白 平

（貴州航天風(fēng)華精密設(shè)備有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003）

對(duì)中等壁厚構(gòu)件的熔焊，目前采用的焊接方法很多，如埋弧焊、焊條電弧焊、TIG焊、MIG焊、MAG焊、激光焊、A-TIG焊、激光+MIG復(fù)合焊、激光+MAG復(fù)合焊、真空電子束焊、CO2焊、電渣焊等等。從達(dá)到焊縫質(zhì)量的要求來(lái)看，幾乎上述焊接方法都能達(dá)到I縫焊縫要求。傳統(tǒng)焊接方法一般采用焊條電弧焊、TIG焊、埋弧焊、MIG焊、MAG焊、CO2焊、電渣焊等等，其各有差異。

TIG打底+焊條電弧焊蓋面其實(shí)是在焊接生產(chǎn)中使用頻率較高的一種焊接方法，但由于該種焊接方法均使用普通的TIG焊及焊條電弧焊，反而在相關(guān)文獻(xiàn)上報(bào)道的不多。該種焊接方法利用TIG焊打底，焊條電弧焊蓋面。這樣，兼顧了打底焊焊縫質(zhì)量保證及焊接效率，也是公司目前能達(dá)到的一種焊接方法，只是如需保證焊縫力學(xué)性能如焊縫抗拉強(qiáng)度、延伸率等，需進(jìn)行大量的焊接工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)在不同焊接方法、熔合比情況下的焊縫力學(xué)性能[1]。

1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及焊縫質(zhì)量要求

1.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

殼體主要由前封頭、中間筒段和后封頭三部分焊接而成。中間筒段及與之連接部分的前封頭和后封頭的對(duì)接焊時(shí)材料厚度均為9.2mm，中間筒段的長(zhǎng)度為3092mm，其內(nèi)徑為φ301.6+0.2 0mm，要求焊縫等級(jí)為I級(jí)。從殼體結(jié)構(gòu)來(lái)看，該結(jié)構(gòu)屬于中等壁厚高強(qiáng)度鋼殼體的焊接。

1.2 產(chǎn)品的焊縫質(zhì)量要求

殼體對(duì)焊接的要求：I級(jí)焊縫；焊后殼體直線度不大于1mm；內(nèi)腔焊縫余高不大于0.4mm；焊縫抗拉強(qiáng)度不小于1080MPa、屈服強(qiáng)度不小于900MPa、延伸率不小于8%；焊縫接頭彎曲角不小于35°。

2 產(chǎn)品的焊接工藝設(shè)計(jì)

2.1 焊接工藝試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料中母材的牌號(hào)及狀態(tài)的選用與殼體相同，材料為30CrMoSiA，厚度為9.2mm，退火狀態(tài)，其抗拉強(qiáng)度為692MPa～706MPa，延伸率為20%～24%。擬采用TIG焊打底、焊條電弧焊蓋面的焊接方法，TIG焊時(shí)采用公司現(xiàn)有的直徑為φ2的H18CrMoA焊絲，焊條電弧焊蓋面時(shí)分別選用E5015和E8515兩種焊條進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.2 試驗(yàn)方法

（1）母材焊前狀態(tài)：母材焊前狀態(tài)除了殼體長(zhǎng)度外與產(chǎn)品零件基本相同，試驗(yàn)材料也選用筒狀態(tài)，內(nèi)徑為φ301.6，試件長(zhǎng)度為150mm，焊接坡口按產(chǎn)品的焊接坡口（單邊坡口角度為35°，鈍邊為0.5mm）。焊前熱處理狀態(tài)為退火或正火狀態(tài)，焊后進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)處理以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度。

（2）焊前清理：母材待焊表面焊前先進(jìn)行吹砂處理，定位焊接前用鋼絲刷仔細(xì)打磨待焊區(qū)域20mm范圍內(nèi)至出現(xiàn)金屬光澤后用丙酮擦拭待焊處以去除待焊處表面的油污及其它污物。

（3）焊前預(yù)熱及焊條烘干：30CrMoSiA屬于典型的中碳調(diào)質(zhì)鋼，由于含碳量及合金含量較高，焊接性能稍差，易出現(xiàn)焊縫中熱裂紋、冷裂紋、過(guò)熱區(qū)硬化及熱影響區(qū)軟化等缺陷，根據(jù)機(jī)械工業(yè)出版社出版的《焊接工程師手冊(cè)》（陳祝年編著），該鋼種焊接時(shí)最好采用高預(yù)熱溫度（200℃～300℃），但根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，如焊后無(wú)裂紋產(chǎn)生，也可考慮低預(yù)熱溫度（100℃～200℃），考慮到產(chǎn)品零件較長(zhǎng)，無(wú)法用烘箱進(jìn)行預(yù)熱，故采用焊接時(shí)局部用電爐加熱的辦法進(jìn)行，焊前先用電爐加熱待焊區(qū)域1h以下，待焊區(qū)域能達(dá)到約150℃左右[2]。

焊接試驗(yàn)中焊條均為低氫型焊條，其烘干溫度定為350℃，保溫1h以上，焊接時(shí)用保溫筒通電保溫，并隨用隨取，以確保焊條干燥。

（4）焊接電流種類(lèi)及極性：TIG焊接時(shí)使用交流電源主要是利用交流電弧焊接時(shí)的“陰極霧化”清除待焊表面的氧化膜層，這對(duì)于有色金屬如鋁合金的TIG焊是相當(dāng)重要的，對(duì)于黑色金屬的TIG焊，一般不需要進(jìn)行氧化膜的清理，且采用交流電弧時(shí)鎢極的承載能力較差，故試驗(yàn)時(shí)TIG采用直流電源。對(duì)焊條電弧焊，由于低氫型焊條藥皮中含有較多的螢石（CaF2），在電弧氣氛中分解出電離電位較高的氟，使電弧的穩(wěn)定性降低，如果再采用交流焊機(jī)，將無(wú)法建立穩(wěn)定的電弧，故試驗(yàn)時(shí)焊條電弧焊采用直流電源[3]。

對(duì)于熔化焊時(shí)，陽(yáng)極產(chǎn)生的熱量約占總熱量的2/3，陰極產(chǎn)生的熱量約占總熱量的1/3，而TIG焊時(shí)，由于鎢極的承載能力有限，故打底時(shí)的TIG焊采用直流正接（工件接電源正極，焊槍接電源負(fù)極）。焊條電弧焊由于采用低氫型焊條，如果采用直流正接，熔滴向熔池過(guò)渡時(shí)，將受到由熔池方向射來(lái)的正離子流的撞擊，阻礙了熔滴的過(guò)渡，造成飛濺和電弧不穩(wěn)。其次，采用直流反接法焊接時(shí)，不僅可減輕飛濺等現(xiàn)象，而且由于熔池處于陰極，由焊條方向射來(lái)的氫正離子與熔池表面的電子中和而形成氫原子，減少了氫氣孔，故試驗(yàn)時(shí)焊條電弧焊采用直流反接（焊槍接電源正極，工件接電源負(fù)極）。

（5）焊接工藝參數(shù)：打底焊采用TIG焊，工藝參數(shù)的選擇原則是獲得良好的焊縫外觀，無(wú)未焊透、未熔合、咬邊缺陷，保證在焊接時(shí)不出現(xiàn)熱裂紋，焊后在調(diào)質(zhì)處理前不出現(xiàn)冷裂紋，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)

由于中碳調(diào)質(zhì)鋼在300℃～450℃時(shí)出現(xiàn)第一類(lèi)回火脆性，因而，焊接時(shí)層間溫度應(yīng)避開(kāi)此溫度區(qū)域，在填充焊及蓋面焊時(shí)需待焊縫冷卻到200℃～290℃才可以焊接，避開(kāi)回火脆性溫度區(qū)間，有效減小焊后熱影響區(qū)脆化程度，提高焊縫的力學(xué)性能。另外，焊后采用緩冷的工藝措施，避免焊縫冷裂紋的產(chǎn)生。

（6）焊后熱處理：焊后熱處理包括焊后去應(yīng)力退火和調(diào)質(zhì)處理。為避免調(diào)質(zhì)處理前出現(xiàn)延遲裂紋，中碳調(diào)質(zhì)鋼焊后應(yīng)即時(shí)進(jìn)行后熱處理或回火處理。后熱處理即在等于或高于預(yù)熱溫度下保溫一段時(shí)間，由于該殼體零件尺寸較大，現(xiàn)場(chǎng)需較大的烘箱，故很難實(shí)施后熱處理。高溫回火處理680℃回火處理，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般在一超過(guò)焊后8h內(nèi)進(jìn)行，焊接試驗(yàn)時(shí)焊接試件按焊后8h進(jìn)行680℃回火處理。

調(diào)質(zhì)處理在全部焊縫焊接后進(jìn)行，油淬淬火溫度為880℃～900℃，回火溫度約530℃。

（7）力學(xué)性能試驗(yàn)：本試驗(yàn)焊縫的力學(xué)性能主要有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率及彎曲角等，前三項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)需制作焊縫拉伸試樣，如圖1所示。彎曲角需制作焊縫面彎、背彎試樣，如圖2所示。

圖1 拉伸試樣

圖2 彎曲試樣

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）焊縫質(zhì)量：試驗(yàn)殼體經(jīng)焊接后用10倍放大鏡檢查焊縫外觀質(zhì)量，無(wú)未焊透、未熔合、咬邊、焊瘤、裂紋等缺陷。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析：共焊接了兩件焊接試板1#和2#，打底焊均用TIG焊，焊絲H18CrMoA，1#試板的填充焊及蓋面焊均用焊條E5015，2#試板的填充焊及蓋面焊均用焊條E8515。焊后從1#試板上取2件拉伸強(qiáng)度試樣，編號(hào)分別為1-1和1-2，取2件彎曲試樣，編號(hào)分別為1-3和1-4。從2#試板上取2件拉伸強(qiáng)度試樣，編號(hào)分別為2-1和2-2，取2件彎曲試樣，編號(hào)分別為2-3和2-4。分別按圖1和圖2制作了抗拉強(qiáng)度試樣及彎曲試樣，并進(jìn)行了拉伸和彎曲試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從力學(xué)性能試驗(yàn)情況可得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

（1）采用表3的焊接工藝參數(shù)，焊條電弧焊時(shí)使用E5015焊條，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均不能達(dá)到設(shè)計(jì)文件的要求，焊條電弧焊時(shí)使用E8515焊條，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)文件的要求。

（2）采用表3的焊接工藝參數(shù)，焊條電弧焊時(shí)使用E5015焊條和E8515焊條，延伸率和彎曲角均能達(dá)到設(shè)計(jì)文件的要求。

（3）采用TIG焊打底+焊條電弧面填充及蓋面，焊絲選用H18CrMoA,焊條選用E8515完全能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能。

比較E5015和E8515焊條焊接后焊縫試樣力學(xué)性能差異，作如下分析：

E5015為非合金鋼和細(xì)晶粒鋼焊條，其焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度為不小于490MPa。E8515為熱強(qiáng)鋼焊條，其焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度為不小于830MPa。兩種焊條的抗拉強(qiáng)度相差約340MPa,當(dāng)要求焊縫及基體金屬需調(diào)質(zhì)到一定的強(qiáng)度時(shí)，E5015焊條所焊接的焊縫抗拉強(qiáng)度不足，當(dāng)然，也可以加大淬火后的硬度來(lái)提高焊縫金屬的強(qiáng)度，但其它的力學(xué)性能指標(biāo)如延伸率就會(huì)大大的降低從而達(dá)不到設(shè)計(jì)文件要求。故本試驗(yàn)中采用TIG焊打底+焊條電弧面填充及蓋面時(shí)，選用E8515作為焊條電弧焊的焊條是比較合適的。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某30CrMnSiA殼體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及工藝難點(diǎn)分析，結(jié)合公司現(xiàn)有工藝手段，采用TIG焊打底+焊條電弧焊填充及蓋面的方法進(jìn)行了試驗(yàn)件的焊接，并進(jìn)行了各項(xiàng)力學(xué)性能檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)，試驗(yàn)件采用H18CrMoA焊絲的TIG焊打底和采用E8515焊條填充和蓋面的TIG+焊條電弧復(fù)合焊完全能達(dá)到設(shè)計(jì)文件的要求。