鈑金圓環(huán)氬弧焊接改善技巧

趙月幸 牟宗平

1. 問題的提出

隨著鈑金成形制造技術(shù)的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)件輕量化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢，極大地促進了焊接技術(shù)的發(fā)展。以航空發(fā)動機鈑金為例，其制造技術(shù)是航空制造工程的重要組成部分，發(fā)動機的機匣、燃燒室等零部件都離不開鈑金，因此鈑金氬弧焊接也占有相當(dāng)大的比重。這些鈑金大多數(shù)由各種高合金鈑金圓環(huán)組合加工而成，圓環(huán)單體看似簡單——卷圓焊接，但要進行各種拉伸、脹型、收口或折彎成形，再經(jīng)過各種焊接、熱處理、冷加工等很多工序控制才能變成想要的零件（見圖1）。

作為前期的焊接準(zhǔn)備工作其圓環(huán)焊接質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到鈑金件的成形效果，甚至組裝后影響到發(fā)動機的性能、安全及使用壽命，因此，鈑金圓環(huán)焊接需要有一定的技巧。

2. 圓環(huán)焊接特點

航空發(fā)動機燃燒室鈑金厚度以0.8～2.5mm居多，這些高溫合金零件在卷圓手工氬弧焊時，經(jīng)常會出現(xiàn)以下一些問題。

圖1 燃燒室外壁

（1）焊縫前端起弧時，易出現(xiàn)弧坑、燒穿、微裂紋、氣孔等缺陷，板厚越薄越明顯。

（2）焊縫末端收弧時，存在較大的溫度梯度，收弧處熔敷金屬量少，易出現(xiàn)凹坑、微裂紋等缺陷。

（3）送絲或焊槍移動不均勻，時快時慢或中間停頓，不僅焊縫成形不美觀，也易出現(xiàn)氣孔、裂紋、局部應(yīng)力集中等焊接缺陷。

（4）圓環(huán)背面氬氣保護不能集中到熔池處，氧化明顯，氬氣氣流不能隨焊槍移動而自動移動，需他人協(xié)助進行保護。

（5）圓環(huán)兩側(cè)開放不能封閉，氬氣散失嚴(yán)重，焊接成本升高，焊接環(huán)境空氣不好。

3. 焊接操作注意事項

（1）鈑金圓環(huán)在正式焊接前，要將每個定位焊接處用鋼絲刷打光，或用丙酮、酒精等液體擦凈焊件及焊絲，確保無污物。

（2）通常壁厚小于2mm的圓環(huán)可焊透，焊接處無需打磨坡口，但其截面必須清潔、無毛刺，這樣會大大減少氣孔的產(chǎn)生；而對于需打坡口的圓環(huán)，采用機械方法去毛刺及打磨表面時，應(yīng)防止金屬屑、砂輪粉塵和金屬絲刷等物質(zhì)落入坡口間隙中。

（3）鈑金圓環(huán)對接處需點焊定位，不能有上下或左右錯邊、開縫等現(xiàn)象。

（4）焊接前用氬氣吹焊槍及保護裝置，在焊接時應(yīng)提前5～10s送氣，以使焊接處無空氣殘留；此外，在熄弧時應(yīng)再通氣5～10s，以防止空氣進入熱的焊縫。

（5）選擇焊接電流很重要，應(yīng)選擇適中的焊接電流和偏小的焊接速度先在試片上進行試焊，調(diào)整好參數(shù)，確定焊接效果良好后方可正式焊接。

（6）在焊接時，加入引弧板和引出板，注意起弧和收弧的位置，不應(yīng)在拐角的位置起、收弧。

（7）焊絲送料要有節(jié)奏，采用焊絲距熔池端面一定高度導(dǎo)入，使焊絲熔化后不直接進入熔池，而是在電弧區(qū)下降，起到熔滴凈化去氣作用，可明顯減少氣孔。

（8）焊接過程不要中途停焊，以避免產(chǎn)生裂紋。盡可能的一次焊完一條焊縫，減少接頭缺陷，斷弧后要繼續(xù)通氬氣保護直到圓環(huán)冷卻到400℃以下。

（9）焊接時正面適當(dāng)加大氬氣流量，背面同時通充足的氬氣保護，確保焊縫成形良好。

（10）采用高純度的氬氣；局部焊接加工及運輸過程中嚴(yán)禁赤手觸摸零件，戴清潔的脫脂手套以防止人為污染或燙傷、灼傷；焊后工件需做熒光及熱處理，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷應(yīng)及時進行返工補焊。

4. 重點改進

此類圓環(huán)焊接時，由于遇到的對焊接質(zhì)量影響最大的缺陷是薄板在起弧和收弧時易產(chǎn)生弧坑、燒穿、微裂紋、氣孔等，因此常把這些缺陷作為評定產(chǎn)品焊接好壞的主要判據(jù)；此外，圓環(huán)背面氬氣的保護也不可忽視?；诖?，引弧板、引出板的應(yīng)用以及圓環(huán)背面氬氣保護工作將作為此類圓環(huán)焊接的重點改善項目。下面以GH3030材質(zhì)壁厚為0.9mm圓環(huán)焊接為例，進行具體講解。

（1）焊接參數(shù)的選定 圓環(huán)焊接分兩部分，一是點焊定位，二是手工氬弧滿焊，二者之間焊接參數(shù)大體相同。

首先，點焊定位階段：焊接圓環(huán)對接處間隙≤0.15mm，錯位≤0.1mm，焊絲材質(zhì)與圓環(huán)本體材質(zhì)相同或性能相似，本例為HGH3030，直徑為1～1.2mm，定位焊點間距20～40mm，焊接電流25～35A。

其次，手工氬弧滿焊階段：焊絲材質(zhì)不變，直徑仍為1～1.2mm，焊接電流25～35A，試焊時優(yōu)先選擇30A焊接電流和偏小的焊接速度先在試片上進行試焊，調(diào)整好參數(shù)，確定焊接效果良好后方可正式焊接，焊后熒光檢查，鉗工打磨焊瘤，并在1050℃真空爐內(nèi)退火5～10min去除焊接應(yīng)力。

（2）引弧板、引出板的應(yīng)用 引弧階段因為電流不穩(wěn)定，工件瞬間局部加熱，周邊存在很大的溫度梯度，焊接工件容易引起較大焊接內(nèi)應(yīng)力變形或熔穿，從而出現(xiàn)焊接缺陷，如果在焊弧穩(wěn)定之前圓環(huán)焊接加入引弧板（材質(zhì)與圓環(huán)本體材質(zhì)相同，即GH3030，如圖2所示），將引弧過程放在工件以外，可有效控制焊縫質(zhì)量；同理，工件在焊縫末端也存在因焊接停頓或收弧熄弧引起的溫度梯度的現(xiàn)象，加入引出板（材質(zhì)GH3030），可改善末端部位的溫度場，合理控制收弧時間，將收弧時的熔合不良、縮孔、氣孔、夾渣和裂紋等缺陷引到工件外，圓環(huán)本體焊縫不受影響。焊接后效果如圖3所示。

待工件冷卻后，采用大力剪剪除或砂輪片切除的方法去除引弧板和引出板，切除處需磨平處理，切記嚴(yán)禁使用敲擊的方法去除材料，以免因敲擊產(chǎn)生附加微小裂紋、敲痕等缺陷，端部一旦產(chǎn)生裂紋、敲痕后，后期鈑金沖壓、脹型時整條焊縫非常容易被撕裂。

（3）背面氬氣保護工裝的設(shè)計 為更好的防止焊接件被空氣氧化或氮化，薄壁焊接件背面通常需進行氣體保護（見圖4）但開放的鈑金圓環(huán)直徑大小及寬窄不一受焊接工裝成本的影響，不適合做如此大的封閉工裝來填充惰性氣體，如果按傳統(tǒng)的焊接方法，背面放置一根氬氣管，氬氣流不能自動跟隨焊槍移動而集中到熔池位置處進行有效保護，氬氣也白白浪費；若增加人手進行背面氣體移動跟蹤保護，無形中又增加了不必要的人工成本。因此，圓環(huán)焊接還是需要設(shè)計一種既經(jīng)濟實惠又靈活實用的背面氬氣保護工裝來解決上述問題。

鈑金圓環(huán)雖有大有小、有寬有窄、有薄有厚，但總體焊接特點是只有一條或兩條縱向焊縫，因此在考慮工裝設(shè)計時，沒必要將整個圓環(huán)封閉填充氬氣，只需在焊縫周圍形成穩(wěn)定的保護氣層即可，也就是說盡量壓縮工裝封閉體積，減小氣體擴散空間，設(shè)計大小圓環(huán)通用工裝（見圖5），圖5的氬氣保護工裝原理，是利用工裝細長的“V”形槽結(jié)構(gòu)和圓環(huán)內(nèi)表面形成一個半封閉空間，氬氣通過“V”形槽上的孔系排出，根據(jù)圓環(huán)的寬度，靈活調(diào)節(jié)孔系個數(shù)，用圓棒壓在孔上即可，使之氣體覆蓋圓環(huán)背面整條焊縫，進行充分氣體保護，這樣一來既能有效節(jié)約氣體消耗，又能達到氣體保護效果，工裝實物如圖6所示。

圖2 引弧板、引出板的應(yīng)用

圖3 鈑金圓環(huán)正式氬弧焊接

圖4 封閉工裝填充氬氣保護

5. 結(jié)語

綜上所述，通過焊接注意事項以及重點改善引弧板、引出板及氬氣保護工裝的應(yīng)用，不僅使鈑金圓環(huán)焊接質(zhì)量得以顯著提高，焊接成本下降，焊接環(huán)境得到改良，而且真正給企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益，值得普遍推廣。

圖5 氬氣保護工裝

圖6 氬氣保護工裝實物