純氬氛圍內(nèi)鋁合金拉桿焊接工藝研究及應(yīng)用?

胡廣林,郭福軍,姜文博

侯亞峰,孔祥明

(河南平高電氣股份有限責(zé)任公司,河南平頂山 467001)

純氬氛圍內(nèi)鋁合金拉桿焊接工藝研究及應(yīng)用?

胡廣林,郭福軍,姜文博

侯亞峰,孔祥明

(河南平高電氣股份有限責(zé)任公司,河南平頂山 467001)

經(jīng)過(guò)對(duì)超高壓開(kāi)關(guān)產(chǎn)品用鋁合金拉桿的焊接工藝分析,對(duì)焊縫接頭的鈍邊、間隙和坡口角度等改進(jìn)和優(yōu)化,并采取在純氬氛圍內(nèi)交流TIG焊接保護(hù)措施,基本杜絕了空氣中的含氫成份的物質(zhì)和氧氣對(duì)熔池的浸入和氧化,最大程度的減少了氫氣孔、Al2O3夾渣和裂紋等焊接缺陷的產(chǎn)生。實(shí)際生產(chǎn)中,鋁合金拉桿焊縫的缺陷幾乎為零,焊縫質(zhì)量得以有效控制。

純氬氛圍;鋁合金拉桿;交流TIG焊接;焊接缺陷

550～800k V的超高壓輸變電站所用的全封閉組電器的隔離開(kāi)關(guān),其分、合閘的重要部件—拉桿,選用了5A05-H112鋁合金管和鋁合金棒焊接后加工而成。鋁合金密度小,所制成的拉桿具有重量輕、強(qiáng)度高、沖擊慣性小等優(yōu)點(diǎn),確保了隔離開(kāi)關(guān)的開(kāi)、斷時(shí)間精度,提升了全封閉組合電器產(chǎn)品的整體安全性能。但是,眾所周知,鋁合金的焊接難度大,極易產(chǎn)生氫氣孔、Al2O3夾渣和裂紋等焊接缺陷,這也給實(shí)際焊接生產(chǎn)帶來(lái)很大的困難。

1 鋁合金拉桿的結(jié)構(gòu)和使用性能

鋁合金拉桿由“項(xiàng)1堵頭”、“項(xiàng)2管”和“項(xiàng)3接頭”等3個(gè)零部件通過(guò)螺紋聯(lián)接固定后,再焊接而成(見(jiàn)圖1)。其中,“項(xiàng)1堵頭”和“項(xiàng)3接頭”選用的是?60棒5A05-H112,“項(xiàng)2管”選用的是?60×12.5管5A05-H112。焊接后,整個(gè)外圓精車至?50,表面光潔度要求為1.6。拉桿工作時(shí)既要承擔(dān)足夠的強(qiáng)度和沖擊,同時(shí),包括環(huán)形焊縫在內(nèi)的拉桿外圓同時(shí)承擔(dān)著滑動(dòng)密封SF6氣體功能。因此,焊接后,包括2條環(huán)焊縫在內(nèi)的鋁合金拉桿外圓整體精車后,不允許任何缺陷存在,才能滿足在產(chǎn)品上的使用要求。

圖1 鋁合金拉桿結(jié)構(gòu)示意圖

2 鋁合金拉桿焊接工藝分析

鋁合金5A05-H112材質(zhì)化學(xué)成分(見(jiàn)表1),力學(xué)性能(見(jiàn)表2)[1]。

表1 5A05-H112材質(zhì)的化學(xué)成分

鋁合金焊接困難,同時(shí),鋁合金拉桿外圓直徑小,焊縫為圓弧形狀,不宜施焊。采用交流TIG焊接時(shí),僅靠TIG焊槍中的氬氣流保護(hù)熔池,受外界環(huán)境制約,氬氣流易紊亂,會(huì)卷入空氣中的氧氣生成Al2O3夾渣缺陷,和卷入含H元素成份極易產(chǎn)生氫氣孔等焊接缺陷[2]。

受鋁合金拉桿自身結(jié)構(gòu)限制,焊接后不能采取X射線、或超聲波檢測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷。焊接缺陷多是在精車過(guò)程、或精車后才能目視或著色探傷發(fā)現(xiàn)。在產(chǎn)品的試制階段,精車后的鋁合金拉桿外圓,焊縫上經(jīng)常出現(xiàn)針尖或點(diǎn)狀大小的氣孔和微小裂紋等焊接缺陷。因此,靠焊接工藝保證鋁合金拉桿的焊縫質(zhì)量,已成為整個(gè)制造工藝中的重中之重。

精車后,對(duì)鋁合金拉桿上的焊接缺陷采取補(bǔ)焊處理時(shí),成功率非常低。補(bǔ)焊的部位會(huì)產(chǎn)生新的焊接缺陷,同時(shí),電弧又易燒傷缺陷附近已精加工過(guò)的外表面。精車后的鋁合金拉桿外表面,是曲率半徑非常小的圓弧面,易把補(bǔ)焊部位的表面鉗修為平面、或表面曲率半徑不符合圖紙要求,影響鋁合金拉桿外表面的整體氣密性從而造成報(bào)廢,形成很大浪費(fèi)。

表2 5A05-H112材質(zhì)的力學(xué)性能

3 鋁合金拉桿焊接工藝改進(jìn)方案

3.1 氬氣儲(chǔ)存裝置的設(shè)計(jì)

依據(jù)焊接缺陷產(chǎn)生的原因分析,受真空狀態(tài)環(huán)境中焊接實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)[3],結(jié)合氬氣密度比空氣重25%的物理性能,設(shè)計(jì)和自制一個(gè)從底部連續(xù)不斷的充入高純氬氣的儲(chǔ)存裝置。把鋁合金拉桿的焊縫接頭完全浸入高純氬氣氛圍內(nèi)后,能夠從外部施焊,這樣的焊接氛圍及效果基本等同于真空狀態(tài)下焊接(見(jiàn)圖2)。但是,在施焊過(guò)程中要比真空狀態(tài)下易于操作,生產(chǎn)成本也要比真空狀態(tài)下低得多。

圖2 純氬氣氛圍內(nèi)施焊示意圖

3.2 坡口的設(shè)計(jì)

鋁合金拉桿的接頭,坡口設(shè)計(jì)采用搭接接頭(見(jiàn)圖3),預(yù)留70°坡口,2mm鈍邊、2mm裝配間隙,完善為預(yù)留70°坡口, 0mm鈍邊、0mm裝配間隙。鉚裝時(shí),通過(guò)螺紋聯(lián)接固定,從設(shè)計(jì)上就杜絕點(diǎn)焊產(chǎn)生焊接缺陷機(jī)率和根部未焊透缺陷。

圖3 拉桿的結(jié)構(gòu)及焊縫形式示意圖

4 鋁合金拉桿焊接工藝

4.1 焊接方法

把鋁合金拉桿裝卡到HB-150型號(hào)的變位機(jī)上,把鋁合金拉桿環(huán)縫部位浸入到氬氣存儲(chǔ)裝置內(nèi),鋁合金拉桿隨著變位機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),在平焊位置完成整個(gè)焊接過(guò)程。AEP-300交流TIG焊機(jī),焊接操作過(guò)程穩(wěn)定、氬弧外形小易控制、且熱量密度集中。

4.2 焊絲的選擇

依據(jù)與母材化學(xué)成份接近和等強(qiáng)的焊材選擇原則,選用了牌號(hào)ER5356,規(guī)格?2.4mm細(xì)直徑的焊絲,易于控制熔池中母材和焊材的成份比例。同時(shí)參照通常采用的交流,焊絲化學(xué)成分(見(jiàn)表3),力學(xué)性能(見(jiàn)表4)。

表3 ER5356焊絲化學(xué)成份

4.3 焊接工藝參數(shù)

選用?4.8mm鈰鎢極,鎢極端部磨成球狀,以便電弧能深入接頭根部,短弧焊接,更有利于根部熔合及保護(hù)熔池,采用小電流焊接,避免鎢極端部熔化,過(guò)渡到焊縫中形成夾鎢缺陷。焊接工藝參數(shù)如表5所示。

表5 ER5356焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

表5 焊接工藝參數(shù)

4.4 焊接工藝過(guò)程和工藝措施

1)保護(hù)氣體的質(zhì)量控制。在對(duì)拉桿的焊接過(guò)程中,水份對(duì)焊縫產(chǎn)生氫氣孔的敏感性比較強(qiáng)。焊接后,焊縫容易產(chǎn)生氣孔。因此,嚴(yán)格控制氬氣中水份的含量,拉桿的直流TIG焊接過(guò)程中,氬氣的純度應(yīng)在99.99%以上。

2)預(yù)熱試件和坡口的清理。焊接前需采取預(yù)熱措施,預(yù)熱溫度為260℃。用鋼絲刷認(rèn)真清理焊縫的坡口及附近的氧化物和其他臟物,使其露出金屬光澤。

3)預(yù)熱鎢電極。焊接前,在引弧板上先試焊預(yù)熱鎢極,便于施焊時(shí)易高頻起弧,減少和杜絕起弧處產(chǎn)生焊接缺陷。

4)施焊過(guò)程中,把鋁合金拉桿焊接頭完全浸入氬氣的儲(chǔ)存裝置,提前送氣,把氬氣包內(nèi)的空氣徹底排凈,滯后關(guān)氣,確保焊縫熔池的整個(gè)結(jié)晶過(guò)程都在高純氬氣的氛圍內(nèi)完成。從焊接過(guò)程中杜絕空氣中的氧氣和含氫元素的成份進(jìn)入熔池,極大的減少、甚至徹底消除夾雜、氣孔和裂紋等焊接缺陷的產(chǎn)生。

5)焊接結(jié)束時(shí),把弧坑引到焊縫附近的母材上,要續(xù)足夠的焊絲,以免在焊縫上及弧坑處產(chǎn)生裂紋。

5 焊接工藝評(píng)定和驗(yàn)證

1)嚴(yán)格按上述焊接工藝,進(jìn)行工藝評(píng)定。從每批次中隨機(jī)抽取2～3根鋁合金拉桿作為工藝評(píng)定型式試件,逐層切削后,著色探傷檢查,每層切削0.5mm,共計(jì)切削10層5mm,沒(méi)發(fā)現(xiàn)任何氣孔、裂紋和夾雜等焊接缺陷。

2)工藝驗(yàn)證。在批量生產(chǎn)中,合格率控制在93.8%,滿足正常生產(chǎn)需求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在純氬氛圍內(nèi)TIG焊接鋁合金拉桿的工藝研究,對(duì)鋁合金的焊接有了更深層次的認(rèn)識(shí),對(duì)減少和杜絕焊接缺陷的產(chǎn)生有了更有效的控制措施,改進(jìn)后的鋁合金拉桿已大批量的成功應(yīng)用到特高壓產(chǎn)品組合電器的隔離開(kāi)關(guān)中,并已在電網(wǎng)中安全運(yùn)行。同時(shí),把該工藝措施推廣到采用氬弧焊工藝焊接的其他金屬材料的桿類、軸類的焊接生產(chǎn)當(dāng)中,并取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效果。

[1]GB/T3191-2010,鋁及鋁合金擠壓棒材[S].

[2]張文鉞.焊接冶金學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]英若采.熔焊原理及金屬材料焊接[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[編輯] 張濤

TG457.1

A

1673-1409(2014)22-0064-03

2014-04-23

胡廣林(1973-),男,工程師,現(xiàn)主要從事焊接工藝及設(shè)備方面的研究工作。

?專利性成果(ZL201020693639X)。