鎖底結(jié)構(gòu)VP-TIG焊縫未焊透缺陷返修工藝

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（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

0 前言

未焊透缺陷對焊縫質(zhì)量影響顯著，其產(chǎn)生原因復(fù)雜多變，有時在焊接參數(shù)輸入正常的情況下仍會出現(xiàn)。從靜力學(xué)方面分析，未焊透相當(dāng)于減薄理論板厚，降低焊縫的受力面積；從斷裂力學(xué)方面分析，未焊透與裂紋同屬線性缺陷，應(yīng)對未焊透處進(jìn)行返修操作，返修通常是從焊縫背部對應(yīng)部位局部打開，隨后由背部進(jìn)行手工TIG焊，以實現(xiàn)焊縫的全焊透[1-3]。上海航天設(shè)備制造總廠某運(yùn)載型號鋁合金箱體的殼段-單底焊縫采用VP-TIG焊接方法，焊縫需承受內(nèi)壓力考核。焊縫結(jié)構(gòu)形式為鎖底結(jié)構(gòu)（見圖1）[4-5]。此結(jié)構(gòu)為對搭接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式限制焊漏使其僅沉入鎖底槽內(nèi)，而無法沉出被焊工件。因此當(dāng)焊縫出現(xiàn)未焊透缺陷時，無法采用常規(guī)返修手段進(jìn)行返修操作，而正面完全打開焊縫易降低焊縫性能，給焊縫的承受內(nèi)壓能力帶來考驗。因此針對鎖底未焊透缺陷的返修操作進(jìn)行研究，探索合適的返修工藝方案，為后續(xù)產(chǎn)品類似缺陷的返修提供技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1 鎖底結(jié)構(gòu)示意

1 試驗及方法

（1）試板制備。

試驗所用試板材料與產(chǎn)品材料保持一致，均為2A14-T6鋁合金，鎖底焊縫的對接部分試板厚度為3 mm、鎖底部分試板厚度為8 mm，尺寸為300 mm×100 mm。試驗采用VP-TIG焊，焊接設(shè)備為Jet-line 9900自動焊接設(shè)備。鎖底試板正式焊接參數(shù)見表1。同時為獲得未焊透的鎖底試板，需在正式焊接參數(shù)的基礎(chǔ)上降低焊接電流，降低量為20 A。

表1 正式工藝參數(shù)

（2）分析方法。

對2種鎖底結(jié)構(gòu)焊縫中X射線檢測時底片存在局部線狀成像的焊縫進(jìn)行機(jī)加工，即利用線切割解剖X射線底片中存在黑線影像的焊縫，截取金相試樣。

按照GB2651-2008《焊接接頭拉伸實驗方法》將焊接接頭切割成為標(biāo)準(zhǔn)試樣，在SANS-CMT5105型電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸實驗，試驗條件為：加載載荷10 kN、加載速率2mm/min。采用HXS-1000A型顯微硬度計測試焊接接頭各個區(qū)域的顯微硬度，加載載荷50 g，加載時間15 s。

所截取的金相試樣經(jīng)1～5號金相砂紙研磨、氧化鋁拋光后，使用混合酸（1%HF＋1.5%HCl＋2.5%HNO3+95%H2O）溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察焊接接頭的微觀組織。利用掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 試驗方案確認(rèn)

熔化焊縫的返修過程中，若返修熱輸入過大會使得原焊縫晶粒粗化，性能明顯下降，因此需注意控制返修焊接的熱輸入量。同時焊縫存在未焊透缺陷，返修焊接過程中焊接電弧需穿透焊透，實現(xiàn)補(bǔ)焊，因此焊接電弧的穿透力要強(qiáng)。

基于焊接電弧穿透力強(qiáng)、焊接熱輸入小的需求，返修焊接過程中應(yīng)控制氦氣比例、頻率及占空比，通過提升上述因素增大焊接電弧的穿透性，降低焊接電流以降低焊接熱輸入。結(jié)合3～8 mm鎖底環(huán)焊縫正式焊接的工藝參數(shù)匹配情況，制定返修工藝參數(shù)匹配如表2所示，并完成試板的焊接。

表2 返修工藝參數(shù)

采用上述參數(shù)匹配獲得的焊縫表面成形情況、焊接過程中電弧的穩(wěn)定性情況，確認(rèn)不同保護(hù)氣比例下的頻率、占空比、焊接電流、焊接速度的最佳匹配如表3所示，用于后續(xù)的鎖底試板焊接。

表3 工藝參數(shù)窗口確認(rèn)

2.2 力學(xué)性能測試

截取不同保護(hù)氣比例下的頻率、占空比、焊接電流、焊接速度最佳匹配的焊縫力學(xué)性能試樣，并開展常溫拉伸試驗，力學(xué)性能測試結(jié)果如表4所示。

由表4可知，返修焊縫（編號1、2、3）的抗拉強(qiáng)度較正常焊接未返修焊縫（編號4）的抗拉強(qiáng)度有一定的降低，最大降低8%、最小降低3.4%；但因再次受熱的影響，焊縫的延伸率有一定的提升。

表4 力學(xué)性能測試結(jié)果

2.3 微觀組織分析

采用光學(xué)顯微鏡觀察焊縫的微觀組織，重點(diǎn)觀察補(bǔ)焊焊縫的熔合線和熱影響區(qū)情況。熔合線微觀組織如圖2所示，焊縫熔合線處存在典型的柱狀晶，組織相對較均勻；同時熱影響區(qū)組織未發(fā)生明顯粗化，晶粒與母材晶粒尺寸基本接近。

2.4 返修試驗小結(jié)

根據(jù)未焊透鎖底試板返修后的內(nèi)外部治理、力學(xué)性能測試結(jié)果及微觀組織，確定返修的工藝方法及具體的工藝參數(shù)匹配，如表5所示。

表5 工藝參數(shù)窗口確認(rèn)

3 結(jié)論

（1）采用 70%氦氣、頻率200Hz、占空比82%、電流160A、速度150mm/min時，返修焊縫的抗拉強(qiáng)度最優(yōu)，較未返修焊縫的抗拉強(qiáng)度僅降低3.4%；但因再次受熱的影響，焊縫的延伸率有一定的提升。

（2）返修熱輸入控制良好，焊縫熔合線處存在典型的柱狀晶，組織相對較均勻；熱影響區(qū)組織未發(fā)生明顯粗化。

圖2 補(bǔ)焊焊縫熔合線微觀組織

（3）最佳工藝參數(shù)可用于具體產(chǎn)品的返修操作。

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