機械手焊接過渡段結合線工藝研究

摘 要：本文介紹了國外某燃氣輪機過渡段結合線機械手焊接加工技術，著重論述了焊接夾具設計制造，機械手焊接參數選擇，及防止焊接變形和焊接缺陷的措施等。

關鍵詞：夾具；程序；焊接變形；焊接缺陷

中圖分類號：F272 文獻標識碼：A

1 結構特點及要求

零件的前端圓口為圓形，后端方口為扇形，它們之間通過21個圓形、橢圓形、扇形截面逐漸圓滑過渡形成。圓口的圓度為2.0mm，方口的輪廓度為2.0mm，中央脊線縱向輪廓度3.0mm。對焊接的質量要求是： 焊縫100%焊透、100%熔合；焊縫錯邊不大于0.76mm；焊縫正反面余高不大于1.5mm；焊后進行X光焊道內部缺陷和熒光檢查焊道表面缺陷。

2 材料

零件材料為N263，是一種沉淀硬化型Ni基高溫合金，相當于國內材料GH163，主要用于航空發動機燃燒室部件。其鋁、鈦含量較少，焊接性良好，抗氧化性、耐蝕性和耐熱強性好，焊接時接頭裂紋傾向性小。焊絲材料為設計圖規定的AMS5966，成分與N263基本一致。

3 焊接工藝方案

3.1 工藝安排

考慮到過渡段板材厚度為4.78mm，需要焊接兩層，打底焊和蓋面焊如果全部使用手工氬弧焊難度不大，空間曲線焊縫使用機械手自動焊接是一個新課題。

自動焊接結合線的主要工藝順序：選配上下半瓢→開坡口→焊前清理→裝配定位焊→打底焊接→清理焊縫→蓋面焊接→熱處理→X光檢查→補焊→校正→熒光檢查→清理缺陷→修整→最終檢驗。

3.2 焊接設備

定位焊接采用林肯TIG355手工氬弧焊機。

自動焊接采用COOLS氬弧焊接機械手，它有6個內部軸和6個外部軸，內部軸即帶焊槍的機械手，可沿X，Y，Z方向移動和旋轉，能夠實現焊槍達到空間任意位置，保證其在工作空間內精確完成焊接操作；外部軸即工位變位器，共有三處，每處可兩軸旋轉：水平翻轉和垂直旋轉。

3.3 焊接夾具

根據零件的具體形狀和焊接工藝特點設計出焊接夾具：能夠脹緊零件方口圓口防止焊接變形，能保證單面焊接雙面成型，有背面氬氣保護銅管，能夠防止背面焊道氧化，零件裝夾和拆卸方便。

3.4 焊接工藝試驗及焊接參數優化

焊接工藝評定試驗要求采用相同材料的工藝試板進行，坡口形式單面V型坡口，焊后符合相關焊接標準對焊接質量的要求。試片焊接參數如表1所示

4 存在問題及解決方案

4.1 存在問題

（1）焊前準備。焊前清理不當，激光切割結合線重熔層未清理干凈；零件上下半瓢坡口角度加工不一致，坡口鈍邊有大有小，坡口不均勻；焊接間隙過小或過大，在焊接過程中會引起熱量不均勻，使焊件產生變形，還會產生未熔合，未焊透等缺陷。

（2）定位焊。A 零件組對時，上下半瓢配瓢后輪廓度和尺寸仍相差較大，在裝配定位焊時，硬將零件結合線（焊縫）處別平，在強制裝配下進行定位焊，使定位焊點處產生很大的內應力，當焊到定位焊點處時，焊點熔化，內應力得到釋放，而引起焊接變形，造成錯邊。B 定位焊時背面氬氣沒有保護好，會使背面產生氧化。C 焊接間隙大時，定位焊點邊緣有豁口，打底焊時造成局部燒穿。定位焊點過大會造成打底焊時的未焊透現象，過小會造成局部錯邊。D 在焊縫起焊處容易產生端頭裂紋，產生原因主要是在焊接時端頭焊縫冷卻速度較快，而焊縫兩側的拉應力又很大，熔焊時，使焊縫內部組織沒有完全結晶，就被兩側的拉應力給拉開，引起裂紋。E 定位焊結束時熄弧過快，使定位焊點收弧處產生較深的弧坑、收弧裂紋和嚴重的氧化現象。

（3）打底焊。定位焊的不當之處對打底焊都有較嚴重的影響，另外焊接參數的選擇都會直接影響零件的焊接質量。機械手焊前示教采點數量及位置，焊槍鎢極端頭的位置高低也會影響焊接質量。夾具氬氣背保不當，影響背面焊道成型質量和氧化程度。

（4）蓋面焊。與打底焊基本相同，只是背面不用焊透，焊道寬度更大。因此電流可以比打底焊小一些，擺動更大一些；如果焊前坡口不均勻，寬窄不一致，易造成咬邊現象；另外應注意防止層間未熔合。

4.2 解決方案

（1）焊前準備。A 焊前在選配過渡段上下半瓢時，分別用圓口和方口樣板進行測量，保證上下瓢結合線間隙均勻大小在1-2mm之間。間隙均勻能夠提高焊透率，防止未焊透和未熔合的產生。選配的零件能夠減少定位焊內部殘余應力，防止焊接時產生錯邊。B 開坡口時采用樣板對坡口進行測量，保證角度均勻一致。

（2）定位焊。A 對選配的過渡段進行定位焊接，保證間隙1-2mm。B 打底焊接前：先將每個定位焊點上的豁口、弧坑、氣孔、氧化處打磨補焊，如定位點已開裂，要打磨掉，重新補加定位焊點。

（3）打底焊。A 檢查背面氬氣保護裝置是否有效。B 焊接電流和焊接速度等參數應匹配，防止根部未熔合和未焊透。

（4）蓋面焊。A 增加采點個數，控制焊槍的擺動幅度防止咬邊現象，提高焊縫表面的美觀程度。B 注意層間清理，防止產生層間未熔合現象，層間清理應用不銹鋼絲刷進行，保證露出金屬光澤，層間溫度應控制在不大于177℃。C 收弧注意衰減，防止收弧缺陷的產生。

結論

機械手自動焊接過渡段焊縫打底焊是關鍵。打底焊的關鍵是對接間隙和背面氬氣保護。

參考文獻

[1]美國鎳基高溫合金[M].北京：科學出版社.