鈦合金機(jī)器人焊接中A-TIG的工藝研究

王　軍,崔雪松，苑玉玲

(1.睿能熱泵(沈陽(yáng))能源技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110041；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159)

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鈦合金機(jī)器人焊接中A-TIG的工藝研究

王軍1,崔雪松2，苑玉玲1

(1.睿能熱泵(沈陽(yáng))能源技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110041；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 110159)

摘要：利用機(jī)器人平臺(tái)對(duì)活性劑氬弧焊(A-TIG)在鈦合金焊接技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)測(cè)試CaF2、CrCl3、KF、MgCl2等四種材料在多組元復(fù)合活性劑中含量不同時(shí)對(duì)熔深的影響。實(shí)驗(yàn)表明：復(fù)合活性劑的使用有助于加深熔深；最佳配比CaF2、CrCl3、KF、MgCl2的含量分別為25%、15%、10%、50%；力學(xué)性能測(cè)試表明使用活性劑得到的焊接件性能優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人焊接；活性劑氬弧焊；復(fù)合活性劑；鈦合金

鎢極氬弧焊(TIG)[1]是在鈦及鈦合金的焊接中應(yīng)用最廣泛的工藝，特別是活性焊接法應(yīng)用于傳統(tǒng)TIG焊[2-3]以后，焊接接頭性能和焊接結(jié)構(gòu)壽命得到了改善，這種焊接方法通稱為活性劑氬弧焊(A-TIG)。A-TIG是在焊前將很薄的一層表面活性劑涂于待焊焊道表面，然后進(jìn)行正常TIG焊接，使得焊接熔深顯著增加，大大提高焊接效率和焊接質(zhì)量[4-5]。

機(jī)器人焊接也是提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的有效辦法。機(jī)器人焊接中，試件不需開(kāi)坡口，6毫米以下直接焊透，焊后力學(xué)性能合格，由此減少了焊件坡口加工工序，降低生產(chǎn)成本，提高了焊接生產(chǎn)率。本研究將機(jī)器人焊接和A-TIG焊結(jié)合起來(lái)，在實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)的鈦及鈦合金焊接的同時(shí)，消除手動(dòng)焊接造成的人工誤差，能更好的分析活性劑配比等焊接工藝對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

1實(shí)驗(yàn)方法

本研究采用SR10C六關(guān)節(jié)型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)焊接，主要設(shè)備包括垂直六關(guān)節(jié)型機(jī)器人10kg Robot SR10C、控制柜、315A機(jī)器人焊接電源、焊槍、防撞裝置、送絲機(jī)、變位機(jī)等，如圖1所示。

圖1　機(jī)器人焊接工作站示意圖

試驗(yàn)過(guò)程如下：(1)磨電極：將鎢極尖端磨成45°錐角；(2)測(cè)電弧長(zhǎng)及鎢極伸出長(zhǎng)度；(3)調(diào)焊接速度、電流及保護(hù)氣流量；(4)磨試樣、劃線、清洗：將試樣表面用鋼刷打磨干凈，以刷開(kāi)粘附其上的雜質(zhì)；在試樣長(zhǎng)度方向上劃中心線，作為焊接軌跡；用丙酮清洗試件表面，以除去殘留的油污等，晾干待焊；(5)涂敷活性劑：焊前通過(guò)真空箱根據(jù)各活性劑的物理性質(zhì)進(jìn)行活性劑干燥，干燥后對(duì)其充分研磨，然后放入燒杯中，倒入酒精將其調(diào)成糊狀，用扁平毛刷將其均勻的涂敷在焊縫表面，以遮蓋原有金屬光澤為宜，焊縫寬度約為15～20 mm，晾干待焊；(6)焊前準(zhǔn)備妥當(dāng)后，采用直流正接法進(jìn)行活性焊試驗(yàn)；(7)焊接完畢后，關(guān)閉氣閥及電源；(8)待試樣冷卻后，分別用布砂、240#、600#砂紙，將焊縫表面打磨光滑，然后用配好的酸進(jìn)行腐蝕，待腐出焊縫熔合線，拍下焊縫截面形態(tài)，測(cè)量涂敷活性劑時(shí)焊縫熔深D和熔寬W。

1.1活性劑配比研究

用CaF2、CrCl3、KF、MgCl2四種材料作為多組元復(fù)合活性劑的組成成分。實(shí)驗(yàn)材料為6mm厚TA2板材，電流180A，焊接速度120mm/min，氣體流量12L/min，鎢極直徑為3.2mm，鎢極尖端角度為45°，弧長(zhǎng)2.5mm。

為獲得最佳配比的活性劑，設(shè)計(jì)了四因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，具體配比見(jiàn)表1。根據(jù)正交表與各因素的水平配制活性劑，一共有九種配方，見(jiàn)表2所示。

表1　活性劑配比試驗(yàn)正交表　%

表2　活性劑配比試驗(yàn)表　%

1.2力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)壓力容器焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)JB/T4745-2002，對(duì)焊接后的鈦合金板材(4mm TA2)焊接接頭進(jìn)行拉伸、面彎和背彎力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行顯微鏡觀測(cè)以獲得其金相形貌，并對(duì)焊縫處淬斷面顯微形貌進(jìn)行掃描電鏡觀測(cè)。

2結(jié)果與討論

2.1活性劑最佳配比的確定

添加不同組分的復(fù)合活性劑對(duì)熔深的影響結(jié)果如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)，添加復(fù)合活性劑獲得的熔深更深。

表3　復(fù)合活性劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果　%

分析正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，某組分固定配比時(shí)的三組結(jié)果取平均值，得到D(w)/D0，該平均值抵消了其它組分的影響，可以定性表征在該成分含量為w時(shí)對(duì)D/D0變化的貢獻(xiàn)程度，如表3所示。按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，CaF2、CrCl3、KF的含量分別為25%、15%、10%時(shí)D(w)/D0最大，因此選取這一組分為復(fù)合活性劑的配比，此時(shí)MgCl2的含量確定為50%。表4～表6中的R為不同組分D(w)/D0的最大值與最小值之差，代表復(fù)合活性劑性能指標(biāo)對(duì)該組分變化的敏感程度。從表4的結(jié)果可以看出，復(fù)合活性劑性能指標(biāo)對(duì)KF組分變化較為敏感。

表4　復(fù)合活性劑中各組分(CaF2)對(duì)D/D0變化的貢獻(xiàn)程度

表5　復(fù)合活性劑中各組分(CrCl3)對(duì)D/D0變化的貢獻(xiàn)程度

表6　復(fù)合活性劑中各組分(KF)對(duì)D/D0變化的貢獻(xiàn)程度

2.2力學(xué)性能

根據(jù)壓力容器焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)JB/T4745-2002，對(duì)焊接后的鈦合金板材(4mm TA2)焊接接頭進(jìn)行拉伸、面彎和背彎力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定拉伸強(qiáng)度大于等于400MPa即為合格，采用A-TIG方法焊接得到的試樣拉伸強(qiáng)度為450MPa，斷裂在母材上；面彎和背彎試件在彎曲180°后均無(wú)裂紋。A-TIG焊后試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

為進(jìn)一步了解采用A-TIG方法得到的試樣的結(jié)構(gòu)信息，通過(guò)對(duì)截面拋光，再在顯微鏡下觀察，得到焊接截面的金相形貌，如圖2所示。發(fā)現(xiàn)采用A-TIG焊得到的焊縫晶粒更加細(xì)小，這可能是其拉伸強(qiáng)度得到提高的原因。對(duì)焊縫處進(jìn)行淬斷處理后，對(duì)其斷面進(jìn)行電鏡觀察(如圖3)，可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)TIG焊焊接試樣主要是韌窩斷裂，主要斷裂在基體金屬，基材的塑性較好；而A-TIG焊試樣斷裂發(fā)生在熔合線附近，屬于韌窩和混合模式斷裂。

圖2　焊縫截面形貌

圖3　焊縫斷面SEM形貌

3結(jié)論

(1)正交試驗(yàn)的結(jié)果表明，由CaF225%、CrCl315%、KF 10%、MgCl250%組成的復(fù)合活性劑能夠提高鈦合金焊接效率。

(2)采用A-TIG方法焊接得到的試樣拉伸強(qiáng)度為450MPa,大于JB/T4745-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的400MPa，A-TIG焊后試件力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]戚運(yùn)蓮,洪權(quán)，劉向，等.鈦及鈦合金的焊接技術(shù)[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2004，21(6)：25-29.

[2]袁玉蘭，王惜寶，吳順生，等.活性劑在焊接中的應(yīng)用及展望[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005,19(8)：66-68,75.

[3]J NIAGAJ.Use of A-TIG method for welding of titanium,nickel,their alloys and austenitic steels[J].Welding International,2006,20(7):516-520.

[4]楊春利，牛尾誠(chéng)夫，田中學(xué).TIG電弧活性化焊接現(xiàn)象和機(jī)理研究[J].焊接，2000(5)：15-18.

[5]黃勇，樊丁，張涵.表面活性劑對(duì)鈦合金A-TIG焊熔深的影響[J].稀有金屬材料與工程，2006，35(10):1586-1588.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Research on the Process of A-TIG in the Titanium Alloy Robot Welding

WANG Jun1,CUI Xuesong2,YUAN Yuling1

(1.SmarHeat Inc.(Shenyang) Heat Pump Limited company,Shenyang 110041，China；2.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：The application of argon arc welding (A-TIG) of active agent in titanium alloy welding technology is studied by using robot platform.Through the orthogonal experiment of influence of material content CaF2,CrCl3,KF,MgCl2 on the penetration depth in a multi component compound active agent is tested.Experiments show that the use of the composite active agent can help deepen the penetration.The optimum ratio of CrCl3,KF,CaF2 and MgCl2 were 25%,15%,10%,50%,respectively.And the mechanical property tests showed that the performance of the welded parts using the active agent was better than that of the traditional method.

Key words：robot welding;active agent argon arc welding;composite active agent;titanium alloy

中圖分類號(hào)：TG457.19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-1251(2016)02-0104-04

作者簡(jiǎn)介：王軍(1967—),男，高級(jí)工程師，研究方向：供熱、制冷、空氣調(diào)節(jié)、通風(fēng)。

收稿日期：2015-04-29