軟鐵彈帶TIG堆焊工藝對比研究

呂世雄，楊濤，黃永憲，磨安祥，王洋，姜華

(1.哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室，黑龍江哈爾濱150006;2.浙江錢江摩托股份有限公司，浙江 溫嶺317500;3.黑龍江華安機械有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾161046)

0 引言

彈帶是各種炮彈的重要組成部分，其作用主要是作為炮彈發(fā)射時的閉氣環(huán)，能夠增加炮彈射程，減少膛線損傷等。鑒于傳統(tǒng)的機械嵌合工藝生產(chǎn)彈帶導致彈壁減薄、產(chǎn)生應力集中等問題，目前采用TIG堆焊技術(shù)生產(chǎn)銅彈帶已經(jīng)獲得了很好的發(fā)展，在一些彈帶生產(chǎn)領域已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的機械壓帶工藝。然而，在銅彈帶的TIG 堆焊過程中，容易出現(xiàn)界面滲透裂紋、銅堆焊層泛鐵導致彈帶硬度升高等缺點［1-3］。文中選用軟鐵(含碳量小于0.04%的工業(yè)純鐵)代替銅作為彈帶的堆敷材料，消除銅帶體與鋼基體之間較大差別的物理性。與冷絲TIG 焊相比，熱絲TIG 能明顯提高熔敷速度，哈爾濱工業(yè)大學采用熱絲TIG 堆焊155、130 mm 等口徑末敏彈彈帶，取得了一定成果［4-6］。文中通過傳統(tǒng)冷絲TIG 焊、熱絲TIG 焊及振動TIG 焊工藝進行對比來尋求適合軟鐵彈帶的TIG 堆焊方法。試驗對提高彈帶性能，優(yōu)化彈帶生產(chǎn)工藝及降低炮彈生產(chǎn)成本具有重要意義。

1 試驗方法和試驗方案

1.1 試驗方法

試驗所采用的炮彈基體材料是經(jīng)過軋制處理的20#鋼，基體外徑35 mm，壁厚6～8 mm.焊絲為Hs201 銅焊絲和軟鐵焊絲。銅焊絲直徑為1.6 mm，軟鐵焊絲直徑為1.2 mm.軟鐵焊絲屬于自主研制定做，其含碳量為0.003%.銅焊絲的的含銅量在98.9%以上。

1.2 試驗方案及焊接工藝參數(shù)

通過在焊接設備上對焊絲預熱模式、送絲方式等方面的改進，從控制基體合金元素返入堆焊層組織，提高焊接效率等方面出發(fā)，本試驗采用了傳統(tǒng)的冷絲焊接方法、適合軟鐵焊接的新型熱絲方法，以及采用來回振動送絲機以達到焊絲抽動的振動焊接方法。3 種焊接方法的示意圖如圖1～圖3所示。

圖1 冷絲焊接Fig.1 Cold-wire welding

圖2 振動焊絲TIG 焊接Fig.2 Vibration welding

圖3 熱絲TIG 焊接Fig.3 Hot-wire welding

圖1所示的冷絲TIG 焊接方法在焊接過程中，焊絲送進不需做預熱處理，只需調(diào)整送絲速度使得焊絲前端進入焊接電弧中心區(qū)域而熔解即可。圖2所示的振動焊接原理就是焊接過程中利用設置在送絲機下面振動裝置來控制焊絲的來回抽動功能，使焊絲前端在形成很小熔滴時變借助振動的能量實現(xiàn)過渡，振動頻率50 Hz.圖3所示的雙TIG 電源熱絲焊接過程存在兩個電流回路。主焊接回路存在于主TIG 電源—焊槍—工件之間，電流一般較大，焊絲熔化的主要熱源由該回路提供。熱絲回路存在于副TIG 電源—焊絲—工件之間，電流一般較小，主要用來預熱焊絲。該設備可實現(xiàn)電弧預熱和電阻預熱的結(jié)合。軟鐵彈帶焊接及工藝參數(shù)如表1所示。

表1 軟鐵彈帶焊接參數(shù)Tab.1 Welding parameters of bullet's pure iron-rotating band

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 軟鐵彈帶焊接工藝優(yōu)化

圖4為冷絲、熱絲和振動焊接的電弧形態(tài)及熔滴過渡形式。冷絲在很大的電弧產(chǎn)熱作用下才開始熔化，聚集成大熔滴后再過渡到熔池。引入熱絲后，焊絲送進位置位于主焊接電弧邊沿，在較低的電弧產(chǎn)熱下發(fā)生熔化并形成過渡，提高了焊絲的熔覆效率。振動焊接由于焊絲在電弧加熱的時候處于振動狀態(tài)，在熔滴很小的時候便借著振動的能量過渡到基體上，易形成小顆粒的熔滴過渡。熱絲焊及振動焊的彈帶生產(chǎn)率高，而冷絲效率低。

圖4 不同焊接條件下焊絲端部形貌Fig.4 Shapes of wire tips under different welding conditions

與冷絲焊接相比，熱絲焊能降低主弧焊接電流，從而降低電弧對熔池的電弧攪拌力，有利于減少堆焊層與基體界面的合金元素溶解和擴散規(guī)模，防止基體中過多元素進入熔池，降低堆焊層硬度。TIG 電源設備簡單，操作方便，成本低，適合在實際生產(chǎn)中廣泛應用。振動焊接可以實現(xiàn)低電流下的小顆粒熔滴過渡，減少基體熔化量，實現(xiàn)高效化生產(chǎn)。

2.2 焊接方法對彈帶界面形貌的影響

焊接接頭界面處由于在焊接過程中固液共存的，形成過程非常復雜，界面組織結(jié)構(gòu)直接影響軟鐵彈帶與基體之間的結(jié)合強度，而基體中越過界面進入熔池的碳等合金元素又直接影響堆焊層的硬度。軟鐵的熔點比基體高，熔合區(qū)溫度在1 490 ℃以上，這時母材基體發(fā)生熔化，與液態(tài)軟鐵相互熔合，故熔合區(qū)往基體里凹陷，相互交織，不平齊。熔合區(qū)以及以半熔化的母材晶粒為形核中心向焊縫中心方向聯(lián)生結(jié)晶長大的晶體構(gòu)成了堆焊接頭的界面區(qū)。

圖5 不同焊接方法時界面形貌Fig.5 Interfaces obtained by different welding methods

為檢驗不同焊接方法對界面情況的影響程度，對3 種焊接方法得到的焊接接頭進行界面比較，如圖5所示。相對于冷絲焊接，熱絲焊接由于熔池熱輸入量的增加，導致界面附近粗晶區(qū)晶粒嚴重長大，熔池熱量還將部分粗晶區(qū)熔化，界面參差不齊，界面上聯(lián)生晶粒度也比冷絲焊接和振動焊接得到的晶粒度大。而振動焊接雖然電流較小，但由于振動的能量對熔池帶來攪動作用，界面處溶解量增加，界面的清晰程度不如冷絲焊接。振動的破碎作用還使界面附近焊縫處的晶粒更加細小，改善焊縫性能，增強界面結(jié)合強度。

2.3 焊接方法對彈帶堆焊層組織的影響

堆焊層是由熔化的軟鐵焊絲和部分熔化的基體混合形成的熔池在冷卻過程中凝固而成。彈帶的性能好壞直接由堆焊層性能決定，圖6所示為不同焊接方法得到的軟鐵堆焊層的組織。雖然熱絲焊接主弧電流小于180 A，但由于熱絲回路電流的存在，熔池熱輸入量要大于焊接電流為180 A 時冷絲焊接的熱輸入量，因此熱絲焊接得到的堆焊層組織不像180 A 冷絲焊接時獲得較純的鐵素體，而是由垂直于熔合線的柱狀鐵素體、塊狀分布的鐵素體、粒狀珠光體、少量貝氏體等組織構(gòu)成。而振動焊接由于電流的降低，故堆焊層多為鐵素體組織，并且由于振動的存在，使晶粒變得細小，有助于堆焊層消除氣孔、減少夾雜和降低結(jié)晶裂紋傾向，最終獲得比180 A 冷絲焊接更加細小致密的鐵素體晶粒。這種組織硬度不高，性能優(yōu)良適用于彈帶的生產(chǎn)制造。振動焊接還提高了送絲速度，并且原理簡單，設備操作方便成本低，可以在實際生產(chǎn)中推廣應用，從而提高彈帶的制造技術(shù)水平。

圖6 不同焊接方法時堆焊層組織Fig.6 Microstructures of cladding layers obtained by different welding methods

3 軟鐵彈帶性能及實彈效果

3.1 不同焊接方法堆焊層的硬度分布及剪切強度

在焊接堆焊層中，振動焊接的堆焊層平均硬度最低。如圖7所示，只有HV160 左右，而機械壓帶的平均硬度為HV155 左右，二者幾乎相當，說明振動焊接能非常有效地降低堆焊層硬度。利用振動焊接時，焊絲熔化成體積較小的熔滴時借助振動的能量實現(xiàn)滴狀過渡，有助于減小焊接電流及基體熔化量，實現(xiàn)“冷金屬過渡”，其堆焊層的硬度值最低，可以有效減小膛線的磨損。熱絲和冷絲焊接時堆焊層平均硬度為HV175 左右，熱絲焊接時由于熱絲回路電弧的存在，增大了焊接熱輸入量，增加基體熔化量，造成了硬度的提高。熱絲焊接的方法雖然沒有能很大降低軟鐵堆焊層硬度，卻能提高送絲速度，提高彈帶生產(chǎn)效率?；w表面附近的熱影響區(qū)出現(xiàn)了硬度較大回落，達到了HV185 左右，比母材硬度還低。這是因為母材之前經(jīng)過軋制處理，對其內(nèi)部產(chǎn)生了一定的形變硬化作用，而在焊接過程中，這部分區(qū)域進行了回復再結(jié)晶變化，晶粒從具有方向性的長條狀恢復為軟態(tài)的等軸晶，故該部分金屬硬度有較大的回落。

圖7 不同工藝彈帶層硬度分布Fig.7 Hardness distributions of rotating band obtained by different methods

為檢驗軟鐵和基體的結(jié)合強度，進行了專門的剪切試驗。利用冷絲、熱絲和振動焊接方法得到的軟鐵堆焊層的最大剪切力分別為190.1 kN、200.2 kN和192.5 kN，剪切強度分別為347 MPa、363 MPa 和350 MPa.而銅堆焊層的最大剪切力為157.2 kN，剪切強度為286 MPa.該強度保證了發(fā)射過程中彈帶與基體的連接安全。軟鐵堆焊層和銅堆焊層的斷口撕裂方式一樣，軟鐵堆焊層及銅堆焊層的剪切斷裂位置均位于彈帶層上，說明了連接界面處的強度值要高于炮彈基體本身的強度。

3.2 實彈發(fā)射試驗

為了檢驗軟鐵彈帶的實際效果，采用熱絲TIG焊接與振動TIG 焊接兩種方法焊接口徑57 mm 的某型號強裝藥炮彈，炮彈彈體成分為50SiMnVB.將堆焊軟鐵層彈帶的強裝藥炮彈在某兵器試驗靶場進行實彈發(fā)射試驗，并且與銅彈帶炮彈的發(fā)射效果進行比較。多次軟鐵彈帶強裝藥炮彈實彈發(fā)射成功，回收的炮彈如圖8所示，軟鐵彈帶發(fā)射過程沒有出現(xiàn)脫落、帶體與基體分離等不良現(xiàn)象，陰痕，陽痕清晰可見(膛壓為349 MPa，初速為1 068 m/s)，軟鐵焊接接頭性能滿足靶場試驗要求。試驗表明在炮彈彈帶制造領域，軟鐵可代替銅作為彈帶的理想材料，完全符合軍用炮彈標準，滿足彈帶性能，大幅降低彈帶的生產(chǎn)成本。

圖8 實彈試驗對比Fig.8 Comparison of different rotating band

4 結(jié)論

1)相對于冷絲焊接，熱絲焊接能大幅提高送絲速度，降低主弧焊槍電流;振動焊接能夠降低焊接電流，增加送絲速度，改善堆焊層組織。

2)熱絲焊接使連接界面及堆焊層晶粒長大，振動焊接的破碎作用使界面及堆焊層晶粒變細，提高了彈帶的制造技術(shù)水平。

3)振動焊接的堆焊層平均硬度最低，只有HV160，熱絲和冷絲焊接時為HV175 左右，硬度低能減少對膛線的磨損，且彈丸在內(nèi)膛變形小。

4)接頭界面剪切強度均大于堆焊層強度，軟鐵彈帶實彈發(fā)射完全符合軍用標準，且有助于降低炮彈生產(chǎn)成本。

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