1Cr18Ni9Ti不銹鋼薄壁管氬弧焊焊接變形的工藝控制方法研究

陶萬勇 徐小明 王璐

摘? 要：文章通過控制變量法改變1Cr18Ni9Ti薄壁管氬弧焊的焊接電流、起弧電流、芯棒長短、定位點數(shù)以及起弧點位置等參數(shù)進行試驗，找出影響薄壁管焊接變形的因素及其影響規(guī)律，并提出工藝改進的建議。實驗表明：降低起弧電流，選取1點定位，定位點對面起弧的方法，并選用短芯棒可減小焊接變形量，焊接電流對變形影響不大。

關(guān)鍵詞：薄壁管;焊接變形;氬弧焊焊接;同軸度

中圖分類號：TG444.74 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0110-03

Abstract： In this paper， the control variable method is used to change the welding current， arc initiation current， mandrel length， positioning point and arc starting point of argon arc welding of 1Cr18Ni9Ti thin-walled pipe， the factors and rules affecting the welding deformation of thin-walled pipe are found out， and some suggestions for process improvement are put forward. The experimental results show that the method of reducing the arc current， selecting 1 point positioning， arcing opposite the positioning point， and selecting short mandrel can reduce the welding deformation， and the welding current has little effect on the deformation.

Keywords： thin-walled pipe; welding deformation; argon arc welding; coaxiality

引言

不銹鋼由于其良好的高溫抗氧化性、熱穩(wěn)定性、易加工成形和優(yōu)良的抗腐蝕性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等領(lǐng)域[1-2]。薄壁類零件產(chǎn)品因重量輕、節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點在航空領(lǐng)域，被大量采用[3]。為保證焊接強度，不銹鋼薄壁類零件經(jīng)常采用氬弧焊焊接成形，但采用該焊接方法焊接時焊接變形大，影響后續(xù)的裝配使用，嚴重的會造成報廢[4]，目前雖然可通過焊后校形的方式減小變形[5-7]，但該方式對焊縫結(jié)構(gòu)造成損傷，有可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力，嚴重的會引起事故。因此研究和掌握不銹鋼薄壁類零件氬弧焊焊接變形的影響因素和規(guī)律對控制焊接變形具有十分重要的意義。本文結(jié)合生產(chǎn)對氬弧焊的工藝參數(shù)進行優(yōu)化實驗，以期采取有效措施解決薄板焊接變形的問題，以對后續(xù)的生產(chǎn)提供試驗和理論支撐。

1 試驗設(shè)備及材料

試驗選用手工氬弧焊機定位，自動氬弧焊機環(huán)焊一圈的方式對試驗件進行焊接，試驗件結(jié)構(gòu)見圖1，由防護套和接管嘴組成，焊接接頭形式為搭接，材料均為1Cr18Ni9Ti，接管嘴厚度為0.65mm，防護套厚度為0.7mm。通過檢測氬弧焊后試樣的同軸度，來觀察焊接變形的大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接電流、起弧電流和芯棒長短對焊接變形的影響

通過匯總分析前期生產(chǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)影響焊接變形的主要因素是焊接電流、起弧電流和芯棒長短，本次收集焊接后的同軸度來評價焊接變形的影響。試驗通過控制變量法進行試驗尋找影響同軸度的主要因素，并加以研究以提升同軸度的合格率水平。第一次共進行了6組試驗，每組試驗24根試驗件，分別改變焊接電流、起弧電流和芯棒長度，其他參數(shù)焊接參數(shù)固定（詳見表1），通過統(tǒng)計產(chǎn)品合格率來研究同軸度的變化規(guī)律。試驗參數(shù)及結(jié)果見表2，試驗表明，上述三個因素對焊接同軸度都有一定的影響，相比之下，起弧電流對焊接同軸度的影響更加明顯，芯棒長短影響次之，焊接電流基本無影響。

2.1.1 焊接電流對焊接同軸度合格率的影響

比較第一次試驗中第①、③、⑥三組試驗結(jié)果，其他參數(shù)固定的情況下，隨著焊接電流的減小，產(chǎn)品合格率無明顯變化規(guī)律。分析認為，試樣由薄壁管環(huán)焊一圈而成，在整個一圈的焊接過程中，電弧的運動軌跡是相對對稱的，焊接電流工作時的熱輸入導(dǎo)致的熱變形相互抵消，故而降低焊接電流，對環(huán)焊縫變形量影響不大。

2.1.2 起弧電流對焊接同軸度合格率的影響

比較第一次試驗中第②、③、⑤三組試驗結(jié)果，其他參數(shù)固定的情況下，隨著起弧電流的減小，產(chǎn)品合格率明顯上升。分析認為，由于焊接時起弧點處焊接停留時間相對較長，導(dǎo)致試驗件產(chǎn)生變形，偏向起弧處。再經(jīng)過一圈對稱變形焊接后，試樣最終會偏向起弧點處變形。故而起弧電流越大，變形量也就越大，從而導(dǎo)致合格率降低。

2.1.3 芯棒長短對焊接同軸度合格率的影響

比較第一次試驗中第③、④三組試驗結(jié)果。其他參數(shù)固定的情況下，使用短芯棒焊接后產(chǎn)品合格率大于長芯棒。試驗中通過對芯棒同軸度進行檢測，發(fā)現(xiàn)隨著焊接次數(shù)的增加，芯棒自身同心度變大。分析認為，芯棒長短對焊接合格率的影響原因，主要是由于芯棒與焊接件配合間隙小，在持續(xù)焊接變形過程中，變形相疊加，變形量會越來越大。當(dāng)試樣與芯棒的配合長度較長，試樣受芯棒剛性約束大，試樣的變形受長芯棒自身變形量的影響較大，而配合間隙短時，試樣的變形量受芯棒影響會變小。所以批量生產(chǎn)后，使用短芯棒的合格率相對較高。

2.2 定位點數(shù)、起弧位置對同軸度的影響

為進一步提升焊接的同軸度合格率水平，繼續(xù)對1Cr18Ni9Ti薄壁管氬弧焊焊接的定位點數(shù)以及起弧位置進行研究，通過正交試驗，探索最佳工藝方法提升焊接的同軸度水平。在正交試驗中，每組5個零件，通過改變定位點數(shù)和起弧位置，每個因素選擇兩個水平，其他焊接參數(shù)固定（具體見表3），進行試驗，試驗結(jié)果見表4。

試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降低起弧電流選用短芯棒焊接后，試驗件同軸度合格率均為100%，圖2顯示了定位點數(shù)、起弧位置對同軸度水平的影響，從圖中可以看出：（1）在低點起弧時，定位點數(shù)對同軸度的影響不大;（2）在低點起弧時焊接件的同軸度水平要小于高點起弧，且同軸度水平相對較穩(wěn)定。分析認為，低點起弧的試驗件同軸度水平較高且相對比較穩(wěn)定，在最低點起弧，相當(dāng)于運用反變形法[5-7]，減小試樣的變形，從而提高同軸度水平。基于三點定位后試驗件的最高點和最低點沒有任何規(guī)律，但一點起弧的試樣最低點基本與定位點對稱，考慮到實際操作的生產(chǎn)效率，建議選取1點定位，低點起弧的方式。

3 結(jié)束語

（1）起弧電流、起弧位置、定位點數(shù)以及芯棒長短對薄壁管氬弧焊環(huán)焊縫焊接變形均有一定的影響，但起弧電流影響最大，定位點數(shù)影響最弱。

（2）針對1Cr18Ni9Ti薄壁管氬弧焊環(huán)焊縫焊接過程，建議選用短芯棒，采用手工氬弧焊機1點定位，再利用自動氬弧焊機采用定位點對面起弧的方式，在滿足焊縫熔深的前提下，盡量選用低起弧電流進行焊接。

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