自動化焊接技術在中厚鋼環縫焊接中的應用

張國軍 李國均 邱 凱 安志恒 江 晨

自動化焊接技術在中厚鋼環縫焊接中的應用

張國軍 李國均 邱 凱 安志恒 江 晨

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

簡述了產品的結構特點、技術要求，分析了材料焊接性及生產局限性，針對關鍵工序，提出了自動P-TIG的工藝方法，從工藝參數、力學性能、氬氣變化等方面進行了產品焊接試驗，確定了合適的工藝參數，批量生產表明，該工藝方案完全適合于產品的生產。

30CrMnSiA；成形控制；P-TIG

1 引言

在航天制造領域，隨著產能提升和新型號的涌現，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變。

貯氣罐是某型號關鍵部件，材料為30CrMnSiA低合金高強度鋼。產品在服役狀態下承受較高的壓力，對焊接質量要求較高。在對焊接后的產品進行無損檢測時，發現一次合格率很低，缺陷產生率較高。在焊接接頭中常出現未焊透、未熔合、焊瘤等缺陷，并且產品焊接難度較大，對焊工的臨場技能狀態依賴性較大，單日產出量僅為3個，伴隨著型號任務量的劇增，瓶頸嚴重制約著科研生產的進度。

2 貯氣罐焊接技術要求及缺陷分析

2.1 貯氣罐結構

貯氣罐主體部分包括罐體及罐蓋，通過對接環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，需要采取焊前預熱、焊后緩冷及消除應力等措施。焊接邊厚度為7mm，內徑尺寸為92mm。如圖1所示。

圖1 貯氣罐焊縫結構示意圖

焊接后焊縫質量要求符合QJ 1842A—2011 II級焊接接頭質量要求，同時通過強度為25MPa水壓試驗，焊縫兩側的基體與焊縫過渡均勻，錯位量控制嚴格，內表面不能氧化。

2.2 產品缺陷分析

由于結構原因，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。按照焊前預熱、焊后去應力等相關要求生產[1]。具體流程為加工坡口→預熱到200～300℃→焊接罐體和罐蓋→2h內退火去應力→調質熱處理。

焊接后進行無損檢測，發現焊接接頭內部存在未熔合、未焊透。采用內窺鏡檢查接頭背后，發現存在焊瘤、內部凹陷。如圖2所示。

圖2 未焊透、焊瘤缺陷、內部凹陷焊接缺陷

分析整個焊接過程，發現產生缺陷的原因是：

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

b. 焊接時背部通氬氣保護，為了實現全保護，焊接背后氬氣流量值為10L/min，保護氣流量值高，隨著焊接進程的進行，氣體溫度逐步升高，壓力值增大，遠大于熔池的重力，液態結晶成形時，在表面張力及內部壓力作用下，形成反面凹陷。

c. 組合件結構的限制，內型面難以采用打磨的方式修整，補焊極難進行，缺陷難以排除。

綜上所述，產生焊接缺陷的原因是手工焊接的穩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 焊接工藝和參數試驗

30CrMnSiA的碳當量高達0.73%，含合金元素多，產生裂紋的傾向較大。鎢極脈沖氬弧焊比連續焊熱輸入少，熱循環得到改善，減少了晶粒長大傾向和淬硬區范圍，有利于降低裂紋的產生，對于30CrMnSiA具有較好的適應性。

表1 焊接工藝參數

圖3 焊接接頭質量

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，基值電流優化焊縫成型。焊接參數如表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現，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，接頭內部未發現缺陷[2]。

3.2 力學性能測試

表2 焊接接頭力學性能

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

3.3 背面氬氣保護

圖4 背后保護氣壓力曲線

圖5 改進后焊縫內表面

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，設計了隨焊漸變式的壓力曲線。如圖4所示，焊接開始前調大氬氣流量，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，隨著焊接過程的進行，將數值逐步降至3～4L/min。實現焊接時內部充氬氣保護。焊接后的結果如圖5所示，焊接后內部未出現發黑的氧化色，焊漏成型圓滑，未出現凹進母材的情況。

4 試驗件及產品生產情況

圖6 貯氣罐產品打底、蓋面后焊縫外表面

采用自動脈沖鎢級氬弧焊工藝進行了貯氣罐組件的試生產，打底焊接后產品焊透，外表面成型良好，內部保護優良，不存在表面氣孔、夾鎢等現象，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。隨后生產了10件貯氣罐，情況如下：

a. 焊縫X光檢測：采用新工藝生產的產品，未出現未焊透、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到100%。

b. 強度試驗：對10件產品進行了25MPa水壓試驗，保壓5min后，焊縫不存在滲漏，產品全部合格。

c. 生產效率：單日產量可達10～15個，效率是原先工藝的2～3倍。

5 結束語

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、焊瘤缺陷發生率高、產能不足的問題，完全消除了手工焊接時缺陷問題。

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

2 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊[M]. 北京：機械工業出版社，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；研究方向：焊接自動化、先進加工工藝。

2019-12-04