电热水器搪瓷钢内胆环缝搭接焊工艺

王猛， 陈致远， 倪永谦， 魏艳红， 曹承明， 童志武

摘要： 为减少某型电热水器搪瓷钢内胆环缝焊接过程中焊接缺欠的产生，文中开展了焊接工艺优化试验，通过设计3因素4水平正交试验，得到不同焊接工艺参数组合下的焊缝成形结果。采用极差分析法评估出各焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响程度，优化了1.8 mm厚DC01EK搪瓷钢板GMAW高速搭接焊工艺参数。试验结果表明，在选定的焊接工艺参数范围内，最优焊接工艺参数组合为焊接电流190 A，电弧电压27 V，焊接速度23 mm/s。焊接工艺参数对焊缝成形质量的影响由大到小依次为焊接电流、焊接速度和电弧电压。优化后试样焊接过程稳定，接头力学性能良好，内胆两侧环缝连续均匀，无明显焊接缺陷，满足脉冲压力试验要求。

关键词： 搪瓷钢内胆； 搭接接头； 正交试验； 焊接工艺优化

中图分类号： TG 442

Lap welding process of girth weld in enameled steel inner tank of

electric water heater

Wang Meng1， Chen Zhiyuan1， Ni Yongqian1， Wei Yanhong1， Cao Chengming2， Tong Zhiwu2

（1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210000， Jiangsu， China;

2. Midea Group， Foshan 528000， Guangdong， China）

Abstract： To reduce welding imperfection in girth weld welding process of enameled steel inner tank of electric water heater， optimization test of welding process was carried out in the paper. Three factors and four levels of orthogonal experiments were designed to obtain formation of weld under different welding parameters. The range analysis method was used to evaluate influence of welding parameters on formation quality of weld. Welding parameters of 1.8 mm thick DC01EK enameled steel by GMAW highspeed lap welding were optimized. The results showed that the optimized welding parameters were welding current of 190 A， arc voltage of 27 V， and welding speed of 23 mm/s within the selected welding parameters. The factors affecting formation quality of weld from large to small were welding current， welding speed and arc voltage. After optimization， welding process of samples was stable and mechanical properties joints were good. The girth welds on both sides of inner tank were continuous and uniform， without obvious welding defects， which met requirements of pulse pressure test.

Key words： enameled steel inner tank; lap joint; orthogonal test; welding process optimization

0前言

普通低碳鋼经过瓷釉涂搪后形成搪瓷钢，其金属胚体表面获得了耐高温、耐磨及耐蚀等优良性能，是用于容积式热水器内胆的主要材料[1-3]。对于搪瓷钢热水器内胆结构，常用的焊接方法为熔化极气体保护焊（GMAW），封头和筒身的连接部位通常采用搭接接头[4]。由于母材厚度较薄，对焊接热输入非常敏感，同时实际生产中焊接速度较快，在焊接过程中易产生焊穿、裂纹、咬边等焊接缺陷，因此搭接环缝是整个内胆结构的薄弱环节[5]。

薄板高速焊接需要精确控制焊接热输入来获得良好的焊接接头成形[6]。韩建波[5]及王兴国[7]分别通过试验研究和数值模拟相结合的方法，对内胆搭接环缝焊接规范参数进行了改进，减少了焊接缺陷的产生，提高了内胆脉冲压力试验寿命。刘树清等人[8]通过对内胆环缝搭接接头的搭接形式和角度优化调整，减少了环缝缝隙腐蚀情况的产生。Tuek等人[9]研究发现电弧偏吹、不均匀散热及焊接区域存在氧化物和杂质等问题会导致搭接环缝根部不完全熔合，是造成内胆渗漏的主要原因之一。对于搪瓷钢内胆GMAW环缝搭接焊，焊缝成形质量与力学性能对产品最终服役有很大影响，合理的焊接工艺参数组合更是控制上述过程的关键。开展相关焊接工艺研究，可为改善企业实际焊接生产问题提供数据参考和理论指导。

针对1.8 mm厚DC01EK搪瓷钢搭接焊工艺进行研究，开展多因素正交试验，以获得不同焊接工艺参数下的焊缝成形结果。采用极差分析法评估出各工艺参数对焊缝成形影响的显著次序，对焊接工艺参数组合进行优化，并采用试片件和整体内胆结构进行了验证。

1试验材料与方法

1.1试验材料和设备

焊接试验所用焊接设备为Fronius公司生产的TPS5000数字化焊机及安川MOTOMANGP12/ AR1440六轴焊接机器人系统，保护气体为80%Ar +20%CO2，气体流量为15 L/min。焊接过程保持焊枪倾角为65°，焊丝伸出长度为12～15 mm，搭接间隙为0 mm。焊接过程示意图如图1所示。

试验材料选用DC01EK冷轧搪瓷钢板，试板规格为175 mm×150 mm×1.8 mm。填充焊丝为ER506，直径为1.2 mm，母材及焊丝的化学成分见表1。

1.2试验方法

根据实际产线对应工序焊接工艺窗口，正交试验选取焊接电流、电弧电压和焊接速度3个变量作为因素，在每个因素中选取4个不同水平，选用L16 （43）的正交试验设计方案，见表2。

焊前先用丙酮去除试板表面污渍，再采用机械清理方式去除试板焊接区域及附近表面、侧边氧化膜。在工作台上组装成单边搭接接头（搭接量为10 mm）并限位固定。

2试验结果与分析

2.1正交试验工艺优化

通过正交试验获得16组搭接接头的焊缝成形结果，如图2所示。可以看出，由于焊接过程热输入较大，5号、8号、9号、10号、15号试件表面出现过烧甚至烧穿现象；2号和14号试件焊缝表面宽度较窄，3号试件焊缝表面宽度较宽且焊道出现明显塌陷，以上试件成形效果均不理想；1号、4号、6号、7号、11号、12号、13号和16号试件表面纹路清晰，焊缝连续均匀、宏观形貌较佳。

为对焊缝的成形质量进行量化评价，文中采用了综合评价的方法，制定相应的评价準则，规定理想焊缝成形为50分，其中焊接宏观缺欠、焊接飞溅和焊缝宽度分别作为评价指标，各占30分、10分和10分[10]。针对每项评价指标，进一步根据焊接试验结果，分别设置满分（无明显宏观缺欠、焊接飞溅数量少、焊缝宽度适中）、半分（存在咬边或焊缝塌陷等、焊接飞溅数量增加、焊缝宽度偏窄或宽）和零分（焊穿）。正交试验设计方案和极差分析结果列于表3。

针对正交试验的焊缝成形结果进行极差分析，见表3。Kij为第i列第j水平的评分平均值；R为第i列影响4个水平的极差值，表示该因素在其取值范围内试验指标变化的幅度。通过极差分析确定影响试验结果的主次因素，极差R值大表明该因素对试验结果的影响大，是主要因素；反之为次要因素。由结果可知，影响焊缝成形质量的最主要因素是焊接电流，其次分别为焊接速度和电弧电压，对应的最优组合是A1B2C4。

为验证最优工艺参数的可靠性，在最优焊接参数组合下进行多组重复试验，进一步验证焊接接头的力学性能。焊接完成后，从各个试板焊缝位置取下合适尺寸的试样，分别进行焊缝形貌观察和力学性能测试。

2.2焊缝宏观形貌和显微组织分析

在最优焊接参数组合下，焊缝的宏观形貌如图3所示，可以看出，焊缝连续均匀，整个焊接过程稳定且飞溅数量较少。图4为焊缝中部横截面形貌，可见焊缝内部无明显的焊接缺陷，焊趾处过渡平滑，焊缝熔宽为9.81 mm，焊缝熔深为2.56 mm，焊缝深宽比适中，满足实际生产中的搭接焊缝要求。

试样母材和焊缝的金相组织如图5所示。在焊接过程中，由于焊接热循环的作用，导致接头各个区域的显微组织存在差异。母材区域组织以铁素体为主，夹杂少许珠光体，保证了母材较好的强韧性。焊缝中心区域组织呈方向性生长排列，以先共析铁素体为主，晶内分布着侧板条铁素体和针状铁素体。以熔合线为分界，热影响区的粗晶区晶粒尺寸增大，组织主要由铁素体和粒状贝氏体组成。

2.3显微硬度分析

焊接接头显微硬度测试参照GB/T 2654—2008标准进行，显微硬度计型号为HXS1000AC，载荷为0.98 mN，加载时间为10 s。测试时距焊缝中心每0.5 mm取一个试验点，每个试验点测3次数据取平均值，测试结果如图6所示。从图6可见，焊缝（WM）硬度最高，平均硬度为225.5 HV，母材（BM）平均硬度为121.6 HV，约为焊缝区的53.9%。热影响区（HAZ）硬度下降，平均硬度为184.9 HV，约为焊缝区的81.9%。结合金相观察可知，热影响区晶粒粗化是该区域硬度下降的主要原因。

2.4拉伸性能测试

焊接接头拉伸性能测试参照GB/T 2651—2008标准进行，拉伸试验机型号为KY100KNW，拉伸速率为2 mm/min，试验结果如图7所示。

焊接接头位于试样中部，均断裂在母材处，平均抗拉强度为291.1 MPa，平均断后伸长率为29.8%，焊缝的抗拉强度高于母材。图8为拉伸试样断口形貌图，可以看出为典型的单轴拉伸塑性断口，由纤维区和剪切唇2个特征区域组成。高放大倍数下表现为明显韧窝特征，属于塑性断裂，材料的塑韧性较好。

2.5实际内胆生产线应用

在实际内胆焊接生产线采用上述最优焊接工艺参数组合进行内胆整体结构焊接试验，制备完整内胆并进行气密性检测和脉冲压力试验，检测其焊接质量和焊缝性能是否满足要求。脉冲压力试验按照GB/T 20289—2006《储水式电热水器》进行，在内胆内注入环境温度的水排除内部空气，采用额定压力的15%～（100%±5%）之间的数值交替对容器加压， 25～60次/min，每完成1×104次，保持最大工作压力10 min，如图9所示。从图9中可以看出，内胆两侧环焊缝成形良好，沿环向焊缝饱满均匀，无明显焊接缺陷。测试结果表明，在1×105次脉冲试验后，筒身无渗漏、变形等不良现象，满足企业脉冲压力试验要求。

3结论

（1）根据多因素正交试验的极差分析结果可知，主要工艺参数对焊缝表面成形质量的影响由大到小依次为焊接电流、焊接速度和电弧电压。最优的焊接工艺参数组合为焊接电流190 A，电弧电压27 V，焊接速度23 mm/s。

（2）在最优焊接工艺参数组合下进行多组焊接试验，试样焊缝表面成形连续均匀，焊接过程稳定，接头力学性能较好，能够满足实际内胆环缝生产要求。

（3）采用最优焊接工艺参数组合在实际内胆生产线进行焊接试验，内胆筒身两侧环缝成形良好，焊缝饱满均匀，无明显焊接缺陷。脉冲压力试验达到1×105次以上，满足企业产品质量要求。能够为内胆实际生产过程中环缝焊接环节的参数调试提供参考和指导，有利于提高产品合格率。

参考文献

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收稿日期： 2022-02-26

王猛简介： 硕士研究生；主要从事焊接工艺与数值模拟的研究；450641297@qq.com。

魏艳红简介：通信作者，博士，教授，博士生导师；主要从事焊接数字化与智能化软件开发、焊接过程有限元仿真、接头组织演化模拟、接头力学性能预测等方向的研究；已发表论文260余篇；yhwei@nuaa.edu.cn。