工藝參數對奧氏體不銹鋼脈沖自熔TIG焊縫成形影響研究

杜勇剛，王玉華，李昊

上海飛機制造有限公司 上海 201324

1 序言

民用飛機管路系統中安裝有不同規格的碟簧膜片式壓力開關，如同飛機中樞神經系統的神經元組織，感受被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號輸出，以滿足管路系統控制要求。常見的壓力開關是通過碟簧膜片感受壓力變化而產生位移，帶動壓力盤移動觸動微動開關，實現電路的接通或斷開。民用飛機壓力開關典型結構如圖1所示，主要由電連接器、壓力盤、隔膜、調整螺母、前殼體、碟簧、后殼體及端蓋等組成。壓力開關的前殼體與后殼體由TIG焊連接。

圖1 壓力開關結構

由上述壓力開關的結構與作用可知，壓力開關前后殼體之間的焊縫質量，將對壓力開關的最終性能起到決定性的作用。如果熔深過淺，焊縫強度不足，在壓力的作用下壓力開關就可能漏氣甚至損壞，嚴重影響飛機的安全性；如果熔深過深，碟簧可能因過度受熱而產生變形甚至退火軟化功能失效，從而引起開關傳感性能的改變，影響產品質量。

2 壓力開關前后殼體焊接工藝性分析

壓力開關前后殼體均采用英標S130不銹鋼加工，其化學成分見表1。由表1可看出，該不銹鋼為典型18-9型奧氏體不銹鋼，化學成分與美標304及國產1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼接近，因此其焊接性能應與304及1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼基本相同。304及1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，冷、熱裂紋傾向均不明顯，焊接時焊縫區域若在450～850℃內停留時間過長，奧氏體晶界處因生成大量的碳化鉻而易形成貧鉻層，從而降低焊接區域耐蝕性能，易發生晶間腐蝕[1，2]。

表1 S130不銹鋼化學成分（質量分數） （%）

由于18-9型奧氏體不銹鋼具有上述焊接性能，因此氬弧焊焊接時應采用較小的熱輸入，以減小焊接區域在450～850℃內的停留時間，從而提高焊縫區域內晶間耐腐蝕能力[3]。同時采用較小的焊接熱輸入，也有利于抑制焊接變形的產生。但是采用小熱輸入氬弧焊時，焊縫的熔深往往較淺，很難滿足焊縫熔深0.7～1.0mm的設計要求[4]。因此，需進行大量的工藝試驗，才能制定出適合壓力開關殼體的焊接工藝規范。

3 壓力開關前后殼體焊接工藝試驗

裝配前用丙酮對前后殼體待焊處進行擦拭清理，清理完成后配合使用裝配與焊接工裝將壓力開關前后殼體固定在焊接專機上。壓力開關殼體焊前狀態如圖2所示。

圖2 壓力開關殼體焊前狀態

焊縫處無間隙貼緊裝配，焊前通過機械加工來保證焊縫裝配尺寸，焊縫為封閉環形，周長45mm，前后殼體待焊處分別加工0.7mm厚度的自熔余量。隨后分別選用直流與脈沖電流模式（不同的脈沖頻率、峰值電流、占空比）進行焊接工藝試驗。

3.1 直流自熔TIG焊與脈沖自熔TIG焊對比試驗

選用微弧氬弧焊機直流焊接模式對壓力開關進行試焊，根據焊縫長度及自熔部分尺寸及焊縫熔深要求，前期通過初步焊接試驗摸索，確定的主要焊接參數為：焊接電流36.7A、焊接時間17.0s、轉速3.75r/min。由于待焊處為無間隙裝配，且前后殼體上預留了自熔填充材料，因此焊接時不需要添加焊絲。直流自熔TIG焊焊縫的表面成形及宏觀金相如圖3所示。

圖3 直流自熔TIG焊焊縫表面成形及宏觀金相

由圖3a可知，雖然直流TIG焊焊縫寬度均勻，表面成形美觀，但魚鱗紋并不明顯。進一步對圖3b焊縫宏觀金相分析可發現，焊縫內部熔合良好，無氣孔、裂紋等內部缺陷，熔深為0.7mm。

完成直流自熔TIG焊后，選用微弧氬弧焊機脈沖焊接模式進行試焊。其主要參數如下：焊接時間17.0s、轉速3.75r/min、焊接峰值電流50.0A、焊接基值電流12.0A、占空比65%。將上述焊接電流參數帶入式（1），可計算出焊接平均電流為36.7A，其平均熱輸入與直流模式下的熱輸入相同。

式中I——平均電流（A）；

Ip——峰值電流（A）；

Ib——基值電流（A）；

P——占空比（%）。

采用上述參數進行脈沖自熔TIG焊，焊縫表面成形及剖面宏觀金相如圖4所示。

圖4 脈沖自熔TIG焊焊縫表面成形及宏觀金相

由圖4a可知，脈沖自熔TIG焊焊縫寬度均勻，魚鱗紋清晰勻稱，表面成形美觀，這是由于脈沖自熔TIG焊電流主要由基值電流＋峰值電流組成，并有適當的脈沖頻率和占空比與之匹配，當峰值電流通過時，工件被加熱熔化形成一個點狀熔池，而當基值電流通過時，熔池冷凝結晶，同時維持電弧燃燒而不熄滅，焊接過程是一個斷續的加熱過程，焊縫由一個一個點狀熔池疊加而成，因而形成清晰均勻的魚鱗紋[5]。由圖4b可知，焊縫內部熔合良好，無氣孔、裂紋等內部缺陷，熔深為0.9mm。

對比前后殼體直流與脈沖自熔TIG焊結果可得出以下結論。

1）在相同的熱輸入下，脈沖自熔TIG焊的焊縫熔深更深。

2）脈沖自熔TIG焊焊縫表面成形優于直流自熔TIG焊。

壓力開關前后殼體在采用脈沖自熔TIG焊時，其表面成形與熔深均優于直流自熔TIG焊，因此決定采用脈沖自熔TIG焊對前后殼體進行焊接試驗。

3.2 脈沖自熔TIG焊工藝試驗

為提高壓力開關脈沖自熔TIG焊焊接質量，確定最佳焊接參數，需研究脈沖頻率、占空比、峰值電流等關鍵參數對焊縫表面成形及熔深的影響規律。

（1）脈沖頻率對焊縫表面成形及熔深的影響保持其他參數不變，分別采用10Hz與60Hz的脈沖頻率進行焊接，其焊縫表面成形如圖5所示，宏觀金相如圖6所示。

圖5 脈沖頻率分別為10Hz、60Hz時焊縫表面成形

圖6 脈沖頻率分別為10Hz、60Hz時焊縫宏觀金相

由圖5a、b可知，隨著脈沖頻率的提高，焊縫表面魚鱗紋逐漸變得細密，而焊縫的寬度并無明顯變化。進一步對圖6進行分析可知，隨著脈沖頻率的增加，焊縫的熔深有所減少。在制備金相試樣時還發現，脈沖頻率為60Hz時焊縫熔深的均勻度要明顯優于頻率為10Hz時的焊縫。

產生上述現象的主要原因：脈沖頻率越高，單位長度焊縫內電弧峰值出現的次數越多，因此頻率越高，焊縫的熔深越均勻，魚鱗紋越細密。而頻率的升高會引起焊接回路中感抗增大，一定程度上減小了焊接峰值電流，引起焊縫熔深減小。

（2）峰值電流對焊縫表面成形及熔深的影響保持其他參數不變，分別采用40A與60A的峰值電流進行焊接，其焊縫表面成形如圖7所示，宏觀金相如圖8所示。

圖7 峰值電流分別為40A、60A時焊縫表面成形

圖8 峰值電流分別為40A、60A時焊縫宏觀金相

由圖7可知，當峰值電流為40A時魚鱗紋更為明顯，過渡更為圓滑，隨著峰值電流的提高，焊縫表面魚鱗紋細密程度并無明顯變化。對圖8進行分析可知，隨著峰值電流的增加，焊縫的熔深逐漸加深。

產生上述現象的主要原因：當采用脈沖自熔T I G焊時，峰值電流大小是影響熔深的最主要因素，基值電流一般只起到維弧作用，因此隨著峰值電流的增加，焊接熔深不斷增大。魚鱗紋的細密程度主要受脈沖頻率的影響，因此峰值電流變化時其并未發生明顯變化。

（3）占空比對焊縫表面成形及熔深的影響 將圖3焊縫所采用的焊接參數中占空比改為30%后進行焊接，其焊縫表面成形及宏觀金相如圖9所示。

圖9 占空比為30%時焊縫表面成形及宏觀金相

對比圖9a與圖3a可知，占空比為30%時焊縫表面魚鱗紋過渡更為圓滑，隨著占空比的提高，焊縫表面魚鱗紋細密程度并無明顯變化。對圖9b與圖3b宏觀金相進行分析可知，隨著脈沖占空比的增加，焊縫的熔深逐漸加深。

產生上述現象的主要原因：隨著占空比的增加，峰值電流持續的時間增加，熱輸入量變大，因此焊縫的熔深逐漸增加[5]。

由上述脈沖自熔TIG焊焊接工藝試驗可得出以下結論。

1）脈沖峰值電流、占空比主要影響焊縫熔深，隨著脈沖峰值電流及其占空比的增加，焊接熔深逐漸增大。

2）脈沖頻率主要影響焊縫的表面成形，隨著脈沖頻率的增加，焊縫表面魚鱗紋逐漸變得細密。

3）隨著脈沖頻率的增加，雖然焊縫熔深有減小的趨勢，但并不明顯。

4 前后殼體脈沖自熔TIG焊焊接參數的確定

結合上述試驗結論并經過大量的工藝試驗驗證，最終確定了壓力開關前后殼體最佳焊接參數，見表2。

表2 壓力開關前后殼體最佳焊接參數

采用表2所列焊接參數焊接的壓力開關前后殼體環焊縫的表面成形如圖10所示。從圖10可看出，焊縫寬度均勻，成形美觀。焊后焊縫表面呈金黃色，說明焊接時焊接區域保護良好，未發生氧化現象。焊縫的宏觀金相如圖11所示，焊縫的熔深在0.9mm左右，完全符合工程圖樣0.7～1.0mm的熔深要求。

圖10 壓力開關前后殼體環形焊縫表面成形

圖11 壓力開關前后殼體環形焊縫宏觀金相

5 結束語

1）在相同的熱輸入下，相對于直流TIG焊，脈沖TIG焊的焊縫熔深更深且焊縫表面成形更優。

2）脈沖模式下，脈沖峰值電流、占空比主要影響焊縫熔深，隨著脈沖峰值電流及其占空比的增加，焊接熔深逐漸增大。

3）脈沖頻率主要影響焊縫的表面成形，隨著脈沖頻率的增加，雖然焊縫表面魚鱗紋逐漸變得細密，焊縫熔深有減小的趨勢，但并不明顯。

4）通過焊接工藝試驗確定的壓力開關殼體的脈沖自熔TIG焊焊接參數，可滿足壓力開關殼體的批量化焊接生產要求。