高溫合金導(dǎo)管全位置自動(dòng)焊接工藝

（四川航天長(zhǎng)征裝備制造有限公司，四川成都 610100）

0 前言

隨著焊接工藝技術(shù)水平的不斷提高，自動(dòng)焊工藝將逐步取代手工焊工藝。導(dǎo)管焊接對(duì)焊接技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求，傳統(tǒng)手工氬弧焊勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，因此采用全位置導(dǎo)管自動(dòng)焊工藝方法代替手工氬弧焊接成為必然[1-2]。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料為GH1140高溫合金管材φ7 mm×1.5 mm、φ6 mm×1 mm（見圖 1），試件長(zhǎng)度 200 mm；GH1131高溫合金接頭φ7.5 mm×1.75 mm、φ7mm×1.5 mm。試驗(yàn)設(shè)備為ORBIMAT 165CA全位置自動(dòng)焊機(jī)和ORBIWELD 19管焊鉗[3-4]。

圖1 高溫合金導(dǎo)管

2 工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)分析

GH1140和GH1131高溫合金是固溶強(qiáng)化的鐵鎳基變形高溫合金，具有中等熱強(qiáng)性和良好的熱疲勞性能、組織穩(wěn)定性及焊接性能，適宜于制造850℃以下的高溫部件。

ORBIMAT 165CA全位置自動(dòng)焊機(jī)是一款緊密型焊接系統(tǒng)，如圖2所示，包括焊接電源、焊接控制部分、完備的水冷系統(tǒng)、內(nèi)置打印機(jī)和操作控制元件以及先進(jìn)的電氣裝配。焊機(jī)體積小巧、質(zhì)量輕便（24 kg），可以所有單相電（90～260 VAC，50/60 Hz）相連，具有參數(shù)分段設(shè)置和調(diào)節(jié)功能，電流調(diào)節(jié)范圍1～165 A。ORBIWELD 19管焊鉗為封閉式，不能填加焊絲，如圖3所示。

圖2ORBIMAT 165CA全位置自動(dòng)焊機(jī)

圖3ORBIWELD 19管焊鉗

GH1140和GH1131高溫合金產(chǎn)生的焊接缺陷主要有兩種：一是焊縫未熔合；二是由于焊鉗無法填加焊絲，在焊接時(shí)大電流焊縫表面會(huì)出現(xiàn)凹陷，小電流會(huì)出現(xiàn)未焊透。未熔合和未焊透對(duì)焊縫質(zhì)量的影響均很大。未熔合是一種面積缺陷，坡口未熔合和根部未熔合對(duì)承載截面積的減小影響均非常明顯，應(yīng)力集中較嚴(yán)重，其危害性僅次于裂紋。未焊透的危害之一是減少了焊縫的有效面積，降低接頭強(qiáng)度；其次，未焊透引起的應(yīng)力集中嚴(yán)重降低焊縫的疲勞強(qiáng)度，其危害較強(qiáng)度下降大得多。此外，未焊透可能成為裂紋源，是造成焊縫破壞的重要原因。為防止產(chǎn)生以上兩類缺陷，在此分析其產(chǎn)生的原因[5]。

2.1.1 未熔合

未熔合是焊接時(shí)焊縫金屬與母材之間或焊道金屬和焊道金屬之間未完全熔化結(jié)合的部分，按其所在部位分為坡口未熔合（側(cè)壁未熔合）、層間未熔合（焊道之間未熔合）和根部未熔合三種，產(chǎn)生原因?yàn)椋海?）焊接電流過??；（2）焊接速度過快；（3）鎢極對(duì)中不對(duì)；（4）產(chǎn)生了弧偏吹現(xiàn)象；（5）焊接處于下坡焊位置，母材未熔化時(shí)已被鐵水覆蓋；（6）母材表面有污物或氧化物影響熔敷金屬與母材間的熔化結(jié)合等。

采取措施如下：（1）由于全位置自動(dòng)焊機(jī)對(duì)零件裝配質(zhì)量要求十分苛刻，因此焊前必須對(duì)試件進(jìn)行平端面加工，保證管子端面與其軸線垂直；（2）保證焊接時(shí)調(diào)用程序正確；（3）零件裝配錯(cuò)邊小于等于0.1 mm；（4）焊前必須用刮刀清理待焊區(qū)域的毛刺和油污等；（5）零件在酸洗后24 h內(nèi)焊接完成；（6）焊接操作時(shí)焊工必須戴潔凈的白手套。

2.1.2 未焊透或焊縫凹陷

未焊透是焊接時(shí)接頭的根部未完全熔透的現(xiàn)象，按坡口形式分為單面焊未焊透和雙面焊根部未焊透。本試驗(yàn)為無背襯單面焊接，產(chǎn)生的未熔合應(yīng)為單面焊未焊透，產(chǎn)生原因?yàn)椋海?）焊接電流小，熔深淺；（2）對(duì)縫間隙尺寸不合理，根部間隙太??；（3）鎢極對(duì)中不對(duì)及磁偏吹影響電弧對(duì)根部的熔化；（4）鎢極直徑過大，造成焊根無法焊透；（5）焊縫反面未通氬氣保護(hù)；（6）鎢極高度過大。

采取措施如下：（1）氬氣純度為99.999%，氬氣瓶壓力不得低于3 MPa；（2）零件裝配間隙小于等于0.1 mm；（3）在等壁厚焊接時(shí)保證鎢極對(duì)中度小于等于0.1mm，在不等壁厚焊接時(shí)保證鎢極偏厚側(cè)0.4～0.6 mm；（4）鎢極直徑 φ1.6 mm，端部角度 22.5°；（5）焊接時(shí)正反面必須通氬氣保護(hù)；（6）鎢極距離母材的高度為1.1 mm。

焊縫凹陷是指焊縫低于母材的現(xiàn)象，QJ2865A-2014《導(dǎo)管焊接技術(shù)要求》中Ⅰ級(jí)對(duì)接接頭的焊縫凹陷應(yīng)不超過較薄導(dǎo)管壁厚的10%，焊縫凹陷的主要原因是焊接電流偏大，在無填絲自熔式全位置自動(dòng)焊時(shí)很容易出現(xiàn)。采取措施為：在保證零件焊透的情況下，適當(dāng)減小焊接電流，并在蓋面焊接過程中采用快速度、小電流，通過熔池自身重力及熔池表面張力保證焊縫凹陷不超差。

2.2 焊接分段及參數(shù)分析

全位置自動(dòng)焊接程序的分段應(yīng)考慮到熔池所在位置及管鉗和工件的熱積累。電弧對(duì)焊件的加熱速度大于焊件的散熱速度，使熱量積聚，最終導(dǎo)致焊接熔池失穩(wěn)。因此在導(dǎo)管對(duì)接的全位置焊接過程中，為保持熔池形態(tài)穩(wěn)定，即使得熔池的表面張力與重力平衡，必須適當(dāng)控制電弧能量。方法為：除采用脈沖電流外，還應(yīng)分區(qū)段程序控制各焊接參數(shù)。在保證焊透的情況下，熔池越小，熔池重力對(duì)焊縫成形的影響越小，因此焊縫分段數(shù)不宜太少，否則一個(gè)分段上焊縫熔寬不同，會(huì)造成焊縫成形不均勻。各段的焊接參數(shù)應(yīng)根據(jù)熱積累和焊縫位置確定，特別注意避免起弧時(shí)溫度低造成的未焊透和收弧時(shí)溫度高造成的焊縫凹陷。在管管對(duì)接全位置焊中，為使焊縫在整個(gè)圓周內(nèi)成形均整，主要焊接參數(shù)（焊接電流、焊接速度）應(yīng)按預(yù)先設(shè)計(jì)的邏輯程序進(jìn)行編程，并分區(qū)段程序控制起弧和收弧階段，程序控制焊接電流遞增或衰減。

通過大量工藝試驗(yàn)確定的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 GH1140+GH1131 φ7 mm×1.5 mm導(dǎo)管焊接工藝參數(shù)

結(jié)果表明，該工藝參數(shù)可獲得較為理想的焊縫成形。

2.3 工藝措施

對(duì)于高溫合金，在無背襯自熔式全位置自動(dòng)對(duì)接焊時(shí)采用反面通保護(hù)氣的方法十分重要。焊縫背面通充足的保護(hù)氣，并在導(dǎo)管出氣端增加開口堵塞，保證導(dǎo)管內(nèi)部有一定正壓，防止空氣回流，具有以下作用：（1）保護(hù)背面焊縫不被氧化；（2）防止焊縫正面凹陷；（3）改善焊縫反面成形。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究所有工藝試驗(yàn)件均通過外觀檢查、X射線檢測(cè)、內(nèi)窺檢查、著色檢查、液壓氣密試驗(yàn)，一部分導(dǎo)管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，一部分導(dǎo)管進(jìn)行剖切金相組織分析[6-8]。通過制定及實(shí)施工藝措施，克服了焊縫出現(xiàn)凹陷超差的情況，且焊縫寬度均勻，焊漏均勻、成形良好，焊縫外表面無裂紋、氣孔、夾鎢、夾雜等缺陷，經(jīng)X射線檢測(cè)及剖切后宏觀觀察，焊縫內(nèi)部無未焊透、未熔合等焊接缺陷。通過對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行液壓、氣密試驗(yàn)可知，導(dǎo)管在設(shè)計(jì)液壓壓力17MPa時(shí)，保壓3min，氣密壓力11 MPa，保壓3 min，焊縫均無任何變化，而實(shí)際試驗(yàn)壓力遠(yuǎn)大于導(dǎo)管工作壓力，具體如表2所示。

根據(jù)GJB2297A-2008《航空用高溫合金冷拔（軋）無縫管規(guī)范》，GH1140的抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于等于635 MPa，及QJ2865A-2014《導(dǎo)管焊接技術(shù)要求》Ⅰ級(jí)對(duì)接焊縫應(yīng)不低于母材技術(shù)條件規(guī)定的材料抗拉強(qiáng)度下限值的90%，即571.5 MPa，實(shí)際拉伸強(qiáng)度均大于標(biāo)準(zhǔn)要求強(qiáng)度值，導(dǎo)管斷裂部位部分在熱影響區(qū)，部分在母材上，具體如表3所示。

表2 液壓氣密試驗(yàn)

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

沿導(dǎo)管焊縫軸線剖切后分析其金相組織，無裂紋、夾雜、未熔合、疏松等缺陷，焊縫組織晶粒細(xì)小，如圖4所示。

圖4 金相組織

3 結(jié)論

（1）采用ORBIMAT 165CA全位置自動(dòng)焊機(jī)焊接高溫合金導(dǎo)管必須進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制：焊前清理，平端面，去毛刺，并且要求焊縫反面通氬氣保護(hù)，裝配時(shí)保證鎢極對(duì)中要求，以獲得良好的焊縫質(zhì)量。

（2）GH1140+GH1131 φ7mm×1.5mm 導(dǎo)管等壁厚焊接采用打底焊+蓋面焊的工藝方式和反面通充足氬氣保護(hù)，并在導(dǎo)管出氣端增加開口堵塞，保證導(dǎo)管內(nèi)部存在一定正壓，防止空氣回流，避免焊縫成形時(shí)出現(xiàn)凹陷缺陷，焊縫機(jī)械性能達(dá)到GJB2297A-2008《航空用高溫合金冷拔（軋）無縫管規(guī)范》及QJ2865A-2014《導(dǎo)管焊接技術(shù)要求》的要求。