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(hào)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(gè)制造工藝過程中最關(guān)鍵、也是最容易出質(zhì)量問題的工序。對(duì)45號(hào)鋼拉桿的結(jié)構(gòu)和焊接工藝進(jìn)行了分析,焊縫中易產(chǎn)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(duì)焊接工藝性能進(jìn)行了評(píng)定:用著色探傷檢驗(yàn)焊縫外觀質(zhì)量,用X射線探傷檢驗(yàn)焊縫內(nèi)部質(zhì)量,對(duì)試件焊縫進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和試件沖擊試驗(yàn)。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(hào)鋼拉桿直流TIG焊接工藝焊縫接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能獲得很大的提高。直流TIG焊接的45號(hào)鋼拉桿,已大批量的成功應(yīng)用到斷路器的新產(chǎn)品中,并在電網(wǎng)中安全運(yùn)行。

45號(hào)鋼;拉桿;TGS-50焊絲;直流TIG焊接

在輸變電網(wǎng)中,斷路器的精確開斷,是確保電網(wǎng)安全運(yùn)行最重要的技術(shù)參數(shù)之一。而分、合閘拉桿又是確保斷路器精確開斷的關(guān)鍵核心件。河南平高電氣股份有限公司自主研發(fā)了一種斷路器新產(chǎn)品,為了保證分、合閘拉桿具備更高的強(qiáng)度和較輕重量,經(jīng)過精密計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn),改選用強(qiáng)度較高的45號(hào)鋼材質(zhì)的棒和管通過焊接、精車?yán)瓧U外圓,代替由45號(hào)鋼實(shí)心棒加工而成的分、合閘拉桿。改進(jìn)后的拉桿強(qiáng)度高、重量輕、結(jié)構(gòu)合理、沖擊慣性小和開斷精度高,從而保證斷路器新產(chǎn)品性能更穩(wěn)定。

1 45號(hào)鋼拉桿結(jié)構(gòu)分析

45號(hào)鋼材質(zhì)化學(xué)成分(見表1),力學(xué)性能(見表2)。由于含碳量較高,棒和管焊接時(shí),焊縫區(qū)域凝固溫度區(qū)間較大,偏析現(xiàn)象比較嚴(yán)重,在凝固收縮應(yīng)力的作用下,易沿液態(tài)晶界處開裂,產(chǎn)生熱裂紋。同時(shí),在熱影響區(qū)產(chǎn)生塑性很低的淬硬組織(如馬氏體等),因此,熱影響區(qū)存在產(chǎn)生冷裂紋的傾向。

表1 45號(hào)鋼的化學(xué)成分

表2 45號(hào)鋼的力學(xué)性能

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

圖1 拉桿的結(jié)構(gòu)及焊縫形式示意圖

45號(hào)鋼拉桿焊縫質(zhì)量對(duì)表面光潔度和形位公差都有很高的要求,包括焊縫在內(nèi)的拉桿外圓有滑動(dòng)密封要求。焊后,拉桿外圓整體數(shù)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(duì)焊件進(jìn)行400～500℃的預(yù)熱,工藝復(fù)雜,焊接電弧及焊縫質(zhì)量不易控制。精車后的焊縫表面經(jīng)常出現(xiàn)氣孔、夾渣和裂紋等焊接缺陷。補(bǔ)焊時(shí),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(huì)擊傷和污染補(bǔ)焊部位附近高精表面,甚至補(bǔ)焊部位會(huì)產(chǎn)生新的焊接缺陷,造成拉桿焊報(bào)廢。

在對(duì)拉桿上的焊縫缺陷部位補(bǔ)焊時(shí),若采取手工焊條電弧焊J506堿性焊條修補(bǔ)時(shí),焊補(bǔ)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(shí),因拉桿外表面是曲率半徑非常小的圓弧面,易把補(bǔ)焊點(diǎn)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(bào)廢,給公司造成很大的浪費(fèi)。

經(jīng)過分析,焊接工藝是拉桿整個(gè)制造工藝過程中最關(guān)鍵、也是最容易出質(zhì)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(chǎn)生焊接缺陷的更先進(jìn)的焊接工藝。

3 直流TIG焊接工藝

選用Panasonic TX-315直流TIG焊機(jī),其焊接操作過程穩(wěn)定、氬弧外形小易控制,且熱量密度集中,氬氣保護(hù)代替熔渣保護(hù),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(yù)熱措施,簡(jiǎn)化了焊接工藝。

3.1 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[1],同時(shí)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(xué)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(guī)格的棒狀焊絲TGS-50[2],其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表4和表5。

表3 J506焊條金屬的化學(xué)成分

表4 TGS-50焊絲化學(xué)成分

由以上的化學(xué)成分和機(jī)械性能對(duì)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(shè)計(jì) 45號(hào)鋼拉桿的接頭型式采用搭接和對(duì)接組合,預(yù)留45°坡口,1mm鈍邊、1mm裝配間隙。裝配時(shí),通過螺堵聯(lián)接固定,而不是通過點(diǎn)焊固定,從設(shè)計(jì)上就消除點(diǎn)焊固定時(shí)產(chǎn)生缺陷機(jī)率。

2)保護(hù)氣體的質(zhì)量控制 在焊接過程中,水份對(duì)焊縫產(chǎn)生氫氣孔的敏感性比較強(qiáng),焊縫容易產(chǎn)生氣孔。因此,嚴(yán)格控制氬氣中水份的含量,45號(hào)鋼拉桿的直流TIG焊接過程中,保護(hù)氣體氬氣純度應(yīng)在99.99%以上。

表5 TGS-50焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

3)焊接工藝措施 ①坡口的清理和焊縫的保護(hù)。焊前,用鋼絲刷認(rèn)真清理45號(hào)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(yù)熱鎢電極。焊接前,先在試板上預(yù)熱鎢電極,以便焊接時(shí)容易起弧,減少和避免產(chǎn)生起弧缺陷。③焊接結(jié)束時(shí),把弧坑引到焊縫附近的母材上,并繼續(xù)填焊絲,以免在焊縫上及弧坑處產(chǎn)生裂紋。④焊接工藝參數(shù)。選用?2.4mm鈰物極,鎢極端部磨成錐臺(tái)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,焊接材料選用?2.4mm的TGS-50焊絲。焊接工藝參數(shù)如表6所示。

表6 焊接工藝參數(shù)

4 焊接工藝評(píng)定

根據(jù)45號(hào)鋼拉桿所制定的焊接工藝,進(jìn)行工藝評(píng)定以進(jìn)行驗(yàn)證。工藝評(píng)定試板選擇8mm厚的45號(hào)鋼板,采取對(duì)接接頭,90°坡口、1mm鈍邊和1mm鉚裝間隙,完全等同于45號(hào)鋼拉桿的實(shí)際接頭狀況。

4.1 著色探傷

著色探傷用以檢驗(yàn)焊縫外觀質(zhì)量。結(jié)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(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 X射線探傷

X射線探傷用以檢驗(yàn)焊縫內(nèi)部質(zhì)量。經(jīng)X射線無損檢測(cè),焊縫達(dá)到Ⅱ級(jí)片[3],焊接試板達(dá)到JB-4730-94規(guī)定的Ⅱ級(jí)片以上要求。

4.3 機(jī)械性能試驗(yàn)

對(duì)試件焊縫進(jìn)行了試件拉伸試驗(yàn)[4]、試件彎曲試驗(yàn)[5]和試件沖擊試驗(yàn)[6],具體結(jié)果詳見表7、表8和表9所示,焊縫表面和內(nèi)部質(zhì)量及其機(jī)械性能完全滿足對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表8 試件彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表9 試件沖擊試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)語

采用TGS-50焊絲的直流TIG焊接工藝,打破和代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流手工堿性焊條電弧焊接工藝。不僅改善焊接勞動(dòng)條件,而且極大的減少焊接缺陷產(chǎn)生的機(jī)率,提高焊縫質(zhì)量。更為重要的是,直流TIG焊接的45號(hào)鋼拉桿,已大批量的成功應(yīng)用到斷路器的新產(chǎn)品中,并在電網(wǎng)中安全運(yùn)行。

[1]曾樂.現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊(cè)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]GB/T 2651-2008,焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法[S].

[5]GB/T 2653-2008,焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法[S].

[6]GB/T 2650-2008,焊接接頭沖擊試驗(yàn)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(xiàn)主要從事焊接工藝及設(shè)備方面的研究工作。