劉國廷 汪卓然 柴斐 杜孟開 安???/p>
摘要:分析了鋁合金變極性等離子弧穿孔焊工藝的特點,采用ER5356焊絲對厚度為7 mm的防銹鋁合金5A06進(jìn)行穿透型變極性等離子弧焊對接環(huán)焊縫的焊接試驗,分析焊縫成形質(zhì)量的影響因素,實現(xiàn)了變極性等離子弧焊在某水下產(chǎn)品中殼體與法蘭環(huán)焊縫連接的應(yīng)用,焊接過程分為起弧段、穿孔段、焊接段、搭接段、收孔段、收弧段共6個焊接階段。利用X射線衍射儀、萬能拉伸機對接頭的質(zhì)量及力學(xué)性能進(jìn)行檢測,結(jié)果表明5A06鋁合金殼體與法蘭對接環(huán)焊縫成形良好,焊縫質(zhì)量滿足GJB 294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》Ⅰ級焊縫要求,接頭抗拉強度為301 MPa,達(dá)到母材的90.2%,斷裂位置處于近熔合線處,接頭力學(xué)性能良好,滿足產(chǎn)品的使用要求。
關(guān)鍵詞:變極性等離子弧焊;5A06鋁合金;力學(xué)性能;環(huán)焊縫
中圖分類號:TG456.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號:1001-2003(2021)11-0077-05
DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.14
0? ? 前言
某水下產(chǎn)品為多段殼體對接后焊接環(huán)縫成形,單個殼體外徑約500 mm,長度500~800 mm不等,焊接時需保證合段后的同軸度。殼體成型后使用環(huán)境為外液壓環(huán)境,且為交變載荷,需控制焊后應(yīng)力水平,避免長期使用出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕引起的滲漏問題。原焊接方法為殼體開坡口、無墊板的對接結(jié)構(gòu),采用TIG焊焊接。殼體對接僅剩1 mm直邊,殼體對接后因焊縫收縮波動較大,成型后的殼體同軸度不理想。TIG焊熱輸入較大,焊接變形不易控制,且焊后殘余應(yīng)力大,需采用較為冗長的應(yīng)力消除工藝方可控制在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)。變極性等離子弧焊是一種能量集中、電弧挺度大、焊后變形小的高能束焊接工藝[1-2],焊件無需開坡口,焊道窄,單面焊雙面成形,焊后應(yīng)力低于氬弧焊。其穿孔焊的機制有利于焊接過程中氣孔溢出,避免氣孔類缺陷產(chǎn)生,可有效保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量及工藝可靠性,在鋁合金焊接中應(yīng)用前景良好[3-4],非常適合用于該產(chǎn)品中殼體與法蘭環(huán)的焊縫連接。
變極性等離子焊分為穿透型與熔透型。穿透型等離子弧焊接也稱為小孔型等離子弧焊接,弧柱壓縮程度強,等離子射流噴出速度較大。焊接時,等離子弧將焊件整個厚度完全穿透,在熔池中形成上下貫穿的小孔,并從焊件背面噴出尾焰,隨著等離子弧沿焊接方向移動,熔化金屬沿著小孔兩側(cè)的固體壁面向后方流動,熔池后方的金屬不斷封填小孔,凝固冷卻形成焊縫,焊縫斷面為杯狀。文中對變極性等離子弧焊的應(yīng)用進(jìn)行研究,提高耐外液壓殼體多段對焊成形的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性。
1 試驗設(shè)備及材料
1.1 試驗設(shè)備
電源型號為VPC-450,集成IGBT逆變電源,100%負(fù)載持續(xù)率時最大輸出能力為450 A;變極性頻率范圍為20~1 000 Hz;正向焊接電流值、反向焊接電流值、正向焊接時間、反向焊接時間均可通過系統(tǒng)控制器進(jìn)行編程并實時反饋控制。
變極性等離子槍的型號為PWT-450,離子氣體與保護(hù)氣體均采用純度為99.996%氬氣。
正式焊接前,通入離子氣,在電極和噴嘴之間形成燃燒的非轉(zhuǎn)移型等離子弧;正式焊接時非轉(zhuǎn)移型等離子弧從噴嘴轉(zhuǎn)移到焊件上,電弧經(jīng)噴嘴孔道在電極和噴嘴之間燃燒,電弧經(jīng)過壓縮,溫度和能量密度顯著提高。
1.2 試驗材料
試驗?zāi)覆牟捎?A06鋁合金,供貨狀態(tài)為O態(tài),焊接厚度7 mm;焊接材料選用φ1.6 mm的ER5356焊絲。母材及焊絲化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1~表4所示。5A06鋁合金是Al-Mg系變形鋁合金,其塑性好,可進(jìn)行各種變形加工;在大氣和海水中有優(yōu)異的抗腐蝕性,在航空、航天、水中兵器等領(lǐng)域有重要應(yīng)用;與鋼相比,其熔點低,導(dǎo)熱系數(shù)約為鋼的2.7倍,熱容量比鋼大近1倍,因而,采用能量集中的熱源進(jìn)行焊接有利。
2 變極性等離子弧焊接頭質(zhì)量影響因素
2.1 工藝參數(shù)對焊縫成形質(zhì)量的影響
在此采用穿孔狀態(tài)穩(wěn)定的焊接電流(正向電流185 A、反向電流215 A)及等離子氣流量(1.1 L/min)進(jìn)行試驗,分析焊接速度和送絲速度對焊縫成形質(zhì)量的影響。試驗參數(shù)如表3所示,焊縫成形如圖1所示。
(1)焊接速度對焊縫成形質(zhì)量的影響。
結(jié)合表3、圖1可知,當(dāng)焊接速度為280 mm/min時,熱輸入量不足,穿孔后隨著焊接的進(jìn)行,熔池深度逐漸減小,無法形成穿透型焊接(見圖1a);焊接速度減至230 mm/min后,焊縫中心線產(chǎn)生明顯的孔洞缺陷,這是因為焊速降低后,雖然保證焊接過程中始終有小孔形成并穿透焊接,但焊速過快,熔池停留時間較短,液態(tài)金屬來不及流入小孔成形為正、反焊縫便已凝固,因此形成孔洞缺陷(見圖1b);繼續(xù)減小焊接速度至180 mm/min后,焊縫成形良好,無外觀缺陷(見圖1c);當(dāng)焊接速度降至110 mm/min時,焊縫不成形,形成明顯的切割缺陷,這是因為過低的焊接速度導(dǎo)致焊接熱輸入量明顯增加,穿孔過大,熔化金屬難以填充(見圖1d)。
(2)送絲速度對焊縫成形質(zhì)量的影響。
不填充焊絲時,焊縫雖然可以成形,但背部基本無余高,且正面焊縫與背面焊縫均出現(xiàn)輕微咬邊缺陷(見圖1e);隨著送絲速度的提高,焊接過程中流入小孔的液態(tài)金屬增多,正、反面焊縫余高逐漸增加,焊縫成形良好(見圖1f);當(dāng)送絲速度增加至3 000 mm/min時,送絲量的增加使得焊接熱輸入量作用于焊絲熔化的比例加大,而形成熔池的能量比例減少以致未焊透(見圖1g)。
2.2 其他因素對焊縫成形質(zhì)量的影響
(1)鎢極與噴嘴內(nèi)腔的同心度。若鎢極與內(nèi)噴嘴的內(nèi)腔不對中易發(fā)生單側(cè)咬邊現(xiàn)象。
(2)鎢極內(nèi)縮量。合理的鎢極內(nèi)縮量可以保證電弧的挺度和穿透能。
(3)內(nèi)、外噴嘴位置關(guān)系。內(nèi)噴嘴產(chǎn)生等離子弧,外噴嘴通保護(hù)氣,如果內(nèi)噴嘴高于外噴嘴,影響氣體保護(hù)效果,嚴(yán)重時導(dǎo)致焊縫無法成形甚至切割。
(4)送絲角度。若焊絲與噴嘴角度過小,會使焊絲熔化前接觸殼體表面,影響焊縫成形;若焊絲與噴嘴角度過大,會使焊絲進(jìn)入熔池前發(fā)生氧化,導(dǎo)致焊縫受氧化物影響產(chǎn)生氣孔等缺陷。
3 變極性等離子弧焊在殼體與法蘭環(huán)焊縫連接中的應(yīng)用
3.1 接頭結(jié)構(gòu)
接頭結(jié)構(gòu)為法蘭與殼體的“ I ”型對接,如圖2所示,單個殼體外徑約500 mm,長度500~800 mm不等,焊接厚度7 mm,焊接時將法蘭裝卡,等離子槍始終處于3點鐘焊接位置。
3.2 工藝參數(shù)的確定
穿透型等離子弧焊接往往分為起弧段、穿孔段、焊接段、搭接段、收孔段及收弧段。對于縱焊縫的焊接,可以通過焊接方向留余量或者增加引弧板等方式,將小孔留在余量處或引弧板上,從而不影響焊接質(zhì)量。但是對于環(huán)焊縫的焊接,需要各段之間準(zhǔn)確的參數(shù)配合,最終使得完整環(huán)焊縫質(zhì)量均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。該環(huán)焊縫焊接參數(shù)如表4所示。
(1)起弧段。
起弧段將已經(jīng)引燃的非轉(zhuǎn)移型電弧引燃至焊件上形成轉(zhuǎn)移弧,起弧時保證噴嘴與工件表面距離為5~7 mm,采用較慢的焊接速度,隨著電流的增大,熔深加大。起弧段無焊絲填充,焊縫余高較低,防止搭接時因焊縫較高而影響搭接質(zhì)量。
(2)穿孔段。
穿孔段的作用是產(chǎn)生離子弧小孔,電流逐步升高,離子氣流量逐步加大,加大能量輸入使得小孔形成,焊縫背部透出尾焰。穿孔過程無焊絲填充,避免焊絲的熔化消耗部分電弧能量,影響穿孔效率。
(3)焊接段。
焊接段開始進(jìn)行填絲,在小孔穿透母材的同時,保證正面焊縫余高為1~3 mm,避免兩側(cè)出現(xiàn)咬邊缺陷。焊接過程中,形成的小孔沿焊接方向移動,小孔前端熔化的液態(tài)金屬流入小孔之中,分別凝固于焊縫內(nèi)側(cè)與外側(cè),實現(xiàn)單面焊雙面成形。
(4)搭接段。
搭接段從起弧處開始,超過焊接段起始送絲處20 mm結(jié)束,目的是將穿孔前的未熔透焊縫進(jìn)行穿透焊接,避免未焊透等缺陷。考慮到穿孔前未熔透的焊縫雖然不填充焊絲,但仍有余高,增加了焊接厚度,若焊接段的參數(shù)無法實現(xiàn)此部分焊縫的穿透,可以適當(dāng)增加焊接電流或離子氣流量,為減小操作的復(fù)雜性,通過前期試驗積累,調(diào)整搭接段工藝同焊接段一致。
(5)收孔段。
不同于縱焊縫可以將焊后小孔引入焊接方向余量處或收弧板處,對于環(huán)焊縫的焊接,需要在工件旋轉(zhuǎn)過程中逐步將小孔填滿,收孔時,焊接電流及離子氣流量逐漸減少,熔深變淺,同時極大程度地增加送絲量,進(jìn)而逐步填滿小孔,此處的焊縫余高將高于焊接段的。
(6)收弧段。
收弧段易產(chǎn)生氣孔等缺陷,在緩慢降低電流的同時,適當(dāng)減小焊速,增加熔池高溫停留時間,有利于氣孔逸出熔池表面。
3.3 其他注意事項
(1)在確保焊前清理到位、工藝參數(shù)合理的前提下,對接環(huán)縫處需采用內(nèi)部自帶凹槽的可拆卸式環(huán)形支撐工裝,保證環(huán)縫焊接前的殼體對接同軸度。其中工裝外徑凹槽為開孔焊和熔池成型留出空間。
(2)控制殼體對接間隙近似為0,接縫處厚度錯邊量小于0.5 mm,可根據(jù)產(chǎn)品實際要求調(diào)整。
3.4 焊縫成形質(zhì)量及接頭力學(xué)性能
變極性等離子焊接法蘭與殼體環(huán)焊縫為單面焊雙面成形,如圖3所示。依據(jù)GJB 294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》標(biāo)準(zhǔn)對焊縫成形質(zhì)量進(jìn)行檢測,正面焊縫及背面焊縫均成形良好,正面焊縫寬度約12 mm,余高約1.5 mm,背面焊縫寬度約8 mm,余高約2 mm,無咬邊、錯邊、凹陷等缺陷。利用X射線對焊縫質(zhì)量進(jìn)行探傷檢測,結(jié)果如圖4所示,無裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。焊縫外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量檢測結(jié)果表明,焊縫質(zhì)量滿足GJB 294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》Ⅰ級焊縫要求。
依據(jù)GB/T 19869.2—2012《鋁及鋁合金的焊接工藝評定試驗》的要求制備標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試樣,分別檢測母材及接頭力學(xué)性能。20件拉伸試件力學(xué)性能試驗所得結(jié)果如表5所示??梢钥闯觯宇^抗拉強度、屈服點及延伸率均低于母材,其抗拉強度達(dá)到母材抗拉強度的90.2%。焊接接頭在拉伸過程中發(fā)生頸縮現(xiàn)象,且斷后伸長率相對較高,推斷其斷裂形式為韌性斷裂。拉伸試樣的宏觀斷裂如圖5所示,可以看出,拉伸試樣的斷裂位置基本處于焊縫邊緣靠近熔合線位置,說明此處是接頭的力學(xué)性能薄弱區(qū)域。除拉伸試驗外,采用同結(jié)構(gòu)和厚度的焊接試板,冷彎90°未裂,故未進(jìn)行硬度試驗檢測。
4 結(jié)論
(1)采用變極性等離子弧焊實現(xiàn)了5A06鋁合金可靠連接,經(jīng)過試驗對比發(fā)現(xiàn)焊接速度、送絲速度、鎢極內(nèi)縮量、送絲角度等因素對焊縫成形質(zhì)量均有不同程度的影響。
(2)實現(xiàn)了殼體與法蘭環(huán)焊縫焊接的工程化應(yīng)用,焊接過程分為起弧段、穿孔段、焊接段、搭接段、收孔段及收弧段。
(3)法蘭與殼體連接焊縫成形良好,正面余高為1.5 mm,背部余高為2 mm,焊縫質(zhì)量滿足GJB 294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》Ⅰ級焊縫要求。
(4)接頭抗拉強度為301 MPa,為母材的90.2%,力學(xué)性能良好,滿足產(chǎn)品的使用要求。
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