自動化焊接技術(shù)在中厚鋼環(huán)縫焊接中的應(yīng)用

張國軍 李國均 邱 凱 安志恒 江 晨

自動化焊接技術(shù)在中厚鋼環(huán)縫焊接中的應(yīng)用

張國軍 李國均 邱 凱 安志恒 江 晨

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

簡述了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求，分析了材料焊接性及生產(chǎn)局限性，針對關(guān)鍵工序，提出了自動P-TIG的工藝方法，從工藝參數(shù)、力學(xué)性能、氬氣變化等方面進(jìn)行了產(chǎn)品焊接試驗，確定了合適的工藝參數(shù)，批量生產(chǎn)表明，該工藝方案完全適合于產(chǎn)品的生產(chǎn)。

30CrMnSiA；成形控制；P-TIG

1 引言

在航天制造領(lǐng)域，隨著產(chǎn)能提升和新型號的涌現(xiàn)，焊接部件可靠性的要求也越來越高。焊接工藝由實施的可行性逐步向成功率及高效率需求轉(zhuǎn)變。

貯氣罐是某型號關(guān)鍵部件，材料為30CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼。產(chǎn)品在服役狀態(tài)下承受較高的壓力，對焊接質(zhì)量要求較高。在對焊接后的產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測時，發(fā)現(xiàn)一次合格率很低，缺陷產(chǎn)生率較高。在焊接接頭中常出現(xiàn)未焊透、未熔合、焊瘤等缺陷，并且產(chǎn)品焊接難度較大，對焊工的臨場技能狀態(tài)依賴性較大，單日產(chǎn)出量僅為3個，伴隨著型號任務(wù)量的劇增，瓶頸嚴(yán)重制約著科研生產(chǎn)的進(jìn)度。

2 貯氣罐焊接技術(shù)要求及缺陷分析

2.1 貯氣罐結(jié)構(gòu)

貯氣罐主體部分包括罐體及罐蓋，通過對接環(huán)縫連接成為一個整體。罐體和罐蓋均采用自由鍛件毛胚件車削而成，材料為30CrMnSiA，比強(qiáng)度和硬度均較高，具有較大的淬透性，焊接性較差，需要采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷及消除應(yīng)力等措施。焊接邊厚度為7mm，內(nèi)徑尺寸為92mm。如圖1所示。

圖1 貯氣罐焊縫結(jié)構(gòu)示意圖

焊接后焊縫質(zhì)量要求符合QJ 1842A—2011 II級焊接接頭質(zhì)量要求，同時通過強(qiáng)度為25MPa水壓試驗，焊縫兩側(cè)的基體與焊縫過渡均勻，錯位量控制嚴(yán)格，內(nèi)表面不能氧化。

2.2 產(chǎn)品缺陷分析

由于結(jié)構(gòu)原因，貯氣罐采用單面焊雙面成形的工藝方案，坡口加工形式為“Y”型，單邊30°，鈍邊規(guī)格為2mm。

焊接采用手工TIG送絲打底+蓋面2層焊接，第一層打底焊主要是為了保證單面焊雙面成形。按照焊前預(yù)熱、焊后去應(yīng)力等相關(guān)要求生產(chǎn)[1]。具體流程為加工坡口→預(yù)熱到200～300℃→焊接罐體和罐蓋→2h內(nèi)退火去應(yīng)力→調(diào)質(zhì)熱處理。

焊接后進(jìn)行無損檢測，發(fā)現(xiàn)焊接接頭內(nèi)部存在未熔合、未焊透。采用內(nèi)窺鏡檢查接頭背后，發(fā)現(xiàn)存在焊瘤、內(nèi)部凹陷。如圖2所示。

圖2 未焊透、焊瘤缺陷、內(nèi)部凹陷焊接缺陷

分析整個焊接過程，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生缺陷的原因是：

a. 貯氣罐焊接邊厚度為7mm，打底焊接質(zhì)量至關(guān)重要，由于兩邊坡口較窄，裝配為零間隙，為了保證焊透，在生產(chǎn)中需要采用大電流，手工焊接時，若手工移動速度不穩(wěn)，手勢不當(dāng)或電弧發(fā)生偏吹，就會產(chǎn)生焊瘤、未焊透、未熔合缺陷[1]。

b. 焊接時背部通氬氣保護(hù)，為了實現(xiàn)全保護(hù)，焊接背后氬氣流量值為10L/min，保護(hù)氣流量值高，隨著焊接進(jìn)程的進(jìn)行，氣體溫度逐步升高，壓力值增大，遠(yuǎn)大于熔池的重力，液態(tài)結(jié)晶成形時，在表面張力及內(nèi)部壓力作用下，形成反面凹陷。

c. 組合件結(jié)構(gòu)的限制，內(nèi)型面難以采用打磨的方式修整，補(bǔ)焊極難進(jìn)行，缺陷難以排除。

綜上所述，產(chǎn)生焊接缺陷的原因是手工焊接的穩(wěn)定性和氣體壓力隨焊時波動，初步分析得出，影響最終焊接質(zhì)量的因素是焊接工藝。

3 工藝解決方案及試驗

3.1 焊接工藝和參數(shù)試驗

30CrMnSiA的碳當(dāng)量高達(dá)0.73%，含合金元素多，產(chǎn)生裂紋的傾向較大。鎢極脈沖氬弧焊比連續(xù)焊熱輸入少，熱循環(huán)得到改善，減少了晶粒長大傾向和淬硬區(qū)范圍，有利于降低裂紋的產(chǎn)生，對于30CrMnSiA具有較好的適應(yīng)性。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖3 焊接接頭質(zhì)量

脈沖焊接過程中的峰值、基值電流交替作用在焊接接頭上，峰值電流保證熔深，基值電流優(yōu)化焊縫成型。焊接參數(shù)如表1所示，焊絲選用H08Mn2SiA。

焊接后的試板如圖3所示，焊縫通過試板試驗可以發(fā)現(xiàn)，焊縫正面成型飽滿，焊接接頭背后焊漏均勻一致，焊縫打底層和蓋面層分界明顯，分析是打底層的二次受熱所致，接頭內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)缺陷[2]。

3.2 力學(xué)性能測試

表2 焊接接頭力學(xué)性能

以試板焊縫為中心，垂直于焊縫方向切割制取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，制取3個試件，接頭抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率如表2所列，獲得的焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均為1100MPa，約為30CrMnSiA母材的95.7%，符合QJ 1842A—2011 II級焊接接頭的力學(xué)要求。

3.3 背面氬氣保護(hù)

圖4 背后保護(hù)氣壓力曲線

圖5 改進(jìn)后焊縫內(nèi)表面

為了防止在焊接過程中氬氣的壓力隨溫度升高而增大對熔池的影響，設(shè)計了隨焊漸變式的壓力曲線。如圖4所示，焊接開始前調(diào)大氬氣流量，通氬氣3～4min，空氣排完后再焊接，焊接開始時將氬氣流量降至4～6L/min，隨著焊接過程的進(jìn)行，將數(shù)值逐步降至3～4L/min。實現(xiàn)焊接時內(nèi)部充氬氣保護(hù)。焊接后的結(jié)果如圖5所示，焊接后內(nèi)部未出現(xiàn)發(fā)黑的氧化色，焊漏成型圓滑，未出現(xiàn)凹進(jìn)母材的情況。

4 試驗件及產(chǎn)品生產(chǎn)情況

圖6 貯氣罐產(chǎn)品打底、蓋面后焊縫外表面

采用自動脈沖鎢級氬弧焊工藝進(jìn)行了貯氣罐組件的試生產(chǎn)，打底焊接后產(chǎn)品焊透，外表面成型良好，內(nèi)部保護(hù)優(yōu)良，不存在表面氣孔、夾鎢等現(xiàn)象，蓋面焊接后焊縫外觀魚鱗紋均勻，寬度均勻一致，如圖6所示。隨后生產(chǎn)了10件貯氣罐，情況如下：

a. 焊縫X光檢測：采用新工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，未出現(xiàn)未焊透、未熔合及焊瘤等缺陷，滿足QJ1842A—2011 II級要求，10條焊縫一次交檢合格率達(dá)到100%。

b. 強(qiáng)度試驗：對10件產(chǎn)品進(jìn)行了25MPa水壓試驗，保壓5min后，焊縫不存在滲漏，產(chǎn)品全部合格。

c. 生產(chǎn)效率：單日產(chǎn)量可達(dá)10～15個，效率是原先工藝的2～3倍。

5 結(jié)束語

采用自動P-TIG自動焊工藝后，解決了貯氣罐手工焊接時未熔合、未焊透、焊瘤缺陷發(fā)生率高、產(chǎn)能不足的問題，完全消除了手工焊接時缺陷問題。

1 楊學(xué)勤. 某型號30CrMnSiA氣瓶焊接裂紋的研究[J]. 上海航天，1996

2 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會. 焊接手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

Application of Automatic Welding Technology in Circle Welding of Medium Thick Steel

Zhang Guojun Li Guojun Qiu Kai An Zhiheng Jiang Chen

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

This paper introduces the structure characteristics and technical requirements of products, and analyzes the weldability of material and process limitation. For key procedures, the process method of automatic P-TIG is put forward. The welding experiment of the product is carried out from the aspects of process parameters, mechanical properties, argon gas change, etc. The suitable process parameters are determined. Batch production shows that the process scheme is completely suitable for the production of the product.

30CrMnSiA；forming control；P-TIG

張國軍（1984），碩士，焊接專業(yè)；研究方向：焊接自動化、先進(jìn)加工工藝。

2019-12-04