結(jié)構(gòu)鋼熔化極混合氣體保護(hù)自動(dòng)化焊接工藝研究與應(yīng)用

余 剛，宋 潔，傅仁科，肖 熙

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330096）

0 引言

近年來(lái)隨著一些新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝在航空工業(yè)中不斷廣泛應(yīng)用，焊接連接技術(shù)已成為航空制造業(yè)中重要的連接方法之一[1]。某型號(hào)艙體（如圖1所示）廣泛采用了手工電弧焊的焊接工藝方法。該方法不僅焊接速度慢,而且焊后零件尺寸變形量較大,焊縫質(zhì)量難以保證。采用熔化極混合氣體保護(hù)焊焊接是比較理想的一種工藝方法。

圖1 某型號(hào)艙體

熔化極混合體保護(hù)焊技術(shù)是一種新型的焊接連接技術(shù)，該方法利用(Ar+CO2)系列混合氣體作為保護(hù)氣體，焊絲本身為電極，并且由于焊接時(shí)焊絲較細(xì)、電流密度大、電弧穿透能力強(qiáng)、熔深大及熔敷率高等特點(diǎn)，可以減小坡口角度,增加鈍邊厚度，降低焊接應(yīng)力與變形，焊縫成型美觀，飛濺少。與傳統(tǒng)手工焊條焊相比，熔化極混合體保護(hù)焊技術(shù)操作簡(jiǎn)便、生產(chǎn)效率高、成本低，是唯一能適用于各種規(guī)格的材質(zhì)及焊接條件的全位置焊接工藝[2-3]。

1 焊接工藝性可行性分析

保護(hù)氣體特性、混合種類(lèi)與混合比對(duì)焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生重要影響，不同保護(hù)氣體或不同的混合比例，在焊接過(guò)程中有不同的表現(xiàn)與作用[4]。

熔化極Ar+CO2混合氣體保護(hù)焊，即在富Ar氣體中加入氧化性氣體CO2，使得在焊接過(guò)程中同時(shí)具有氬弧焊和二氧化碳焊的優(yōu)點(diǎn)，可以使電弧燃燒更穩(wěn)定，并能減少液態(tài)金屬的表面張力，有利于金屬熔滴的細(xì)化。隨著混合氣體中CO2含量的增加，焊接熱輸入也隨之增加，母材熔深增加，焊絲熔化系數(shù)提高，熔化區(qū)域增大，熔池流動(dòng)性增加，熔化區(qū)域的形狀更加平坦，焊縫美觀，生產(chǎn)效率高[5],并且在保護(hù)氣體中Ar的含量高時(shí)，產(chǎn)生氣孔的傾向增加[6]。因此采用熔化極Ar+CO2混合氣體保護(hù)電弧焊可以有效解決用單一的Ar或CO2氣體作為保護(hù)氣體的電弧焊存在的各種問(wèn)題。

西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠的郭會(huì)民等在對(duì)16MnR低合金鋼進(jìn)行熔化極混合氣體保護(hù)焊焊接試驗(yàn)時(shí)，選用80%Ar+20%CO2富氬混合氣體作為保護(hù)氣體、H08Mn2SiA焊絲作為填充材料。通過(guò)試驗(yàn)分析得到了最佳的焊接工藝參數(shù)，并且接頭的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值,焊縫的使用性能良好,可保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量[3]。

2 焊接工藝試驗(yàn)開(kāi)發(fā)研究

2.1 試驗(yàn)材料和焊接設(shè)備

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的一致性，本試驗(yàn)采用實(shí)際零件作為焊接試樣，材料為航空用20#碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料厚度σ20mm，該材料是一種優(yōu)質(zhì)低碳碳素鋼，其化學(xué)成分除含有C元素和為脫氧而含有一定量Si、Mn元素外，不含其它合金元素。其化學(xué)成分和機(jī)械性能見(jiàn)表1、表2。

表1 20#碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分(%)

表2 20#碳素結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能

按照HB5299標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，為了保證焊接接頭相關(guān)質(zhì)量要求，本試驗(yàn)焊接時(shí)選用的焊絲為航空結(jié)構(gòu)鋼用焊絲H18CrMoA，直徑為φ1.2mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。焊接試驗(yàn)所用的保護(hù)氣體為：（75%）Ar+（25%）CO2（流量比），其中氬氣純度≥99.99%和二氧化碳純度≥95.5%。

表3 H18CrMoA焊絲的化學(xué)成分(%)

本試驗(yàn)中，對(duì)20#碳素結(jié)構(gòu)鋼熔化極混合氣體保護(hù)自動(dòng)化焊接所采用的試驗(yàn)設(shè)備由焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、焊接工裝夾具、保護(hù)氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、遙控及焊槍組成。焊機(jī)型號(hào)為：OTC公司生產(chǎn)的CPVE 500Ⅱ型號(hào)焊機(jī)、混合氣體配比器型號(hào)：293MX-50-C50AR。

2.2 試驗(yàn)方法和過(guò)程

本試驗(yàn)自動(dòng)化焊接流程如下：試樣坡口加工→焊絲和試樣表面清理→試樣裝夾→氣體配比→參數(shù)設(shè)置一實(shí)施焊接一焊接檢驗(yàn)，其中焊接電流、電壓和焊接速度是重要的焊接參數(shù)。

2.2.1 接頭坡口設(shè)計(jì)

接頭坡口設(shè)計(jì)應(yīng)使焊槍噴嘴與焊縫根部之間間隙適宜,因?yàn)殚g隙過(guò)小會(huì)影響飛濺飛出并堵住焊槍噴嘴從而影響保護(hù)氣體的保護(hù)效果，間隙過(guò)大會(huì)影響保護(hù)氣體的保護(hù)效果和焊縫根部熔透率,并且焊接過(guò)程中保護(hù)不當(dāng)會(huì)使焊縫生成大飛濺和氣孔等缺陷。又由于熔化極混合氣體保護(hù)焊焊絲較細(xì),電流密度大,熱量集中,電弧穿透能力強(qiáng),熔深大。由于實(shí)際零件為筒形件結(jié)構(gòu)，零件尺寸大、質(zhì)量較重，為了方便零件焊接裝夾，故零件接頭結(jié)構(gòu)采用鎖底焊接頭方式，配合方式采用過(guò)盈配合，坡口結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 焊接接頭坡口形式

2.2.2 試片焊前清理

試片焊前對(duì)試片進(jìn)行噴砂處理，去除零件表面油污、鐵銹等污染物。

2.2.3 焊接規(guī)范參數(shù)的選擇

在熔化極混合氣體保護(hù)焊中，主要焊接規(guī)范參數(shù)有焊接電流和電壓、焊接速度、氣體流量、焊絲牌號(hào)和直徑以及焊絲伸出長(zhǎng)度等。

為了滿足焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，本試驗(yàn)采用了強(qiáng)度較高的H18CrMoA焊絲作為接頭填充材料。與H08Mn2SiA焊絲相比，H18CrMoA焊絲成分中缺少對(duì)氧親和力比鐵大的Mn、Si元素作為脫氧劑,在焊接過(guò)程中，熔池中的FeO與C元素按照方程FeO+C=Fe+CO發(fā)生還原反應(yīng)生成CO氣孔,由于該化學(xué)反應(yīng)在熔池結(jié)晶溫度時(shí)發(fā)生得比較劇烈,且此時(shí)熔池已開(kāi)始凝固,CO氣體不易逸出,因此焊縫中易形成CO氣孔。

Ar+（21%~25%）CO2保護(hù)氣體現(xiàn)已常用于低碳鋼的焊接，該混合氣體特別在厚板大電流情況焊接時(shí)，電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，熔池易于控制，且生產(chǎn)效率高[7]。在富氬的保護(hù)氣體下焊接時(shí)，選用較高的電流和相應(yīng)的電弧電壓可以獲得無(wú)飛濺的噴射過(guò)渡，選用低電流和低電壓可實(shí)現(xiàn)短路過(guò)渡。射流過(guò)渡時(shí)電弧呈鉛筆錐狀，焊絲熔化時(shí)形成連續(xù)的細(xì)狀熔滴金屬在電磁力和等離子流作用力的作用下沿電弧軸線高速流向熔池，過(guò)渡頻率較高，使焊縫中心部位形成大且呈指狀的熔深，該熔深不利于氣體的逸出。再加上焊接母材較厚、接頭采用的是V型坡口形式，也不利于CO氣孔的逸出，在焊縫根部容易產(chǎn)生氣孔。短路過(guò)渡時(shí)焊絲熔化后端部的熔滴與熔池短路接觸，在電磁力和電弧弧柱高溫作用下，使其爆斷，直接向熔池過(guò)渡的過(guò)渡方式。該過(guò)渡方式提高了熔池金屬的流動(dòng)性，降低了焊縫金屬的表面張力和粘度，使熔池中的氣體易于上浮排出，常用于薄板及厚板根部打底層的焊接[8]。且焊接時(shí)射流過(guò)渡電弧穩(wěn)定，飛濺量少，焊縫成形美觀。短路過(guò)渡時(shí)焊縫成形較好，但飛濺較大且多，熔渣也較多。

由于本試驗(yàn)焊接試片材料較厚、坡口角度較大且為環(huán)形焊縫，因此本試驗(yàn)采用了多層多道焊焊接方法，即采用短路過(guò)渡打底焊和噴射過(guò)渡蓋面焊的焊接方法，并且在焊接過(guò)程中為了防止熔化金屬流淌，保護(hù)焊縫的正常成形將焊槍逆零件旋轉(zhuǎn)方向偏移一定距離，詳見(jiàn)圖3所示，其具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

圖3 焊槍與零件裝夾方式

3 焊接工藝評(píng)定

3.1 焊縫目視檢查結(jié)果

焊接結(jié)束后，試樣焊縫表面魚(yú)鱗紋均勻細(xì)密，焊縫成型美觀、變形量小，焊縫余高、寬度均勻一致，表面飛濺極小且易于清理，未發(fā)現(xiàn)咬邊現(xiàn)象且向母材圓滑過(guò)渡，符合相關(guān)HB和GJB焊接接頭質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 焊縫X光探傷檢查結(jié)果

焊后對(duì)試樣焊縫100%X光檢查發(fā)現(xiàn)，接頭內(nèi)部質(zhì)量符合相關(guān)HB和GJBⅡ級(jí)焊縫X光檢查標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 焊縫力學(xué)性能檢查結(jié)果

焊縫X光檢查合格后，按照相關(guān)HB和GJB標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接頭切取了3件試樣進(jìn)行了機(jī)械性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示試樣均斷裂在遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母材位置，接頭抗拉強(qiáng)度σb分別為：487MPa、484 MPa和489 MPa，均高于母材和相關(guān)HB、GJB要求的下限值強(qiáng)度，接頭的焊縫質(zhì)量和使用性能良好。

3.4 焊接的可操作性

焊接操作過(guò)程中，熔化極混合氣體保護(hù)自動(dòng)化焊接操作簡(jiǎn)便、勞動(dòng)強(qiáng)度低，焊接工作效率為焊條電弧焊的3～4倍。

4 結(jié)論

1）熔化極混合氣體保護(hù)焊保護(hù)氣體對(duì)焊縫力學(xué)性能表面成型有重要影響，正確選擇保護(hù)氣體種類(lèi)、混合種類(lèi)與比例和氣體流量，對(duì)于熔化極氣體保護(hù)焊至關(guān)重要。

2）焊接電流的大小對(duì)熔滴過(guò)渡形式起決定性的作用。熔化極混合氣體保護(hù)焊在富氬的保護(hù)氣體下焊接時(shí)，選用較高的電流和相應(yīng)的電弧與電壓可以獲得無(wú)飛濺的噴射過(guò)渡，選用低電流和低電壓可實(shí)現(xiàn)短路過(guò)渡，當(dāng)熔滴以滴狀形式過(guò)渡時(shí)，焊接電流的大小應(yīng)控制在細(xì)滴狀過(guò)度的范圍內(nèi)，否則會(huì)產(chǎn)生較大的飛濺。

3）在熔化極氣體保護(hù)焊中，電弧電壓是重要的焊接參數(shù)，它決定了熔滴過(guò)渡的形式和焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，電弧電壓與所選用的焊接電流之間存在著較嚴(yán)格的匹配關(guān)系，對(duì)于一定的電流范圍，對(duì)應(yīng)一定的電壓范圍。

4）熔化極混合氣體保護(hù)自動(dòng)化焊接時(shí)，采用短路過(guò)渡形式打底焊和噴射過(guò)渡形式蓋面焊的焊接方法可以得到表面成形美觀和接頭力學(xué)良好的焊接接頭。

5）熔化極混合氣體保護(hù)自動(dòng)化焊接適用于厚板低碳碳素結(jié)構(gòu)鋼環(huán)形焊縫焊接，焊縫接頭力學(xué)性能滿足相關(guān)航標(biāo)要求，可推廣應(yīng)用于筒形件零件的焊接生產(chǎn)中。