30CrMnGiA活塞桿自動化鎢極氬弧焊核心工藝探究

趙洪志，衛鐘可，秦 俊，楊少華

(1.山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046000；2.火箭軍駐長治地區軍事代表室，山西 長治 046000)

鎢極氬弧焊是涉及產品生產中一道重要的工序，但隨著產品種類和數量的增加，手工鎢極氬弧焊已經成為影響生產進度的瓶頸工序。鎢極氬弧焊焊接質量優異，熱源和送絲分別控制，施焊難度大，焊工需要根據經驗匹配電壓、電流和送絲速度，對焊工技能等級依賴高；同時由于可利用反饋信號少，電壓、電流和送絲速度三者不易匹配，送絲速度快存在損壞鎢極風險，送絲速度慢存在熔透熄弧現象，使得自動化鎢極氬弧焊實施難度極大。企業引進自動化鎢極氬弧焊設備，進行了大量的工藝攻關工作，最終自動化鎢極氬弧焊在產品生產中成功應用。引進的自動化鎢極氬弧焊焊接系統由上料、焊接、退火3部分組成，采用PLC進行控制，產品上料、焊接完成后送入退火爐，均由機械手臂實現；焊機系統自身具備焊前預熱功能，采用中頻預熱，預熱溫度可控。

本文以典型產品活塞桿的自動化鎢極氬弧焊為例，活塞桿材質為30CrMnSiA。首先，根據30CrMnSiA的特性和設備自身特點，制定了焊前預熱、焊接和焊后退火的焊接流程；其次，為克服氬弧焊過程中電壓、電流和送絲速度三者不易匹配的缺點，焊接工藝通過嚴格控制工件接口尺寸，提高工件一致性，實現了產品的自動化連續焊接。整個焊縫分3次焊接完成，首層焊縫充分利用鎢極氬弧焊熱源和焊絲分別控制的特點，首層不填焊絲，以達到增加熔透深度的目的[1-3]；第2層和第3層填充焊絲，保證母材和焊絲充分熔合，從而實現填充焊縫接口的目的[4]。

1 產品和設備簡介

某產品活塞桿由上端頭、桿體、下端頭組焊而成，三者材質均為30CrMnSiA，活塞桿整體設計結構如圖1所示，焊縫接頭形式如圖2所示，焊縫設計要求為QJ 176A—1999 I級。30CrMnSiA為含碳量較高的高強鋼，冷裂傾向大，容易產生裂紋；加之本身的細長桿結構，焊縫對接形式和高等級焊接質量的要求，導致原手工鎢極氬弧焊焊接效率低，成品率低，成為一道瓶頸工序。

引進的鎢極氬弧焊自動化焊接系統如圖3所示，由KUKA機械手臂、焊接系統、自動化送料系統、焊前預熱系統和焊后退火系統5部分組成，整套設備由PLC控制，具有自動化程度高，焊接效率高和焊接質量穩定的特點。焊接系統中KUKA機械手臂重復定位精度高、焊接動作穩定可靠；焊接系統采用福尼斯電源，配合高精度送絲機，可實現穩定的氬弧焊焊接；自動化送料系統可將活塞桿送至變位器，變位器配備自動卡盤，KUKA機械手臂工作范圍覆蓋變位器全行程，焊接完成后送料系統將活塞桿送至退火爐；焊前預熱系統采用電磁感應加熱，設備功率、頻率可調，電磁感應加熱頭應根據待焊零件定制，以滿足不同待焊件預熱需求；退火爐屬電阻加熱爐，內裝有4個溫度感應器，溫度控制精度高，溫度和時間可調。

2 核心工藝

2.1 活塞桿焊接流程

依據30CrMnSiA的材質特點和自動化氬弧焊焊接系統的優勢，制定了活塞桿的焊接流程，從而達到了提高焊接質量和焊接效率的目的，解決了活塞桿生產的瓶頸工序。活塞桿焊接流程為：活塞桿裝配→放入送料系統→退火爐預熱(達到保溫溫度)→進入焊接工位→活塞桿焊前預熱→焊接→送入退火爐，待退火爐中活塞桿達到程序設定數量，停止焊接，執行退火程序[5-6]。活塞桿精度和一致性是自動化焊接的前提，通過前期機械加工和裝配工裝保證；當退火爐預熱并達到保溫溫度時，整個焊接系統才能工作，活塞桿被機械手送入焊接工位，程序整體控制；活塞桿焊接完成后由機械手送入退火爐中，由程序記錄焊接數量，達到設定數量后，停止焊接，退火爐完成此批次的退火工序；待退火爐清空，并給系統發送預備焊接指令，進行下一個焊接周期。

為滿足自動化焊接要求，采用直徑為1.2 mm的盤式焊絲，采用送絲機送絲，可連續焊接，取代手工氬弧焊中直徑為2.5 mm的焊絲，焊絲牌號均為H18CrMoA，焊絲具體成分見表1，符合國標要求。

表1 H18CrMoA焊絲成分

2.2 活塞桿裝配精度控制

活塞桿接頭的一致性對焊接質量至關重要，與熔化極焊接相比，熔化極焊接可通過電弧電壓的反饋，進行送絲速度和焊接位置的調整，非熔化極氬弧焊可利用反饋信號少，自動調節能力弱，所以自動化鎢極氬弧焊對工件精度和一致性的要求更高。為提高自動化焊接效率和質量，活塞桿的精度和一致性通過如下2個方面控制：活塞桿3個零件(上端頭、桿體、下端頭)通過數控機械加工保證各尺寸的一致性，接頭部位采用過渡配合，尺寸為φ31K6h5；焊縫接頭間隙如圖2所示，通過裝配工裝嚴格控制焊接間隙尺寸(1.5±0.3) mm。

2.3 焊接參數

30CrMnSiA是一種典型的Cr-Mn-Si系的中碳調質鋼，碳含量較高，焊接性能較差，焊接參數對最終焊接質量尤為關鍵。為保證焊縫熔透深度且符合QJ 176A—1999 I級要求，進行了大量的工藝研究工作，最終活塞桿V型坡口確定為3層焊接，焊前預熱，焊后采用保溫措施[7-8]，各工藝參數詳見表2。

表2 焊接參數

焊接的第1層采用不填絲自熔焊接，為保證桿體與端頭充分熔合和增加熔深，采用大電流焊接；第2層和第3層填絲，第2層和第3層應避免咬邊和未熔合等焊接缺陷發生，焊接電流、焊接速度等焊接參數經過多次試驗。預熱完成后，自動焊接，第1層、第2層和第3層無間歇，一次焊接完成[9-10]。各層銜接處焊接參數的變化，在控制程序中預設完成，以達到自動化焊接的目的。焊接完成后，活塞桿自動進入退火爐進行保溫，自動進行下一根活塞桿的焊接，當退火爐中達到程序設定數量后，活塞桿進行批量焊后退火處理。

3 焊接質量

焊接流程和焊接參數固化后，經過一段時間生產，經統計合格率約為95%，與手工焊接合格率70%～80%相比，焊接質量大幅提升。為進一步驗證焊接參數的合理性和設備的可靠性，從10次焊接中分別抽取1根(共計10根)活塞桿進行了拉斷試驗，并對斷口截面進行了電鏡分析。其中003#活塞桿拉斷力最小，為485 kN，其余均大于500 kN(其中6根為圖1所示的左部接頭斷裂，4根為右部接頭斷裂)，滿足設計要求；通過電鏡對斷口截面分析，活塞桿斷裂是正常拉伸試驗導致的塑性斷裂，凝固裂紋和二次枝晶得到控制，焊接質量穩定。

圖4所示為003#活塞桿斷口形狀，通過斷口可見，焊縫熔合良好，同時從斷口部位切割試件進行了電鏡觀測，靠近外壁區域呈剪切唇，為韌性斷裂，微觀斷口形貌為韌窩(見圖5)；對003#活塞桿斷口靠近內壁部分區域可觀察到類似的柱狀晶組織，二次枝晶突起不明顯，深度為0.3～0.8 mm(見圖6和圖7)；活塞桿根部(鈍邊)的凝固裂紋極小，在拉伸試驗過程中，斷裂形貌整體為塑性斷裂，部分擴展區域為脆性斷口；003#活塞桿母材金相組織為回火索氏體(見圖8)，焊縫金相組織為回火索氏體+鐵素體(見圖9)。

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)自動化焊接氬弧焊關鍵技術的攻克，實現了活塞桿的自動化焊接，焊接質量和效率顯著提高。

2)自動化焊接設備的使用，減少了人為因素的影響，產品一次合格率顯著提高。

3)為保證焊接自動化施焊條件，焊接工藝應充分考慮工件坡口、間隙等對自動化焊接的影響。