（四川航天長征裝備制造有限公司，四川成都 610100）

0 前言

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

1 試驗條件

試驗材料為GH1140高溫合金管材φ7 mm×1.5 mm、φ6 mm×1 mm（見圖 1），試件長度 200 mm；GH1131高溫合金接頭φ7.5 mm×1.75 mm、φ7mm×1.5 mm。試驗設備為ORBIMAT 165CA全位置自動焊機和ORBIWELD 19管焊鉗[3-4]。

圖1 高溫合金導管

2 工藝試驗

2.1 試驗分析

GH1140和GH1131高溫合金是固溶強化的鐵鎳基變形高溫合金，具有中等熱強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全位置自動焊機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)置打印機和操作控制元件以及先進的電氣裝配。焊機體積小巧、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全位置自動焊機

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，在焊接時大電流焊縫表面會出現(xiàn)凹陷，小電流會出現(xiàn)未焊透。未熔合和未焊透對焊縫質(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承載截面積的減小影響均非常明顯，應力集中較嚴重，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，降低接頭強度；其次，未焊透引起的應力集中嚴重降低焊縫的疲勞強度，其危害較強度下降大得多。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)生原因為：（1）焊接電流過小；（2）焊接速度過快；（3）鎢極對中不對；（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）由于全位置自動焊機對零件裝配質(zhì)量要求十分苛刻，因此焊前必須對試件進行平端面加工，保證管子端面與其軸線垂直；（2）保證焊接時調(diào)用程序正確；（3）零件裝配錯邊小于等于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。本試驗為無背襯單面焊接，產(chǎn)生的未熔合應為單面焊未焊透，產(chǎn)生原因為：（1）焊接電流小，熔深淺；（2）對縫間隙尺寸不合理，根部間隙太小；（3）鎢極對中不對及磁偏吹影響電弧對根部的熔化；（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；（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）在等壁厚焊接時保證鎢極對中度小于等于0.1mm，在不等壁厚焊接時保證鎢極偏厚側(cè)0.4～0.6 mm；（4）鎢極直徑 φ1.6 mm，端部角度 22.5°；（5）焊接時正反面必須通氬氣保護；（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《導管焊接技術要求》中Ⅰ級對接接頭的焊縫凹陷應不超過較薄導管壁厚的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焊時很容易出現(xiàn)。采取措施為：在保證零件焊透的情況下，適當減小焊接電流，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

全位置自動焊接程序的分段應考慮到熔池所在位置及管鉗和工件的熱積累。電弧對焊件的加熱速度大于焊件的散熱速度，使熱量積聚，最終導致焊接熔池失穩(wěn)。因此在導管對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，必須適當控制電弧能量。方法為：除采用脈沖電流外，還應分區(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，否則一個分段上焊縫熔寬不同，會造成焊縫成形不均勻。各段的焊接參數(shù)應根據(jù)熱積累和焊縫位置確定，特別注意避免起弧時溫度低造成的未焊透和收弧時溫度高造成的焊縫凹陷。在管管對接全位置焊中，為使焊縫在整個圓周內(nèi)成形均整，主要焊接參數(shù)（焊接電流、焊接速度）應按預先設計的邏輯程序進行編程，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。

通過大量工藝試驗確定的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 GH1140+GH1131 φ7 mm×1.5 mm導管焊接工藝參數(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

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

2.4 試驗結(jié)果及分析

本研究所有工藝試驗件均通過外觀檢查、X射線檢測、內(nèi)窺檢查、著色檢查、液壓氣密試驗，一部分導管進行拉伸試驗，一部分導管進行剖切金相組織分析[6-8]。通過制定及實施工藝措施，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。通過對導管進行液壓、氣密試驗可知，導管在設計液壓壓力17MPa時，保壓3min，氣密壓力11 MPa，保壓3 min，焊縫均無任何變化，而實際試驗壓力遠大于導管工作壓力，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的抗拉強度應大于等于635 MPa，及QJ2865A-2014《導管焊接技術要求》Ⅰ級對接焊縫應不低于母材技術條件規(guī)定的材料抗拉強度下限值的90%，即571.5 MPa，實際拉伸強度均大于標準要求強度值，導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

表3 拉伸試驗結(jié)果

沿導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全位置自動焊機焊接高溫合金導管必須進行嚴格的過程控制：焊前清理，平端面，去毛刺，并且要求焊縫反面通氬氣保護，裝配時保證鎢極對中要求，以獲得良好的焊縫質(zhì)量。

（2）GH1140+GH1131 φ7mm×1.5mm 導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，并在導管出氣端增加開口堵塞，保證導管內(nèi)部存在一定正壓，防止空氣回流，避免焊縫成形時出現(xiàn)凹陷缺陷，焊縫機械性能達到GJB2297A-2008《航空用高溫合金冷拔（軋）無縫管規(guī)范》及QJ2865A-2014《導管焊接技術要求》的要求。