基于GMAW堆焊成形的焊道搭接量及力学性能研究的学习体会

文献概况

本文发表于《热加工工艺》2017年第46卷第11期，作者团队来自新疆大学机械工程学院，属于基础研究与工程应用相结合的工作。文章以基于GMAW（Gas Metal Arc Welding，气体保护金属弧焊）堆焊成形的堆焊层为研究对象，系统研究了焊道搭接量模型及其对堆焊层成形表面平整度的影响，并通过试验验证了搭接模型的可靠性。研究对于GMAW自动堆焊工艺的优化和堆焊层质量控制具有重要的指导意义。

焊道搭接量模型建立

焊道搭接量（Overlap Ratio）是自动堆焊工艺中的关键参数，直接影响堆焊层的表面质量、成形精度和力学性能。搭接量定义为相邻焊道之间的重叠宽度与单道焊道宽度之比。搭接量过小会导致焊道间出现间隙，造成堆焊层表面不平整甚至出现缺陷；搭接量过大则会导致堆焊效率降低，且可能引起熔池过热和成分偏析。

文章建立了焊道搭接量模型，重点分析了搭接量对堆焊层成形表面平整度的影响。从几何关系来看，搭接量与焊道宽度、焊接速度和送丝速度密切相关。在GMAW堆焊过程中，焊道宽度主要受焊接电流、焊接速度和熔滴过渡方式的影响。焊接电流增大，焊道宽度增加；焊接速度增大，焊道宽度减小；送丝速度增大，熔敷量增加，焊道高度和宽度均增大。

成形质量与力学性能分析

通过试验验证，采用电流115 A、送丝速度50 mm/s、焊接速度6 mm/s这组成形工艺参数时，成形质量相对稳定，堆焊层成形表面平整度好。这一结果对于GMAW自动堆焊的工艺参数选择具有重要的参考价值。在实际生产中，焊接速度6 mm/s属于较低的速度范围，这保证了足够的熔敷量和焊道成形质量，但牺牲了生产效率。在生产实践中，需要根据具体应用场景在成形质量和生产效率之间寻找平衡点。

堆焊层的硬度从焊道底部向上逐渐增大，大致在150～180HV之间。这一硬度梯度分布特征与GMAW堆焊的热循环特性密切相关：焊道底部经历了多次热循环，晶粒细化，同时由于稀释率较高，硬度较低；焊道顶部经历了较少热循环，晶粒相对粗大，但由于基体稀释较少，堆焊合金成分保持较好，硬度较高。

堆焊层拉伸性能好，断口为韧性断裂，塑性好，能满足零件的使用性能要求。这一结果表明，在合理的工艺参数下，GMAW堆焊层具有良好的综合力学性能，适用于承受一定载荷的工况条件。

工程应用中的关键问题

在钢管和管件制造领域，GMAW自动堆焊广泛应用于管道内壁耐磨堆焊、管件表面强化堆焊等场景。工程应用中需注意以下关键问题：

1. 焊道跟踪精度：自动堆焊过程中，焊枪的跟踪精度直接影响搭接量的控制。对于曲面堆焊（如弯头、三通等管件），需要采用先进的跟踪系统或编程控制，确保搭接量的一致性。
2. 多层堆焊的搭接量调整：随着堆焊层数的增加，每层的搭接量需要根据前一层焊道的实际宽度进行调整，避免累积误差导致堆焊层表面质量下降。
3. 热输入控制：多层堆焊过程中，层间温度的累积会导致热输入增大，影响堆焊层的组织和性能。应通过控制焊接速度、采用脉冲焊接等方式控制热输入。
4. 残余应力控制：堆焊层与基体之间的残余应力可能导致堆焊层剥离或开裂。应通过合理的堆焊顺序、中间热处理等方式控制残余应力。

从5W2H方法分析，GMAW自动堆焊工艺优化需要考虑：What（堆焊材料和工艺目标）、Why（为什么选择GMAW工艺）、Who（操作人员技能要求）、When（堆焊时机和顺序）、Where（堆焊位置和环境条件）、How（工艺参数和操作规范）、How Much（成本和质量要求）。只有全面考虑这些要素，才能实现堆焊工艺的最优化。

学习心得与启示

本文的研究体现了从理论模型到工程应用的完整研究链条。焊道搭接量模型的建立为自动堆焊的工艺参数优化提供了理论依据，而试验验证则确保了模型的实际适用性。对于工程技术人员而言，这一研究思路具有重要的借鉴意义：在实际生产中，不应仅凭经验调整工艺参数，而应建立数学模型，通过试验验证模型的可靠性，从而实现工艺的标准化和可控化。GMAW自动堆焊技术在钢管和管件制造中的应用前景广阔，特别是在管道内壁耐磨堆焊和管件表面强化堆焊领域，通过优化焊道搭接量和工艺参数，可以显著提高堆焊层的质量和使用寿命。