閥門(mén)球芯316L不銹鋼小空間TIG焊接工藝

馬軍，王學(xué)朋，戚延澤，李虎生，湯洪淝

(1.吳忠儀表有限責(zé)任公司，寧夏回族自治區(qū) 吳忠751100；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

0 前言

隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活條件，工業(yè)制品、航空航天、汽車(chē)、船舶等多個(gè)方面都有著長(zhǎng)足的進(jìn)步。它與人們的生活逐漸相關(guān)，例如用于水管和液化石油氣爐的減壓閥，各種機(jī)械設(shè)備，例如內(nèi)燃機(jī)、壓縮機(jī)、氣動(dòng)變速箱、泵、波壓變速箱、車(chē)輛，船舶和其他機(jī)械設(shè)備不可缺少的組成部分。通常，用于含有腐蝕性的液體的閥門(mén)用塑料、不銹鋼、耐蝕合金(如銅鎳鉬合金、鈦合金和鉛合金等)或用鑄鐵等耐蝕材料制造。球閥在管道上主要作用為切斷、分配和改變介質(zhì)流動(dòng)方向。在正常生產(chǎn)中，由于球閥內(nèi)部的焊接質(zhì)量需求，通常采用傳統(tǒng)的TIG焊接方法，但是傳統(tǒng)的手工焊接方法往往被球閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、焊接位置、焊接工藝等各種因素影響了焊后焊縫的質(zhì)量和性能，并且經(jīng)常打開(kāi)和關(guān)閉閥門(mén)，切換高壓和低壓，并且交替從高溫到低溫的時(shí)間等，還需使球閥焊接位置具有一定的硬度要求。最重要的是焊接空間比較狹長(zhǎng)，尋常的焊接方法難以達(dá)到所需施焊的焊接位置，所以效率也相對(duì)較低。為了提高球閥焊接效率及焊接質(zhì)量，哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制一種適用于球閥內(nèi)小空間焊接的TIG焊槍焊接316不銹鋼球閥，且制定了可行的焊接工藝[1]。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

球芯直徑240 mm，孔口直徑150 mm，孔口高度190 mm，質(zhì)量30 kg，球心及閥體材質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)材料不銹鋼板材是厚度為4 mm的022Cr17Ni12Mo2，不銹鋼焊絲選擇316L不銹鋼焊絲，焊絲直徑為φ0.8～φ1.6 mm，主要力學(xué)性能見(jiàn)表2。由于焊接的內(nèi)部空間特別狹小，需要設(shè)計(jì)能夠進(jìn)入球芯內(nèi)部且具備自動(dòng)送絲功能的TIG焊槍。

表1 球芯材質(zhì)

表2 316L不銹鋼主要力學(xué)性能

試驗(yàn)前需要清理流道口表面的雜質(zhì)及在不銹鋼板材的邊源部位開(kāi)坡口，以加大熔深，在試驗(yàn)過(guò)后觀察焊縫的形貌，進(jìn)行焊接工藝優(yōu)化，在無(wú)明顯的焊接缺陷情況下將得到的試件進(jìn)行金相檢驗(yàn)及力學(xué)性能測(cè)試[2-5]。

優(yōu)化TIG焊流道口的焊接工藝參數(shù)。分析不同的焊接工藝參數(shù)下(焊接電流，行走臺(tái)車(chē)的行進(jìn)速度，SB10C/D雙驅(qū)送絲機(jī)的送速度以及焊接過(guò)程中焊機(jī)Panasonic YC-500wx4N的輸出功率)的焊接接頭性能，分析各工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭的影響，優(yōu)化工藝。

焊接材料為5 mm厚不銹鋼板，在清理完成后，滿足V形焊縫的需要打磨焊材邊緣部分開(kāi)1 mm倒角，加強(qiáng)焊接質(zhì)量。根據(jù)球閥內(nèi)壁直徑計(jì)算出符合內(nèi)經(jīng)空間尺寸的流道口尺寸，使用電火花線切割進(jìn)行切割邊緣部分。提前將板材進(jìn)行十字焊接點(diǎn)固防止焊接時(shí)變形，除了垂直于板材的兩端進(jìn)行了點(diǎn)固外上下兩端也進(jìn)行了填絲點(diǎn)固，以防止多道焊縫熱量高輸入引起的變形增大剛性。然后再與球形件進(jìn)行焊接，點(diǎn)固球芯焊接結(jié)構(gòu)模擬如圖1a所示，內(nèi)部流道口十字板如圖1b所示。

圖1 球芯焊接結(jié)構(gòu)和流道口十字板

按照表3的焊接工藝參數(shù)焊接后(保護(hù)氣體為98%Ar+2%CO2)，試件的變形量非常小，對(duì)變形的抑制作用，角變形量為0.085 mm，所形成的焊縫沒(méi)有飛濺、咬邊、焊穿等焊接缺陷。

表3 焊接工藝參數(shù)

2 焊接工藝

調(diào)節(jié)球閥整體垂直度使電弧高度穩(wěn)定，焊縫均勻。由于球形閥門(mén)焊接時(shí)會(huì)有較大的焊接熱輸入，熱影響易導(dǎo)致變形及裂紋的產(chǎn)生，因此研究焊接順序十分重要，為了確保球形閥門(mén)焊接變形量最小，采用焊接順序遵循對(duì)稱(chēng)焊接，焊縫焊接順序如圖2所示。

圖2 焊縫焊接順序

2.1 焊接電流對(duì)流道口焊縫成形的影響

根據(jù)板材的厚度尺寸先預(yù)測(cè)焊接電流的大小，基值電流為200 A，脈沖電流為320 A，再增加幾組試驗(yàn)，每組電流增大幅度20 A，調(diào)整后的焊接電流見(jiàn)表4，其他保持不變的參數(shù)見(jiàn)表3。改變其中一組變量，在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中材料內(nèi)部所產(chǎn)生的變化及應(yīng)力變形都是由材料本身的熱脹冷縮的這一特性所導(dǎo)致。在焊前和焊后，必須對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行清理，目的是清理焊縫周?chē)乃?、油污等雜質(zhì)，保證焊縫性能。為了保證焊接質(zhì)量，確保反面熔敷金屬不被氧化，加入拖罩需用氬氣始終保護(hù)[6]。焊前準(zhǔn)備完成后，可用丙酮清洗坡口處的油污等雜質(zhì)，焊中每完成一道焊縫，使用不銹鋼絲刷對(duì)焊縫處的焊渣和氧化皮進(jìn)行清理。

表4 調(diào)整后的焊接電流

在焊接過(guò)后得到了截然不同的3組試驗(yàn)效果如圖3所示。1號(hào)焊接電流過(guò)小，出現(xiàn)了明顯的余高過(guò)大等焊接缺陷，如圖3a所示；2號(hào)焊縫成形達(dá)到初期目的，如圖3b所示；3號(hào)焊接電流過(guò)大出現(xiàn)了過(guò)燒，咬邊等缺陷，如圖3c所示。因此可知，功率對(duì)變形值的控制有著至關(guān)重要的作用[7]。

圖3 調(diào)整焊接電流后的試驗(yàn)效果

2.2 焊接速度對(duì)不銹鋼薄板焊縫成形的影響

在相同功率下，無(wú)法判定在速度上升的過(guò)程中，是否存在先降低再升高的情況，所以利用單一變量法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，并且測(cè)量焊接完成之后的變形量結(jié)果，加入脈沖后電弧收縮及電弧力也相應(yīng)增大，同時(shí)電弧作用面積減小，電弧能量密度更集中，從而提升焊接生產(chǎn)效率。調(diào)整后的焊接速度見(jiàn)表5，其他保持不變的參數(shù)見(jiàn)表3，進(jìn)行3組焊接試驗(yàn)。

表5 調(diào)整后的焊接速度

4號(hào)焊接速度過(guò)快，出現(xiàn)了燒穿、未熔合等缺陷；5號(hào)焊接速度過(guò)慢，出現(xiàn)咬邊、下塌等缺陷；6號(hào)焊縫表面成形良好，焊接結(jié)果如圖4所示。

圖4 宏觀焊縫表面成形良好

3 結(jié)果與討論

為了對(duì)比焊接工藝及質(zhì)量的成果，為此增加了普通手工焊接的對(duì)比試驗(yàn)(焊接工藝參數(shù)不變)便于觀察及研究焊接接頭的微觀組織，將在焊接完成后的不銹鋼板上采取使用數(shù)控電火花線切割機(jī)切割金相檢驗(yàn)所需的試件，金相試件的線切割方向，焊縫處取樣制備金相試件，進(jìn)行金相組織觀察、硬度分析等，然后分析其及宏觀組織結(jié)構(gòu)特性。

3.1 腐蝕分析

該次試驗(yàn)所使用的是316L奧氏體不銹鋼，試樣磨光依次采用180號(hào)、320號(hào)、600號(hào)、1 000號(hào)、1 200號(hào)、1 500號(hào)、2 000號(hào)水磨砂紙磨光→試樣拋光采用1.5 μm粒度的金剛石噴霧拋光劑拋光)→拋至試樣表面光亮無(wú)劃痕后吹干。金相試樣制備的關(guān)鍵在于316L奧氏體不銹鋼材質(zhì)較軟，拋光時(shí)需控制好濕度和力度，磨拋時(shí)采用多道水磨砂紙打磨后用較輕力度短時(shí)間拋光[8]。金相試件首先需要進(jìn)行化學(xué)試劑的腐蝕之后將已拋光過(guò)后的試件進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇的腐蝕溶液是：5 g FeCl3+ 50 mL HCl + 100 mL H2O。

試件分別采取具體腐蝕條件對(duì)拋光之后的試件進(jìn)行腐蝕處理，腐蝕效果將采取光學(xué)顯微鏡進(jìn)行拍照分析及手工焊、自動(dòng)焊方式的金相高倍照片對(duì)比如圖5所示。

圖5 試件腐蝕后所得到的金相照片

由金相照片可以看到，奧氏體不銹鋼焊縫金相試樣經(jīng)過(guò)不同工藝處理后得到金相顯微組織?？梢钥闯鰥W氏體不銹鋼焊縫的焊態(tài)試樣主要由奧氏體和鐵素體兩相構(gòu)成，其中灰白色枝晶為奧氏體基體，黑灰色的游離鐵素體以非連續(xù)網(wǎng)狀分布在奧氏體枝晶間，金相顯微組織表現(xiàn)為典型的316奧氏體不銹鋼的焊縫組織特征，當(dāng)腐蝕時(shí)間沒(méi)有超過(guò)1 min的時(shí)候，能夠清楚的看到金相組織的顯微照片，能看到清晰的晶粒與晶界。也可以很好的看到自動(dòng)焊相對(duì)于手工焊的的優(yōu)勢(shì)。

3.2 力學(xué)性能分析

使用數(shù)字型顯微硬度計(jì)分別在焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材處確定一條測(cè)試線，進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試前進(jìn)方向?yàn)椋汉缚p—熔合線—熱影響區(qū)—母材，如圖6所示。載荷為200 N，保持10 s維氏硬度，得到維氏硬度分布圖如圖7所示，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的硬度均大于母材硬度。

圖6 硬度計(jì)打點(diǎn)位置圖

圖7 維氏硬度分布圖

4 結(jié)論

(1)316L不銹鋼閥門(mén)球芯焊接過(guò)程中，焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫變形的影響最大，其次是保護(hù)氣體，最后是對(duì)變形量的控制；經(jīng)過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)與分析，對(duì)于該次試驗(yàn)所形成的焊縫所使用的最佳焊接工藝參數(shù)為：基值電流為240 A、脈沖電流為360 A、脈沖頻率為1 Hz/s、焊接速度為2.6 mm/s、送絲速度為60 mm/s、保護(hù)氣體流量為5 L/min。

(2)母材的硬度值最低，焊縫的區(qū)域明顯加強(qiáng)，其它區(qū)域達(dá)到預(yù)想的硬度要求。

(3)焊縫周?chē)慕M織分布較好且均勻，說(shuō)明在焊接過(guò)程中保護(hù)效果較好。不銹鋼焊接工藝參數(shù)的確定，為以后的大批量焊接提供了技術(shù)保證，安全性得到了有效的提升。