結構鋼熔化極混合氣體保護自動化焊接工藝研究與應用

余 剛，宋 潔，傅仁科，肖 熙

（航空工業洪都，江西 南昌，330096）

0 引言

近年來隨著一些新材料、新結構、新工藝在航空工業中不斷廣泛應用，焊接連接技術已成為航空制造業中重要的連接方法之一[1]。某型號艙體（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,焊縫質量難以保證。采用熔化極混合氣體保護焊焊接是比較理想的一種工藝方法。

圖1 某型號艙體

熔化極混合體保護焊技術是一種新型的焊接連接技術，該方法利用(Ar+CO2)系列混合氣體作為保護氣體，焊絲本身為電極，并且由于焊接時焊絲較細、電流密度大、電弧穿透能力強、熔深大及熔敷率高等特點，可以減小坡口角度,增加鈍邊厚度，降低焊接應力與變形，焊縫成型美觀，飛濺少。與傳統手工焊條焊相比，熔化極混合體保護焊技術操作簡便、生產效率高、成本低，是唯一能適用于各種規格的材質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

保護氣體特性、混合種類與混合比對焊接過程會產生重要影響，不同保護氣體或不同的混合比例，在焊接過程中有不同的表現與作用[4]。

熔化極Ar+CO2混合氣體保護焊，即在富Ar氣體中加入氧化性氣體CO2，使得在焊接過程中同時具有氬弧焊和二氧化碳焊的優點，可以使電弧燃燒更穩定，并能減少液態金屬的表面張力，有利于金屬熔滴的細化。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，焊絲熔化系數提高，熔化區域增大，熔池流動性增加，熔化區域的形狀更加平坦，焊縫美觀，生產效率高[5],并且在保護氣體中Ar的含量高時，產生氣孔的傾向增加[6]。因此采用熔化極Ar+CO2混合氣體保護電弧焊可以有效解決用單一的Ar或CO2氣體作為保護氣體的電弧焊存在的各種問題。

西安航天發動機廠的郭會民等在對16MnR低合金鋼進行熔化極混合氣體保護焊焊接試驗時，選用80%Ar+20%CO2富氬混合氣體作為保護氣體、H08Mn2SiA焊絲作為填充材料。通過試驗分析得到了最佳的焊接工藝參數，并且接頭的各項力學性能指標均高于標準規定的下限值,焊縫的使用性能良好,可保證產品焊接質量[3]。

2 焊接工藝試驗開發研究

2.1 試驗材料和焊接設備

為了保證試驗結果的一致性，本試驗采用實際零件作為焊接試樣，材料為航空用20#碳素結構鋼，材料厚度σ20mm，該材料是一種優質低碳碳素鋼，其化學成分除含有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。其化學成分和機械性能見表1、表2。

表1 20#碳素結構鋼的化學成分(%)

表2 20#碳素結構鋼的機械性能

按照HB5299標準相關要求，為了保證焊接接頭相關質量要求，本試驗焊接時選用的焊絲為航空結構鋼用焊絲H18CrMoA，直徑為φ1.2mm，其化學成分見表3。焊接試驗所用的保護氣體為：（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焊絲的化學成分(%)

本試驗中，對20#碳素結構鋼熔化極混合氣體保護自動化焊接所采用的試驗設備由焊接電源、送絲機構、焊接工裝夾具、保護氣系統、水冷系統、遙控及焊槍組成。焊機型號為：OTC公司生產的CPVE 500Ⅱ型號焊機、混合氣體配比器型號：293MX-50-C50AR。

2.2 試驗方法和過程

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

2.2.1 接頭坡口設計

接頭坡口設計應使焊槍噴嘴與焊縫根部之間間隙適宜,因為間隙過小會影響飛濺飛出并堵住焊槍噴嘴從而影響保護氣體的保護效果，間隙過大會影響保護氣體的保護效果和焊縫根部熔透率,并且焊接過程中保護不當會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焊焊絲較細,電流密度大,熱量集中,電弧穿透能力強,熔深大。由于實際零件為筒形件結構，零件尺寸大、質量較重，為了方便零件焊接裝夾，故零件接頭結構采用鎖底焊接頭方式，配合方式采用過盈配合，坡口結構見圖2。

圖2 焊接接頭坡口形式

2.2.2 試片焊前清理

試片焊前對試片進行噴砂處理，去除零件表面油污、鐵銹等污染物。

2.2.3 焊接規范參數的選擇

在熔化極混合氣體保護焊中，主要焊接規范參數有焊接電流和電壓、焊接速度、氣體流量、焊絲牌號和直徑以及焊絲伸出長度等。

為了滿足焊縫設計強度要求，本試驗采用了強度較高的H18CrMoA焊絲作為接頭填充材料。與H08Mn2SiA焊絲相比，H18CrMoA焊絲成分中缺少對氧親和力比鐵大的Mn、Si元素作為脫氧劑,在焊接過程中，熔池中的FeO與C元素按照方程FeO+C=Fe+CO發生還原反應生成CO氣孔,由于該化學反應在熔池結晶溫度時發生得比較劇烈,且此時熔池已開始凝固,CO氣體不易逸出,因此焊縫中易形成CO氣孔。

Ar+（21%~25%）CO2保護氣體現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，電弧穩定，焊縫成形美觀，熔池易于控制，且生產效率高[7]。在富氬的保護氣體下焊接時，選用較高的電流和相應的電弧電壓可以獲得無飛濺的噴射過渡，選用低電流和低電壓可實現短路過渡。射流過渡時電弧呈鉛筆錐狀，焊絲熔化時形成連續的細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，在焊縫根部容易產生氣孔。短路過渡時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，直接向熔池過渡的過渡方式。該過渡方式提高了熔池金屬的流動性，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]。且焊接時射流過渡電弧穩定，飛濺量少，焊縫成形美觀。短路過渡時焊縫成形較好，但飛濺較大且多，熔渣也較多。

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

圖3 焊槍與零件裝夾方式

3 焊接工藝評定

3.1 焊縫目視檢查結果

焊接結束后，試樣焊縫表面魚鱗紋均勻細密，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，未發現咬邊現象且向母材圓滑過渡，符合相關HB和GJB焊接接頭質量控制標準。

3.2 焊縫X光探傷檢查結果

焊后對試樣焊縫100%X光檢查發現，接頭內部質量符合相關HB和GJBⅡ級焊縫X光檢查標準要求。

3.3 焊縫力學性能檢查結果

焊縫X光檢查合格后，按照相關HB和GJB標準對接頭切取了3件試樣進行了機械性能試驗。結果顯示試樣均斷裂在遠離熱影響區的母材位置，接頭抗拉強度σb分別為：487MPa、484 MPa和489 MPa，均高于母材和相關HB、GJB要求的下限值強度，接頭的焊縫質量和使用性能良好。

3.4 焊接的可操作性

焊接操作過程中，熔化極混合氣體保護自動化焊接操作簡便、勞動強度低，焊接工作效率為焊條電弧焊的3～4倍。

4 結論

1）熔化極混合氣體保護焊保護氣體對焊縫力學性能表面成型有重要影響，正確選擇保護氣體種類、混合種類與比例和氣體流量，對于熔化極氣體保護焊至關重要。

2）焊接電流的大小對熔滴過渡形式起決定性的作用。熔化極混合氣體保護焊在富氬的保護氣體下焊接時，選用較高的電流和相應的電弧與電壓可以獲得無飛濺的噴射過渡，選用低電流和低電壓可實現短路過渡，當熔滴以滴狀形式過渡時，焊接電流的大小應控制在細滴狀過度的范圍內，否則會產生較大的飛濺。

3）在熔化極氣體保護焊中，電弧電壓是重要的焊接參數，它決定了熔滴過渡的形式和焊接過程的穩定性，電弧電壓與所選用的焊接電流之間存在著較嚴格的匹配關系，對于一定的電流范圍，對應一定的電壓范圍。

4）熔化極混合氣體保護自動化焊接時，采用短路過渡形式打底焊和噴射過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良好的焊接接頭。

5）熔化極混合氣體保護自動化焊接適用于厚板低碳碳素結構鋼環形焊縫焊接，焊縫接頭力學性能滿足相關航標要求，可推廣應用于筒形件零件的焊接生產中。