鑄造塞焊橋焊縫質(zhì)量改進(jìn)研究

摘要：公司某產(chǎn)品采用塞焊工藝技術(shù)，現(xiàn)有的塞焊質(zhì)量雖滿足市場(chǎng)要求，但仍然存在偶爾失效的情況，需要進(jìn)行改進(jìn)研究。本文分析了影響產(chǎn)品塞焊質(zhì)量的因素，并通過(guò)多維度進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)，有針對(duì)性地進(jìn)行工藝試驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，明確改進(jìn)方向。通過(guò)反復(fù)進(jìn)行焊縫外觀檢測(cè)和金相剖面檢查，驗(yàn)證焊縫的外觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，得出了提高和控制焊縫質(zhì)量的最佳方法和實(shí)施措施，以提高產(chǎn)品質(zhì)量并減少售后故障損失。

關(guān)鍵詞：塞焊；焊接質(zhì)量；改進(jìn)方法；工藝試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U466 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2023.03.002

1概述

我公司某產(chǎn)品用于礦用車(chē)，其關(guān)鍵部位為橋殼和軸頭的壓裝、塞焊連接結(jié)構(gòu)。自產(chǎn)品投入市場(chǎng)以來(lái)，產(chǎn)品質(zhì)量表現(xiàn)穩(wěn)定，在一定程度上保證了公司在市場(chǎng)中的份額。但是，焊縫處偶爾發(fā)生失效故障，每年都會(huì)給公司售后帶來(lái)一定損失。為了提升產(chǎn)品質(zhì)量并減少售后損失，我們需要進(jìn)一步提高該部位的焊接質(zhì)量。

2存在的問(wèn)題

通過(guò)售后數(shù)據(jù)反饋和失效返回件的現(xiàn)場(chǎng)查看，我們可以基本確定塞焊部位的失效主要分為2種模式：一種是塞焊孔側(cè)壁處殼體斷裂（見(jiàn)圖1），可見(jiàn)裂紋沿著塞焊孔附近延伸至橋殼本體，并導(dǎo)致漏油等失效情況.另一種是在使用過(guò)程中軸頭與橋殼中段的塞焊體掉落（見(jiàn)圖2），導(dǎo)致軸頭在橋殼中段內(nèi)孔中出現(xiàn)移動(dòng)，從而引起整個(gè)橋的失效。

3原因分析及改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查，鉆孔和熱裝工序已經(jīng)基本成熟，因此在這里不再進(jìn)行分析。

3.1塞焊孔焊接方法

行業(yè)內(nèi)焊接塞焊孔的常規(guī)工藝方法有2種，即手工電弧焊（SMAW）和氣體保護(hù)焊（GMAW）。手工電弧焊由于使用焊條進(jìn)行焊接，可達(dá)性好，焊接質(zhì)量較高，但熔覆效率低，孔內(nèi)焊渣較難清理，不適用于大批量焊接實(shí)施。與手工電弧焊相比，氣體保護(hù)焊采用實(shí)芯焊絲作為焊材，在受到焊槍噴嘴大小影響時(shí)，可達(dá)性雖然會(huì)稍差一些，但焊接質(zhì)量更高，焊縫成型更容易控制，孔內(nèi)也不存在焊渣清理問(wèn)題，因此更適合進(jìn)行大批量焊接使用。

3.2產(chǎn)品材料分析

查看2種母材材料，可見(jiàn)軸頭采用合金鋼材質(zhì)，橋殼中段采用球墨鑄鐵材質(zhì)。2種母材的化學(xué)成分見(jiàn)表1、力學(xué)性能見(jiàn)表2。

金屬的焊接性通俗來(lái)說(shuō)是指在焊接過(guò)程中避免產(chǎn)生缺陷并滿足使用性能的難易程度，而碳當(dāng)量則可以反映出焊接性。碳當(dāng)量是一種將合金元素的硬化作用轉(zhuǎn)化為相當(dāng)于若干碳含量的作用的值，它用來(lái)表示碳和合金元素對(duì)焊接后開(kāi)裂趨勢(shì)的影響程度。

為了解2種材料的焊接性，我們引入國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的碳當(dāng)量公式來(lái)計(jì)算碳當(dāng)量值。公式如下：

CE（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）5+（Cu+Ni）/15

（備注：CE（IIW）lt;0.45%時(shí)，板厚≤25mm的鋼材漳硬性?xún)A向不大，焊接性良好，不需預(yù)熱，0.45％lt; CE（IW）lt;0.60％。時(shí)，材料易于淬硬，焊前需要預(yù)熱，CE（IIW）gt;0.60％時(shí)，材料必須預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般在70-200℃）。

使用上述公式計(jì)算得出，合金鋼的碳當(dāng)量約為0.64%，球墨鑄鐵的碳當(dāng)量約為4.8％。因此，在進(jìn)行焊接之前，這2種材料都需要進(jìn)行預(yù)熱。同時(shí)，由于這2種材料屬于異種材質(zhì)，所以在進(jìn)行焊接時(shí)必須借助鑄鐵焊材，否則難以熔合。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝可見(jiàn)，在將軸頭安裝到橋殼中段之前，橋殼中段進(jìn)行了300±40℃的預(yù)熱處理，并在進(jìn)行熱裝后進(jìn)行焊接。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)顯示，塞焊孔附近的焊前溫度基本上保持在250-300℃，符合預(yù)熱條件。

3.3焊接材料分析

通常來(lái)講，在選用填充焊接材料時(shí)，應(yīng)盡量選擇化學(xué)成分和力學(xué)性能與母材相近的焊材，特別是在焊縫區(qū)域，焊接材料的力學(xué)性能不能低于兩側(cè)母材的下限值。

根據(jù)母材的資料，我們選擇了2種類(lèi)型焊材，分別是鎳基焊絲和碳鋼焊絲。其中，鎳基焊絲的型號(hào)為常用的ERNi-1和ERNCr-3焊絲，碳鋼焊絲的型號(hào)為常用的ER50-6焊絲。鎳基焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表3和表4，碳鋼焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表5和表6。

通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，焊材選用鎳基焊材較為合適，但因鎳基焊絲價(jià)格較高，考慮到焊接成本，現(xiàn)場(chǎng)使用了ER50-6 1.2碳鋼焊絲。為驗(yàn)證鑄鐵與這2種焊絲的熔合效果，我們分別使用ERNi-1焊絲和ER50-6焊絲對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行焊接，并對(duì)焊接接頭剖檢后進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，使用ERNi-1焊絲焊接后的球鐵側(cè)熔合良好，未見(jiàn)明顯缺陷，而使用ER50-6焊絲焊接后的球鐵側(cè)熔合較差，存在明顯裂紋，說(shuō)明塞焊體與鑄鐵橋殼未熔合。不過(guò)，由于塞焊體與塞焊孔內(nèi)橋殼中段側(cè)壁之間的間隙很小，約為0.05 mm，這種較小的間隙可防止橋殼中段與塞焊體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在一定程度上保證了軸頭與橋殼中段之間的位置關(guān)系。因此，決定不對(duì)焊材進(jìn)行改進(jìn)處理。

3.4焊接保護(hù)氣選擇

現(xiàn)場(chǎng)使用了2種類(lèi)型的保護(hù)氣，一種是純CO2保護(hù)氣，一種是富氬混合氣。眾所周知，與純C02保護(hù)氣相比，使用富氬混合氣焊接時(shí)，焊接飛濺較少、焊縫成型較好。為了充分驗(yàn)證兩者接頭力學(xué)性能的差異，我們進(jìn)行了分別試焊，結(jié)果如圖4和表7所示。

根據(jù)結(jié)果可以看出，使用富氬混合氣焊接后，焊接飛濺明顯減少，焊縫成型變好，焊縫和熱影響區(qū)硬度降低，即韌性提高。因此，決定將CO2保護(hù)氣更換為富氬混合氣進(jìn)行焊接。

3.5焊接設(shè)備選擇

焊接電源選用松下全數(shù)字IGBT逆變CO2/MAG多功能弧焊電源，型號(hào)Arsten CM500。為了保證焊縫的熔深，采用了直流反接法和電壓選擇分制。電弧過(guò)渡形式采用顆粒過(guò)渡和射流過(guò)渡模式，以保持焊接過(guò)程中熔池的穩(wěn)定性并減少焊接飛濺。

3.6焊接工藝

現(xiàn)場(chǎng)的原焊接工藝對(duì)繞圈次數(shù)、每層焊縫抬槍高度和斷弧停頓時(shí)間做了細(xì)化要求。但實(shí)際執(zhí)行時(shí)，這些參數(shù)并不夠統(tǒng)一。為此，經(jīng)過(guò)試板多次試驗(yàn)（圖5），我們對(duì)原有工藝進(jìn)行了優(yōu)化.將橋殼總成大面朝下，連接板朝向料道方向放在工裝上，夾具夾緊，并用防護(hù)罩防護(hù)好塞焊孔附近的螺紋孔和軸頭；焊前確認(rèn)塞焊孔的中心位置，并將焊接槍頭焊絲對(duì)準(zhǔn)24孔的中心，并確保焊槍頭與孔軸線平行，槍口距塞焊孔底部22±1 mm，引弧后，將焊槍頭移動(dòng)至孔壁一側(cè).繞圓打底，繞圓直徑控制在11-14范圍內(nèi).打底完成后在小電流情況下繞圈上升“蓋面”，每圈上升3mm，蓋面完成斷弧后，停頓2s對(duì)孔中心引弧填充1s后斷弧，完成1處焊接，同理完成其余3處焊接（共4處）。

工藝優(yōu)化前后的焊縫內(nèi)部質(zhì)量對(duì)比如圖6所示。從結(jié)果可以看出，工藝優(yōu)化后焊縫底部寬度由18 mm增加為22 mm，這樣可在一定程度上增加接頭的受力面積。此外，焊縫不再偏移，這樣母材邊界的球鐵就不會(huì)大量熔化進(jìn)A熔池，從而導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)，焊縫表面成形良好，弧坑裂紋消失。

4結(jié)論

產(chǎn)品質(zhì)量的好壞直接取決于塞焊的質(zhì)量高低。本文針對(duì)產(chǎn)品塞焊質(zhì)量的影響因素進(jìn)行了分析，并通過(guò)多種途徑進(jìn)行了質(zhì)量改進(jìn)，包括進(jìn)行工藝試驗(yàn)、對(duì)比驗(yàn)證、明確改進(jìn)方向等。同時(shí)，我們采用了焊縫外觀檢測(cè)和金相剖檢等方式來(lái)驗(yàn)證外觀質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，并得出提高和控制焊縫質(zhì)量的最佳方法和實(shí)施措施，以提高產(chǎn)品質(zhì)量和減少售后故障損失。

根據(jù)分析結(jié)果，本文初步得出焊接保護(hù)氣和焊接工藝是改進(jìn)的重點(diǎn)方向。具體包括：將焊接保護(hù)氣由純CO2更換為富氬混合氣可以改善焊縫成形、減少飛濺，并且對(duì)焊接接頭力學(xué)性能也有較大改進(jìn)，塞焊孔的焊接工藝需要不斷優(yōu)化，并根據(jù)焊縫剖檢結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。繞圈次數(shù)、每層焊縫抬槍高度、斷弧停頓時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)是影響塞焊焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。

（責(zé)任編輯：王作函）