用于此。专业从事文艺工作的人士，以文艺为爱好的人士；有文艺成就的人士，仅有业余水平的人士，等等，他们之间互相包容，相互看得上、处得好，和而不同，求同存异，存大同而不计小异，应是文化古城亮出的文艺风景。文化人是需要被捧场的，文化人之间互相捧场，那是更生动的风景。

  

图6 硬度分布曲线

  

图7 断口扫描图

4 结论

(1)竖直方向低稀释率射流堆焊方法焊接过程稳定，几乎无飞溅，可获得成形美观、性能良好的焊缝，在竖直平面堆焊领域具有应用价值。

(2)焊接电流、焊接速度以及钨极到工件表面距离是影响焊缝成形的重要参数。当焊接电流为220 A，焊接电压为22 V，焊接速度为2.774 mm/s时，可获得成形美观，无宏观缺陷的焊缝。堆焊层与基体界面熔合良好，母材组织为先共析铁素体+珠光体。堆焊层的显微组织主要由先共析铁素体(PF)、侧板条铁素体(FSP)及针状铁素体(AF)构成。

【书籍】 主编者.书名.版次.卷次.出版地:出版者，年份.起页.迄页.或作者.文题.见:主编者.书名.卷次.版次.出版地.出版者，年份.起页.迄页.例如:

(3)母材显微硬度值介于130～180 HV之间，熔合线附近堆焊层金属显微硬度值为180～220 HV，堆焊层硬度值高于母材硬度值。堆焊获得的熔敷金属的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、断后伸长率、冲击吸收能量、冲击韧性分别为554 MPa, 332 MPa, 35%, 30%, 35 J, 0.71 J/mm2。冲击断口断裂方式为韧性断裂。从力学性能角度考虑，采用竖直方向低稀释率射流堆焊方法的得到的堆焊层性能符合要求。

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