45號鋼拉桿TGS-50焊絲TIG焊接工藝研究

郭福軍,胡廣林,張志偉,侯亞峰 (河南平高電氣股份有限公司,河南平頂山 467001)

45號鋼拉桿TGS-50焊絲TIG焊接工藝研究

郭福軍,胡廣林,張志偉,侯亞峰 (河南平高電氣股份有限公司,河南平頂山 467001)

焊接工藝是拉桿整個制造工藝過程中最關鍵、也是最容易出質量問題的工序。對45號鋼拉桿的結構和焊接工藝進行了分析,焊縫中易產生夾渣、氣孔和裂紋等焊接缺陷。采用TGS-50焊絲直流TIG焊接工藝,并對焊接工藝性能進行了評定:用著色探傷檢驗焊縫外觀質量,用X射線探傷檢驗焊縫內部質量,對試件焊縫進行了拉伸試驗、彎曲試驗和試件沖擊試驗。與常用的直流反接手工堿性焊條電弧焊焊接工藝相比,45號鋼拉桿直流TIG焊接工藝焊縫接頭的組織結構和力學性能獲得很大的提高。直流TIG焊接的45號鋼拉桿,已大批量的成功應用到斷路器的新產品中,并在電網中安全運行。

45號鋼;拉桿;TGS-50焊絲;直流TIG焊接

在輸變電網中,斷路器的精確開斷,是確保電網安全運行最重要的技術參數之一。而分、合閘拉桿又是確保斷路器精確開斷的關鍵核心件。河南平高電氣股份有限公司自主研發了一種斷路器新產品,為了保證分、合閘拉桿具備更高的強度和較輕重量,經過精密計算和反復試驗,改選用強度較高的45號鋼材質的棒和管通過焊接、精車拉桿外圓,代替由45號鋼實心棒加工而成的分、合閘拉桿。改進后的拉桿強度高、重量輕、結構合理、沖擊慣性小和開斷精度高,從而保證斷路器新產品性能更穩定。

1 45號鋼拉桿結構分析

45號鋼材質化學成分(見表1),力學性能(見表2)。由于含碳量較高,棒和管焊接時,焊縫區域凝固溫度區間較大,偏析現象比較嚴重,在凝固收縮應力的作用下,易沿液態晶界處開裂,產生熱裂紋。同時,在熱影響區產生塑性很低的淬硬組織(如馬氏體等),因此,熱影響區存在產生冷裂紋的傾向。

表1 45號鋼的化學成分

表2 45號鋼的力學性能

45號鋼拉桿的結構(見圖1),先通過中間螺堵將左、右兩端45號鋼管聯結固定,然后再焊接。其特點是外圓直徑小,焊縫為圓弧形狀,采取常規手工焊條電弧焊時,不易控制電弧,所形成的熔池不穩,且為熔渣保護,焊縫成形不好,極易產生氣孔、夾渣等焊接缺陷。

圖1 拉桿的結構及焊縫形式示意圖

45號鋼拉桿焊縫質量對表面光潔度和形位公差都有很高的要求,包括焊縫在內的拉桿外圓有滑動密封要求。焊后,拉桿外圓整體數控精車4mm,精車后的焊縫和其他外圓表面不允許存在任何缺陷。表面處理采取磷化后涂油。

2 J506堿性焊條直流反接手工電弧焊焊接工藝分析

在拉桿的試制階段,采用J506堿性焊條直流反接手工電弧焊工藝。焊接前,需對焊件進行400～500℃的預熱,工藝復雜,焊接電弧及焊縫質量不易控制。精車后的焊縫表面經常出現氣孔、夾渣和裂紋等焊接缺陷。補焊時,直流反接手工電弧焊起弧不易控制,電弧外形較大,加熱和熔化面積大,會擊傷和污染補焊部位附近高精表面,甚至補焊部位會產生新的焊接缺陷,造成拉桿焊報廢。

在對拉桿上的焊縫缺陷部位補焊時,若采取手工焊條電弧焊J506堿性焊條修補時,焊補成功率非常低,且電弧又容易燒傷其他已精加工過的部位。同時,因拉桿外表面是曲率半徑非常小的圓弧面,易把補焊點處鉗修成平面、或表面曲率半徑不符合圖紙要求,影響密封性能從而造成拉桿報廢,給公司造成很大的浪費。

經過分析,焊接工藝是拉桿整個制造工藝過程中最關鍵、也是最容易出質量問題的工序,急需選擇和確定一種既便于控制焊接電弧、熔池,又不易產生焊接缺陷的更先進的焊接工藝。

3 直流TIG焊接工藝

選用Panasonic TX-315直流TIG焊機,其焊接操作過程穩定、氬弧外形小易控制,且熱量密度集中,氬氣保護代替熔渣保護,熔池更清潔,徹底杜絕了夾渣的隱患。由于直流TIG的氬弧的熱能密度集中性是手工焊條電弧焊的10倍以上,焊接前不需采取預熱措施,簡化了焊接工藝。

3.1 焊絲的選擇

依據與母材化學成份接近和等強的焊材選擇原則[1],同時參照通常采用的直流反接手工焊條電弧焊所選用的J506堿性焊條(化學成分見表3),直流TIG焊接工藝選用表面采取鍍層以防銹的?2.4× 1000規格的棒狀焊絲TGS-50[2],其化學成分和力學性能見表4和表5。

表3 J506焊條金屬的化學成分

表4 TGS-50焊絲化學成分

由以上的化學成分和機械性能對比、分析可以看出,TGS-50焊絲的有害元素S和P的含量更低,低溫條件下的沖擊性能更好,更有利于滿足焊縫的性能和拉桿的使用狀況。

3.2 焊接工藝過程

1)坡口型式的設計 45號鋼拉桿的接頭型式采用搭接和對接組合,預留45°坡口,1mm鈍邊、1mm裝配間隙。裝配時,通過螺堵聯接固定,而不是通過點焊固定,從設計上就消除點焊固定時產生缺陷機率。

2)保護氣體的質量控制 在焊接過程中,水份對焊縫產生氫氣孔的敏感性比較強,焊縫容易產生氣孔。因此,嚴格控制氬氣中水份的含量,45號鋼拉桿的直流TIG焊接過程中,保護氣體氬氣純度應在99.99%以上。

表5 TGS-50焊絲熔敷金屬力學性能

3)焊接工藝措施 ①坡口的清理和焊縫的保護。焊前,用鋼絲刷認真清理45號鋼拉桿的坡口及附近的氧化物和其他臟物,使其露出金屬光澤。②預熱鎢電極。焊接前,先在試板上預熱鎢電極,以便焊接時容易起弧,減少和避免產生起弧缺陷。③焊接結束時,把弧坑引到焊縫附近的母材上,并繼續填焊絲,以免在焊縫上及弧坑處產生裂紋。④焊接工藝參數。選用?2.4mm鈰物極,鎢極端部磨成錐臺狀,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熔池,焊接材料選用?2.4mm的TGS-50焊絲。焊接工藝參數如表6所示。

表6 焊接工藝參數

4 焊接工藝評定

根據45號鋼拉桿所制定的焊接工藝,進行工藝評定以進行驗證。工藝評定試板選擇8mm厚的45號鋼板,采取對接接頭,90°坡口、1mm鈍邊和1mm鉚裝間隙,完全等同于45號鋼拉桿的實際接頭狀況。

4.1 著色探傷

著色探傷用以檢驗焊縫外觀質量。結果表明,焊縫成形美觀,無表面氣孔、裂紋等焊接缺陷,符合焊接標準要求。

4.2 X射線探傷

X射線探傷用以檢驗焊縫內部質量。經X射線無損檢測,焊縫達到Ⅱ級片[3],焊接試板達到JB-4730-94規定的Ⅱ級片以上要求。

4.3 機械性能試驗

對試件焊縫進行了試件拉伸試驗[4]、試件彎曲試驗[5]和試件沖擊試驗[6],具體結果詳見表7、表8和表9所示,焊縫表面和內部質量及其機械性能完全滿足對應國家標準要求。

表7 試件拉伸試驗結果

表8 試件彎曲試驗結果

表9 試件沖擊試驗結果

5 結語

采用TGS-50焊絲的直流TIG焊接工藝,打破和代替傳統的直流手工堿性焊條電弧焊接工藝。不僅改善焊接勞動條件,而且極大的減少焊接缺陷產生的機率,提高焊縫質量。更為重要的是,直流TIG焊接的45號鋼拉桿,已大批量的成功應用到斷路器的新產品中,并在電網中安全運行。

[1]曾樂.現代焊接技術手冊[M].上海:上海科學技術出版社,1993.

[2]JIS Z3316,碳鋼及低合金鋼TIG焊用焊條和焊絲[S].

[3]GB982-986-88,射線探傷標準[S].

[4]GB/T 2651-2008,焊接接頭拉伸試驗方法[S].

[5]GB/T 2653-2008,焊接接頭彎曲試驗方法[S].

[6]GB/T 2650-2008,焊接接頭沖擊試驗方法[S].

[編輯] 洪云飛

TG457.1

A

1673-1409(2014)22-0067-04

2014-04-13

郭福軍(1970-),男,工程師,現主要從事焊接工藝及設備方面的研究工作。