變極性等離子弧焊在殼體與法蘭環(huán)焊縫焊接中的應(yīng)用

劉國廷 汪卓然 柴斐 杜孟開 安?？?/p>

摘要：分析了鋁合金變極性等離子弧穿孔焊工藝的特點，采用ER5356焊絲對厚度為7 mm的防銹鋁合金5A06進行穿透型變極性等離子弧焊對接環(huán)焊縫的焊接試驗，分析焊縫成形質(zhì)量的影響因素，實現(xiàn)了變極性等離子弧焊在某水下產(chǎn)品中殼體與法蘭環(huán)焊縫連接的應(yīng)用，焊接過程分為起弧段、穿孔段、焊接段、搭接段、收孔段、收弧段共6個焊接階段。利用X射線衍射儀、萬能拉伸機對接頭的質(zhì)量及力學性能進行檢測，結(jié)果表明5A06鋁合金殼體與法蘭對接環(huán)焊縫成形良好，焊縫質(zhì)量滿足GJB 294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》Ⅰ級焊縫要求，接頭抗拉強度為301 MPa，達到母材的90.2%，斷裂位置處于近熔合線處，接頭力學性能良好，滿足產(chǎn)品的使用要求。

關(guān)鍵詞：變極性等離子弧焊;5A06鋁合金;力學性能;環(huán)焊縫

中圖分類號：TG456.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0077-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.14

0? ? 前言

某水下產(chǎn)品為多段殼體對接后焊接環(huán)縫成形，單個殼體外徑約500 mm，長度500～800 mm不等，焊接時需保證合段后的同軸度。殼體成型后使用環(huán)境為外液壓環(huán)境，且為交變載荷，需控制焊后應(yīng)力水平，避免長期使用出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕引起的滲漏問題。原焊接方法為殼體開坡口、無墊板的對接結(jié)構(gòu)，采用TIG焊焊接。殼體對接僅剩1 mm直邊，殼體對接后因焊縫收縮波動較大，成型后的殼體同軸度不理想。TIG焊熱輸入較大，焊接變形不易控制，且焊后殘余應(yīng)力大，需采用較為冗長的應(yīng)力消除工藝方可控制在工藝指標范圍內(nèi)。變極性等離子弧焊是一種能量集中、電弧挺度大、焊后變形小的高能束焊接工藝[1-2]，焊件無需開坡口，焊道窄，單面焊雙面成形，焊后應(yīng)力低于氬弧焊。其穿孔焊的機制有利于焊接過程中氣孔溢出，避免氣孔類缺陷產(chǎn)生，可有效保證焊縫內(nèi)部質(zhì)量及工藝可靠性，在鋁合金焊接中應(yīng)用前景良好[3-4]，非常適合用于該產(chǎn)品中殼體與法蘭環(huán)的焊縫連接。

變極性等離子焊分為穿透型與熔透型。穿透型等離子弧焊接也稱為小孔型等離子弧焊接，弧柱壓縮程度強，等離子射流噴出速度較大。焊接時，等離子弧將焊件整個厚度完全穿透，在熔池中形成上下貫穿的小孔，并從焊件背面噴出尾焰，隨著等離子弧沿焊接方向移動，熔化金屬沿著小孔兩側(cè)的固體壁面向后方流動，熔池后方的金屬不斷封填小孔，凝固冷卻形成焊縫，焊縫斷面為杯狀。文中對變極性等離子弧焊的應(yīng)用進行研究，提高耐外液壓殼體多段對焊成形的質(zhì)量穩(wěn)定性和可靠性。

1 試驗設(shè)備及材料

1.1 試驗設(shè)備

電源型號為VPC-450，集成IGBT逆變電源，100%負載持續(xù)率時最大輸出能力為450 A;變極性頻率范圍為20～1 000 Hz;正向焊接電流值、反向焊接電流值、正向焊接時間、反向焊接時間均可通過系統(tǒng)控制器進行編程并實時反饋控制。

變極性等離子槍的型號為PWT-450，離子氣體與保護氣體均采用純度為99.996%氬氣。

正式焊接前，通入離子氣，在電極和噴嘴之間形成燃燒的非轉(zhuǎn)移型等離子弧;正式焊接時非轉(zhuǎn)移型等離子弧從噴嘴轉(zhuǎn)移到焊件上，電弧經(jīng)噴嘴孔道在電極和噴嘴之間燃燒，電弧經(jīng)過壓縮，溫度和能量密度顯著提高。

1.2 試驗材料

試驗?zāi)覆牟捎?A06鋁合金，供貨狀態(tài)為O態(tài)，焊接厚度7 mm;焊接材料選用φ1.6 mm的ER5356焊絲。母材及焊絲化學成分及力學性能分別如表1～表4所示。5A06鋁合金是Al-Mg系變形鋁合金，其塑性好，可進行各種變形加工;在大氣和海水中有優(yōu)異的抗腐蝕性，在航空、航天、水中兵器等領(lǐng)域有重要應(yīng)用;與鋼相比，其熔點低，導熱系數(shù)約為鋼的2.7倍，熱容量比鋼大近1倍，因而，采用能量集中的熱源進行焊接有利。

2 變極性等離子弧焊接頭質(zhì)量影響因素

2.1 工藝參數(shù)對焊縫成形質(zhì)量的影響

在此采用穿孔狀態(tài)穩(wěn)定的焊接電流（正向電流185 A、反向電流215 A）及等離子氣流量（1.1 L/min）進行試驗，分析焊接速度和送絲速度對焊縫成形質(zhì)量的影響。試驗參數(shù)如表3所示，焊縫成形如圖1所示。

（1）焊接速度對焊縫成形質(zhì)量的影響。

結(jié)合表3、圖1可知，當焊接速度為280 mm/min時，熱輸入量不足，穿孔后隨著焊接的進行，熔池深度逐漸減小，無法形成穿透型焊接（見圖1a）;焊接速度減至230 mm/min后，焊縫中心線產(chǎn)生明顯的孔洞缺陷，這是因為焊速降低后，雖然保證焊接過程中始終有小孔形成并穿透焊接，但焊速過快，熔池停留時間較短，液態(tài)金屬來不及流入小孔成形為正、反焊縫便已凝固，因此形成孔洞缺陷（見圖1b）;繼續(xù)減小焊接速度至180 mm/min后，焊縫成形良好，無外觀缺陷（見圖1c）;當焊接速度降至110 mm/min時，焊縫不成形，形成明顯的切割缺陷，這是因為過低的焊接速度導致焊接熱輸入量明顯增加，穿孔過大，熔化金屬難以填充（見圖1d）。

（2）送絲速度對焊縫成形質(zhì)量的影響。

不填充焊絲時，焊縫雖然可以成形，但背部基本無余高，且正面焊縫與背面焊縫均出現(xiàn)輕微咬邊缺陷（見圖1e）;隨著送絲速度的提高，焊接過程中流入小孔的液態(tài)金屬增多，正、反面焊縫余高逐漸增加，焊縫成形良好（見圖1f）;當送絲速度增加至3 000 mm/min時，送絲量的增加使得焊接熱輸入量作用于焊絲熔化的比例加大，而形成熔池的能量比例減少以致未焊透（見圖1g）。

2.2 其他因素對焊縫成形質(zhì)量的影響

（1）鎢極與噴嘴內(nèi)腔的同心度。若鎢極與內(nèi)噴嘴的內(nèi)腔不對中易發(fā)生單側(cè)咬邊現(xiàn)象。

（2）鎢極內(nèi)縮量。合理的鎢極內(nèi)縮量可以保證電弧的挺度和穿透能。

（3）內(nèi)、外噴嘴位置關(guān)系。內(nèi)噴嘴產(chǎn)生等離子弧，外噴嘴通保護氣，如果內(nèi)噴嘴高于外噴嘴，影響氣體保護效果，嚴重時導致焊縫無法成形甚至切割。

（4）送絲角度。若焊絲與噴嘴角度過小，會使焊絲熔化前接觸殼體表面，影響焊縫成形;若焊絲與噴嘴角度過大，會使焊絲進入熔池前發(fā)生氧化，導致焊縫受氧化物影響產(chǎn)生氣孔等缺陷。

3 變極性等離子弧焊在殼體與法蘭環(huán)焊縫連接中的應(yīng)用

3.1 接頭結(jié)構(gòu)

接頭結(jié)構(gòu)為法蘭與殼體的“ I ”型對接，如圖2所示，單個殼體外徑約500 mm，長度500～800 mm不等，焊接厚度7 mm，焊接時將法蘭裝卡，等離子槍始終處于3點鐘焊接位置。

3.2 工藝參數(shù)的確定

穿透型等離子弧焊接往往分為起弧段、穿孔段、焊接段、搭接段、收孔段及收弧段。對于縱焊縫的焊接，可以通過焊接方向留余量或者增加引弧板等方式，將小孔留在余量處或引弧板上，從而不影響焊接質(zhì)量。但是對于環(huán)焊縫的焊接，需要各段之間準確的參數(shù)配合，最終使得完整環(huán)焊縫質(zhì)量均能滿足標準要求。該環(huán)焊縫焊接參數(shù)如表4所示。

（1）起弧段。

起弧段將已經(jīng)引燃的非轉(zhuǎn)移型電弧引燃至焊件上形成轉(zhuǎn)移弧，起弧時保證噴嘴與工件表面距離為5～7 mm，采用較慢的焊接速度，隨著電流的增大，熔深加大。起弧段無焊絲填充，焊縫余高較低，防止搭接時因焊縫較高而影響搭接質(zhì)量。

（2）穿孔段。

穿孔段的作用是產(chǎn)生離子弧小孔，電流逐步升高，離子氣流量逐步加大，加大能量輸入使得小孔形成，焊縫背部透出尾焰。穿孔過程無焊絲填充，避免焊絲的熔化消耗部分電弧能量，影響穿孔效率。

（3）焊接段。

焊接段開始進行填絲，在小孔穿透母材的同時，保證正面焊縫余高為1～3 mm，避免兩側(cè)出現(xiàn)咬邊缺陷。焊接過程中，形成的小孔沿焊接方向移動，小孔前端熔化的液態(tài)金屬流入小孔之中，分別凝固于焊縫內(nèi)側(cè)與外側(cè)，實現(xiàn)單面焊雙面成形。

（4）搭接段。

搭接段從起弧處開始，超過焊接段起始送絲處20 mm結(jié)束，目的是將穿孔前的未熔透焊縫進行穿透焊接，避免未焊透等缺陷。考慮到穿孔前未熔透的焊縫雖然不填充焊絲，但仍有余高，增加了焊接厚度，若焊接段的參數(shù)無法實現(xiàn)此部分焊縫的穿透，可以適當增加焊接電流或離子氣流量，為減小操作的復(fù)雜性，通過前期試驗積累，調(diào)整搭接段工藝同焊接段一致。

（5）收孔段。

不同于縱焊縫可以將焊后小孔引入焊接方向余量處或收弧板處，對于環(huán)焊縫的焊接，需要在工件旋轉(zhuǎn)過程中逐步將小孔填滿，收孔時，焊接電流及離子氣流量逐漸減少，熔深變淺，同時極大程度地增加送絲量，進而逐步填滿小孔，此處的焊縫余高將高于焊接段的。

（6）收弧段。

收弧段易產(chǎn)生氣孔等缺陷，在緩慢降低電流的同時，適當減小焊速，增加熔池高溫停留時間，有利于氣孔逸出熔池表面。

3.3 其他注意事項

（1）在確保焊前清理到位、工藝參數(shù)合理的前提下，對接環(huán)縫處需采用內(nèi)部自帶凹槽的可拆卸式環(huán)形支撐工裝，保證環(huán)縫焊接前的殼體對接同軸度。其中工裝外徑凹槽為開孔焊和熔池成型留出空間。

（2）控制殼體對接間隙近似為0，接縫處厚度錯邊量小于0.5 mm，可根據(jù)產(chǎn)品實際要求調(diào)整。

3.4 焊縫成形質(zhì)量及接頭力學性能

變極性等離子焊接法蘭與殼體環(huán)焊縫為單面焊雙面成形，如圖3所示。依據(jù)GJB 294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》標準對焊縫成形質(zhì)量進行檢測，正面焊縫及背面焊縫均成形良好，正面焊縫寬度約12 mm，余高約1.5 mm，背面焊縫寬度約8 mm，余高約2 mm，無咬邊、錯邊、凹陷等缺陷。利用X射線對焊縫質(zhì)量進行探傷檢測，結(jié)果如圖4所示，無裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。焊縫外觀質(zhì)量及內(nèi)部質(zhì)量檢測結(jié)果表明，焊縫質(zhì)量滿足GJB 294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》Ⅰ級焊縫要求。

依據(jù)GB/T 19869.2—2012《鋁及鋁合金的焊接工藝評定試驗》的要求制備標準力學性能試樣，分別檢測母材及接頭力學性能。20件拉伸試件力學性能試驗所得結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，接頭抗拉強度、屈服點及延伸率均低于母材，其抗拉強度達到母材抗拉強度的90.2%。焊接接頭在拉伸過程中發(fā)生頸縮現(xiàn)象，且斷后伸長率相對較高，推斷其斷裂形式為韌性斷裂。拉伸試樣的宏觀斷裂如圖5所示，可以看出，拉伸試樣的斷裂位置基本處于焊縫邊緣靠近熔合線位置，說明此處是接頭的力學性能薄弱區(qū)域。除拉伸試驗外，采用同結(jié)構(gòu)和厚度的焊接試板，冷彎90°未裂，故未進行硬度試驗檢測。

4 結(jié)論

（1）采用變極性等離子弧焊實現(xiàn)了5A06鋁合金可靠連接，經(jīng)過試驗對比發(fā)現(xiàn)焊接速度、送絲速度、鎢極內(nèi)縮量、送絲角度等因素對焊縫成形質(zhì)量均有不同程度的影響。

（2）實現(xiàn)了殼體與法蘭環(huán)焊縫焊接的工程化應(yīng)用，焊接過程分為起弧段、穿孔段、焊接段、搭接段、收孔段及收弧段。

（3）法蘭與殼體連接焊縫成形良好，正面余高為1.5 mm，背部余高為2 mm，焊縫質(zhì)量滿足GJB 294A-2005《鋁及鋁合金熔焊》Ⅰ級焊縫要求。

（4）接頭抗拉強度為301 MPa，為母材的90.2%，力學性能良好，滿足產(chǎn)品的使用要求。

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