27SiMn鋼活塞桿焊接微小氣孔產(chǎn)生原因分析及控制

高鵬，吳海麗，李曉波，馮曉曉，張立勇

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長(zhǎng)治 046012

1 序言

液壓件在航空航天、工程機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械等裝備制造行業(yè)廣泛使用，是一個(gè)非常重要的部件，活塞桿是其中的核心零件，其制造工藝流程長(zhǎng)、焊接質(zhì)量要求高，在液壓件的批量生產(chǎn)中63%的活塞桿出現(xiàn)直徑＜0.5mm的微小氣孔，從而導(dǎo)致鍍鉻后的鉻層脫落，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，增加生產(chǎn)成本。

2 現(xiàn)狀分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，63%的活塞桿經(jīng)鍍鉻后發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)表面存在不同數(shù)量的微小氣孔（直徑均≤0.5mm，多數(shù)為0.2～0.4mm），產(chǎn)品合格率不足50%,。這些鉻層的缺失部位很容易成為活塞桿腐蝕或鉻層脫落源，最終導(dǎo)致活塞桿表面腐蝕、鉻層脫離，如圖1所示。

圖1 活塞桿焊縫區(qū)表面鍍鉻層脫落腐蝕

經(jīng)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程分析研究、跟蹤檢查后發(fā)現(xiàn)，鍍鉻后存在微小氣孔的零件在鍍鉻前其表面已經(jīng)存在氣孔，由于氣孔直徑較小，只有在拋光后或鍍鉻后才能較為明顯地檢查出來(lái)。

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要返工對(duì)氣孔進(jìn)行修補(bǔ)。由于修補(bǔ)時(shí)活塞桿已完成全部加工，且表面為配合、密封表面，其尺寸精度、形位精度及表面粗糙度要求均很高，這就給修補(bǔ)工作帶來(lái)了較大的難度，對(duì)操作人員的技能提出了較高的要求。同時(shí)由于修補(bǔ)時(shí)不宜采用大的焊接參數(shù)進(jìn)行，也不利于生產(chǎn)效率的提高。若返工時(shí)鍍鉻已完成，則要經(jīng)過(guò)退鉻、補(bǔ)焊、拋光、鍍鉻等多道工序。若再出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，要進(jìn)行二次返工，若再不合格，則整個(gè)活塞桿件全部報(bào)廢，不僅嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，還提高了加工成本。因此，改善活塞桿焊接工藝、提高焊接質(zhì)量，尤其是控制加工后焊縫表面微小氣孔的產(chǎn)生迫在眉睫。

3 工藝分析及改進(jìn)

3.1 工藝分析

活塞桿由活塞、桿體、桿頭組成，采用兩道對(duì)接環(huán)焊縫進(jìn)行連接，焊縫坡口角度60°，深度10mm，如圖2所示?；钊麠U焊接時(shí)外徑60mm，加工后φ55mm，加工深度2.5mm?；钊麠U材料選用為中碳調(diào)質(zhì)鋼27SiMn，焊接在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行。焊縫質(zhì)量要求高，不但要保證焊縫能承受液壓介質(zhì)的周向力，還要承受軸向力。同時(shí)為了提高表面硬度并防止表面腐蝕，要求外表面加工后進(jìn)行鍍鉻，鍍鉻前不允許表面存在氣孔等缺陷。

焊接氣孔是在焊接過(guò)程中，熔池金屬中的氣體在金屬冷卻前未能來(lái)得及逸出，而在焊縫金屬中（內(nèi)部或表面）形成的空穴[1]。焊接是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)的冶金過(guò)程，在此過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生氣孔，如何減少氣孔產(chǎn)生并使產(chǎn)生的氣孔最大程度地逸出是避免焊縫區(qū)氣孔存在的關(guān)鍵。按照活塞桿制造工藝流程，從焊前清理、焊條烘干、焊接參數(shù)、預(yù)熱溫度、焊條偏離角度及焊層厚度控制等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行梳理和分析后認(rèn)為，影響焊縫加工后表面存在微小氣孔的因素主要有：焊接參數(shù)不優(yōu)化、焊條偏移角度不合理、焊縫單層厚度控制不佳等3個(gè)方面。

圖2 活塞桿焊接結(jié)構(gòu)

3.2 工藝改進(jìn)研究

（1）焊接參數(shù)優(yōu)化研究 焊接過(guò)程中，焊接參數(shù)小、預(yù)熱溫度低，都會(huì)導(dǎo)致冷卻速度過(guò)快，熔池?cái)嚢栊Ч麥p弱，不利于氣體逸出。而調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時(shí)，最理想的焊接熱循環(huán)卻要求較短的高溫停留時(shí)間，較小的焊接熱輸入。為了獲取優(yōu)化的焊接參數(shù)，投入焊接試件，模擬產(chǎn)品接頭形式，模擬件如圖3所示，試件共9件，3件一組分為3組進(jìn)行了不同預(yù)熱溫度和焊接參數(shù)匹配的工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)件采用與產(chǎn)品相同的母材及工藝流程。其中打底層考慮到焊條電弧焊焊后坡口兩側(cè)熔渣不易清理，容易產(chǎn)生內(nèi)部氣孔，因此采用了混合氣體保護(hù)焊。

圖3 焊接試件

采用不同預(yù)熱溫度（預(yù)熱溫度根據(jù)手冊(cè)推薦范圍選?。┖秃附訁?shù)對(duì)3組試驗(yàn)件進(jìn)行焊接后，9件試驗(yàn)件的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可以看出，隨著預(yù)熱溫度的提高，焊接參數(shù)的增大，氣孔數(shù)量有明顯減少的趨勢(shì)。最終通過(guò)試驗(yàn)確定的焊接參數(shù)見(jiàn)表2、表3。

表1 不同預(yù)熱溫度、焊接參數(shù)焊縫區(qū)表面氣孔情況

表2 打底層焊接參數(shù)

表3 填充層、蓋面層焊接參數(shù)

（2）焊條偏移角度合理選擇 據(jù)相關(guān)資料查詢和理論分析認(rèn)為，環(huán)形外焊縫平焊時(shí)，為了獲得良好的焊縫成形，方便氣孔逸出，焊條應(yīng)逆旋轉(zhuǎn)方向偏移一定角度（距離）。偏移量過(guò)小時(shí)，則熔深變大、熔寬變小，焊縫成形不佳，氣孔不易逸出；偏移量過(guò)大時(shí)，則熔深變淺、熔寬增加。合理的偏移量與焊接參數(shù)、外徑大小等密切相關(guān)。按照優(yōu)化的焊接參數(shù)，采用不同偏移角度進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)后，綜合考慮焊縫成形情況和表面氣孔存在情況，最終確定了偏移角度為5°～9°，如圖4、圖5所示。

圖4 焊條偏離角度試驗(yàn)

圖5 焊條偏離角度示意

（3）焊縫不同層厚合理匹配 一般來(lái)說(shuō)，采用焊條電弧焊時(shí)單層焊縫厚度以≤5mm為宜。焊接過(guò)程中，氣孔的逸出與焊縫單層厚度有直接的關(guān)系，單層焊縫越薄越有利于氣孔逸出。當(dāng)單層焊縫厚度控制在≤3mm時(shí)，更有利于氣孔的逸出，但由于活塞桿焊縫坡口深度為10mm，加工深度為2.5mm，經(jīng)加工后焊縫表面易處于蓋面層與填充層之間，該部位也是氣孔易于殘留部位，因此合理規(guī)劃并控制焊縫的單層厚度就顯得尤為重要。通過(guò)工藝試驗(yàn)，將打底層、填充層焊縫厚度控制在≤3mm，蓋面層焊縫厚度控制在4～5mm，如圖6所示。這樣既可以有效保證氣孔的逸出，又可以保證加工后的焊縫表面避開(kāi)焊縫層間位置，從而有效地避免了焊縫表面微小氣孔的存在。

圖6 焊縫各層厚度控制

4 實(shí)施效果

綜合應(yīng)用上述工藝改進(jìn)方法，投入20件試件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并對(duì)鍍鉻前后的焊縫表面進(jìn)行了檢查，結(jié)果顯示僅有5件試件鍍鉻前焊縫區(qū)表面存在數(shù)量較少氣孔，經(jīng)修補(bǔ)后鍍鉻焊縫區(qū)表面沒(méi)有再發(fā)現(xiàn)氣孔，合格率由原來(lái)的不足50%提高到75%。經(jīng)確認(rèn)后的焊接方法和焊接參數(shù)已經(jīng)應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)，獲得了預(yù)期效果。最終的產(chǎn)品表面效果如圖7所示。

圖7 活塞桿表面效果

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)焊接參數(shù)優(yōu)化、焊條偏移角度選擇、焊縫層厚匹配等研究，有效控制了活塞桿焊縫區(qū)表面鍍鉻前微小氣孔的存在，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率，解決了液壓件生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，節(jié)約了產(chǎn)品制造成本，具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。