帶鎖底厚壁管的焊接技術(shù)探研

李塞川 尹小波 楊樹余

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求

該管的壁厚為6mm，鎖底厚度4mm左右，鈍邊厚度1mm左右，管子兩端各有一個法蘭靠氬弧焊接連為一體，管子和法蘭的材料均為Inconel 718 鎳基時效高溫合金，相當(dāng)于國內(nèi)牌號GH4169，化學(xué)成分見表1；焊絲牌號為AMS5837主要化學(xué)成分：60Ni-22Cr-9Mo-4.0Fe-3.5Nb。焊接后X光檢查和著色檢查不允許有裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氧化縮溝等缺陷；原焊接使用林肯TIG375為交直流方波氬弧焊機(jī)手工氬弧焊，焊接一次合格率為20%；如果補(bǔ)焊不僅影響法蘭與厚壁管之間的同軸度而且影響兩側(cè)法蘭端面上的孔位置度。為了保證被焊零件的焊接質(zhì)量和減少在焊接時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使焊接零件的焊接缺陷得到控制，現(xiàn)對其在加工中容易產(chǎn)生的技術(shù)問題和改善方法做一下闡述。零件焊接后最終保證設(shè)計(jì)圖尺寸及技術(shù)條件見圖1，

圖1：焊接接頭形式示意圖

表1 INCONEL 718化學(xué)成分表：（ %）

2 難點(diǎn)分析

從零件圖分析，零件是由三個機(jī)加零件焊接組合而成，其主要加工技術(shù)難點(diǎn)為：一是：零件的接頭形式為帶鎖底的V形坡口，坡口窄而深，而且有1.14mm的鈍邊；零件不容易焊透，容易產(chǎn)生未熔合現(xiàn)象。二是：零件材料為鎳基高溫合金Inconel 718，焊接時容易產(chǎn)生裂紋；三是：原采用手工氬弧焊接，焊接速度不固定，導(dǎo)致熱輸入量不均勻的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

3 缺陷產(chǎn)生原因和解決方法

3.1 焊接缺陷的主要種類

通過試驗(yàn)件和正式件的焊接，發(fā)現(xiàn)此類焊接接頭的焊接缺陷多數(shù)出現(xiàn)在第一層焊道上，缺陷的種類大致有：

a 未焊透（未熔合）： 主要存在于根部焊道上，X光底片上顯示為規(guī)則細(xì)長條線狀，位置在焊道接縫中心。

圖2：根部未焊透（未熔合）

b 縮溝：主要存在于根部焊道上靠近管子的一側(cè)，X光底片上可以看到焊縫內(nèi)部有黑色的條狀顯示，寬度為1-2mm。

c 局部有裂紋和細(xì)小線性顯示:主要為收弧裂紋和熱裂紋, 收弧裂紋存在于焊縫中收弧點(diǎn)弧坑中,熱裂紋存在于焊縫中,位置在焊縫中心附近。

當(dāng)焊接電流小時：第一層焊后易產(chǎn)生未焊透（未熔合）；當(dāng)焊接電流大時，零件焊后產(chǎn)生氧化縮溝，X光底片呈黑色寬條狀，氧化縮溝是最難修理的缺陷，因在焊縫根部底層，如果補(bǔ)焊，焊后變形大，零件容易報(bào)廢。設(shè)計(jì)圖要求焊后接頭右端需要車加工去除鎖底，如果車加工去除鎖底后可發(fā)現(xiàn)管內(nèi)表面焊縫有縮溝，零件內(nèi)表面就有凹陷。

圖3：氧化縮溝的具體形態(tài)和位置示意圖

3.2 焊接缺陷的主要原因

3.2.1 未焊透（未熔合）的主要原因

a 法蘭一側(cè)的零件厚度較大，管子一側(cè)的零件厚度較小，焊接時由于有1.14mm的鈍邊，管子一側(cè)已經(jīng)金屬熔化，而法蘭一側(cè)根部未焊透（未熔合）。

b 由于坡口深度較大,寬度較窄，而焊槍噴嘴直徑大，焊接時鎢極不能貼近焊道表面，電弧長度大,電弧熱量不集中,造成熔深較小,根部未焊透（未熔合）。

c 焊接參數(shù)不合適,焊接電流小。

d 打底焊接時添加了焊絲。

3.2.2 縮溝的主要原因

a 管子的內(nèi)徑與法蘭鎖底的外徑間隙較大，局部大于0.1mm，根部焊縫的熔池凝固時收縮并被氧化產(chǎn)生鎖溝。

3.2.3 裂紋的產(chǎn)生原因

a 定位焊點(diǎn)多,造成頻繁起弧和收弧，產(chǎn)生收弧裂紋。

b 第一層根部焊縫不填加焊絲，焊縫厚度較薄約0.3-0.5mm，強(qiáng)度較低，焊縫強(qiáng)度不足以抵抗熔池焊接收縮的應(yīng)力，拘束應(yīng)力使焊縫產(chǎn)生裂紋。

c 熱裂紋，焊接接頭冷卻過快，焊縫凝固結(jié)晶產(chǎn)生合金元素偏析,造成熱裂紋。

3.3 改進(jìn)措施

3.3.1 防止未焊透（未熔合）

a 焊接時焊槍向法蘭側(cè)傾斜5－10度，以保證焊槍電弧熱量集中在法蘭一側(cè)的焊縫上；保證焊接時零件順時針旋轉(zhuǎn)，焊接為上坡焊，使焊縫熔深加大。

b 改變了坡口的角度，將管子一側(cè)的坡口寬度加大了2 mm，焊槍鎢極能夠接近焊道底部。圖6紅色部分為增寬的坡口區(qū)域。

c 重新制定了焊接參數(shù)如下（見表2）：提高了焊接電流和焊接速度。

表2 焊接參數(shù)表

d 在第一層焊接時不添加焊絲，防止了熔化的焊絲在未形成熔池的情況下就覆蓋在未熔合的焊道。

3.3.2 防止縮溝的措施

a 與主制車間協(xié)調(diào)法蘭與管子的直徑，將單面徑向間隙控制到不大于0.05mm。試驗(yàn)證明法蘭與管子的徑向間隙越小焊接效果越好，焊前對法蘭和管子進(jìn)行選配。

b 在管子內(nèi)部通入氬氣對內(nèi)部焊道進(jìn)行保護(hù)，隔絕了空氣與熔池底部的接觸。

3.3.3 防止產(chǎn)生裂紋的措施

a清理待焊處兩側(cè)25毫米以內(nèi)雜質(zhì)、氧化皮等物，用不銹鋼絲刷先刷一遍，然后用軟布蘸丙酮清洗待焊處及坡口兩側(cè)。有缺陷的定位焊點(diǎn)在焊接前必須逐點(diǎn)用機(jī)械方法去除。去除后，對定位焊點(diǎn)處的污物用不銹鋼絲刷清理一遍，然后再用丙酮清洗。焊接時控制層間溫度不大于177℃。

圖4：改進(jìn)前和改進(jìn)后管子一端坡口示意圖

b 減少熄弧的次數(shù)，減少焊縫接頭的數(shù)量。因?yàn)槊肯ㄒ淮坞娀『蠖家匦缕鸷?，在重新起焊加熱過程中由于焊縫連接處受熱不均勻，會引起接縫搭接段凸起現(xiàn)象，產(chǎn)生起弧和收弧裂紋，焊接時每層只起弧和收弧一次，定位焊時減少定位焊點(diǎn)個數(shù)。當(dāng)焊至零件焊縫末端時，應(yīng)減小焊槍與工作夾角，使熱量集中在焊絲上，加大焊絲熔化量，以填滿弧坑。切斷控制開關(guān)，焊接電流開始衰減，熔池也將隨著減小，焊絲抽離電弧，但噴嘴不離氬氣保護(hù)區(qū)。停焊后，氬氣須延時10s左右，以防止熔池金屬在高溫下氧化。

c 由于焊接第一層焊縫不填加焊絲，焊縫厚度較薄約0.3-0.5mm，強(qiáng)度較低，焊縫內(nèi)部存在一些細(xì)小缺陷，通過立即焊接第二層焊縫可排除缺陷，并增強(qiáng)了焊縫強(qiáng)度，防止了拘束應(yīng)力造成的焊縫裂紋,第二層焊接后再進(jìn)行X光檢查。

d 層間對焊縫表面金屬氧化物進(jìn)行清理，防止了高熔點(diǎn)的氧化物如：NiO等在焊接過程中造成焊縫內(nèi)部產(chǎn)生的夾雜裂紋等缺陷。

4采用半自動焊接代替手工焊接

采用半自動焊接可穩(wěn)定焊接質(zhì)量，保持參數(shù)的一致性，但有以下問題：

a 零件的夾緊及定位形式。

b 氬弧焊焊槍的固定方式

c 轉(zhuǎn)具的轉(zhuǎn)速控制

為解決上述問題我們通過查閱有關(guān)資料，與焊接專業(yè)人員技術(shù)交流等方法最終確定了半自動轉(zhuǎn)具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

a 根據(jù)零件的特點(diǎn)：為管型零件，直徑較小ф100mm左右，長度較大800mm 到3200mm。采用ф125mm的三爪卡盤和兩個能夠移動的支架對零件進(jìn)行位置固定，最大焊接直徑ф200mm。焊接800mm-1500mm的零件可使用三爪卡盤和一個支架；焊接2000mm至3200的零件可使用三爪卡盤和兩個支架。為保證零件前后同軸度可調(diào)節(jié)支架的高度。三爪卡盤可直接漲緊管型件的內(nèi)壁，也可夾緊穿過零件的定位焊芯棒的一端。

b 氬弧焊焊槍托架可上下、軸向移動，并可旋轉(zhuǎn)。調(diào)整托架位置后，將焊槍用螺釘夾持，可選擇出最佳的焊接角度，保證焊接過程中焊槍位置固定不動。

c 根據(jù)氬弧焊接的要求，轉(zhuǎn)具轉(zhuǎn)動應(yīng)平穩(wěn)緩慢，不能有脈沖式振動。我們選用了擺針式減速機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無級變速。轉(zhuǎn)速在0-1rad/min范圍內(nèi)可隨意調(diào)節(jié)，滿足了焊接的要求。

圖5：零件在自動轉(zhuǎn)具裝夾狀態(tài)

利用半自動轉(zhuǎn)具進(jìn)行焊接其顯著的特征為：焊接時焊槍不動，零件轉(zhuǎn)動。焊接時能夠保證穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動速度，焊槍鎢極頭部到工件的距離穩(wěn)定一致，起弧后電弧長度在焊接一周整個過程中相等，導(dǎo)致熱量輸入的相等。參數(shù)試驗(yàn)調(diào)整合適后，容易控制焊接質(zhì)量并提高焊接效率2倍。

結(jié)語

通過對帶鎖底的厚壁管零件焊接的研究，基本解決了焊接產(chǎn)生缺陷的問題，X光一次合格率達(dá)到80%，為產(chǎn)品的順利交付打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。用恰當(dāng)?shù)暮附臃椒ê凸に噮?shù)，不僅可以減少或消除焊接裂紋和變形，減少補(bǔ)焊次數(shù)，半自動轉(zhuǎn)具的使用大大提高了生產(chǎn)效率，降低廢品率和生產(chǎn)成本。

[1].陳祝年. 焊接工程師手冊. 機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2].俞尚知. 焊接工藝人員手冊.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1996.