30CrMnGiA活塞桿自動化鎢極氬弧焊核心工藝探究

趙洪志，衛(wèi)鐘可，秦 俊，楊少華

(1.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046000；2.火箭軍駐長治地區(qū)軍事代表室，山西 長治 046000)

鎢極氬弧焊是涉及產(chǎn)品生產(chǎn)中一道重要的工序，但隨著產(chǎn)品種類和數(shù)量的增加，手工鎢極氬弧焊已經(jīng)成為影響生產(chǎn)進(jìn)度的瓶頸工序。鎢極氬弧焊焊接質(zhì)量優(yōu)異，熱源和送絲分別控制，施焊難度大，焊工需要根據(jù)經(jīng)驗匹配電壓、電流和送絲速度，對焊工技能等級依賴高；同時由于可利用反饋信號少，電壓、電流和送絲速度三者不易匹配，送絲速度快存在損壞鎢極風(fēng)險，送絲速度慢存在熔透熄弧現(xiàn)象，使得自動化鎢極氬弧焊實施難度極大。企業(yè)引進(jìn)自動化鎢極氬弧焊設(shè)備，進(jìn)行了大量的工藝攻關(guān)工作，最終自動化鎢極氬弧焊在產(chǎn)品生產(chǎn)中成功應(yīng)用。引進(jìn)的自動化鎢極氬弧焊焊接系統(tǒng)由上料、焊接、退火3部分組成，采用PLC進(jìn)行控制，產(chǎn)品上料、焊接完成后送入退火爐，均由機(jī)械手臂實現(xiàn)；焊機(jī)系統(tǒng)自身具備焊前預(yù)熱功能，采用中頻預(yù)熱，預(yù)熱溫度可控。

本文以典型產(chǎn)品活塞桿的自動化鎢極氬弧焊為例，活塞桿材質(zhì)為30CrMnSiA。首先，根據(jù)30CrMnSiA的特性和設(shè)備自身特點，制定了焊前預(yù)熱、焊接和焊后退火的焊接流程；其次，為克服氬弧焊過程中電壓、電流和送絲速度三者不易匹配的缺點，焊接工藝通過嚴(yán)格控制工件接口尺寸，提高工件一致性，實現(xiàn)了產(chǎn)品的自動化連續(xù)焊接。整個焊縫分3次焊接完成，首層焊縫充分利用鎢極氬弧焊熱源和焊絲分別控制的特點，首層不填焊絲，以達(dá)到增加熔透深度的目的[1-3]；第2層和第3層填充焊絲，保證母材和焊絲充分熔合，從而實現(xiàn)填充焊縫接口的目的[4]。

1 產(chǎn)品和設(shè)備簡介

某產(chǎn)品活塞桿由上端頭、桿體、下端頭組焊而成，三者材質(zhì)均為30CrMnSiA，活塞桿整體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示，焊縫接頭形式如圖2所示，焊縫設(shè)計要求為QJ 176A—1999 I級。30CrMnSiA為含碳量較高的高強(qiáng)鋼，冷裂傾向大，容易產(chǎn)生裂紋；加之本身的細(xì)長桿結(jié)構(gòu)，焊縫對接形式和高等級焊接質(zhì)量的要求，導(dǎo)致原手工鎢極氬弧焊焊接效率低，成品率低，成為一道瓶頸工序。

引進(jìn)的鎢極氬弧焊自動化焊接系統(tǒng)如圖3所示，由KUKA機(jī)械手臂、焊接系統(tǒng)、自動化送料系統(tǒng)、焊前預(yù)熱系統(tǒng)和焊后退火系統(tǒng)5部分組成，整套設(shè)備由PLC控制，具有自動化程度高，焊接效率高和焊接質(zhì)量穩(wěn)定的特點。焊接系統(tǒng)中KUKA機(jī)械手臂重復(fù)定位精度高、焊接動作穩(wěn)定可靠；焊接系統(tǒng)采用福尼斯電源，配合高精度送絲機(jī)，可實現(xiàn)穩(wěn)定的氬弧焊焊接；自動化送料系統(tǒng)可將活塞桿送至變位器，變位器配備自動卡盤，KUKA機(jī)械手臂工作范圍覆蓋變位器全行程，焊接完成后送料系統(tǒng)將活塞桿送至退火爐；焊前預(yù)熱系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)加熱，設(shè)備功率、頻率可調(diào)，電磁感應(yīng)加熱頭應(yīng)根據(jù)待焊零件定制，以滿足不同待焊件預(yù)熱需求；退火爐屬電阻加熱爐，內(nèi)裝有4個溫度感應(yīng)器，溫度控制精度高，溫度和時間可調(diào)。

2 核心工藝

2.1 活塞桿焊接流程

依據(jù)30CrMnSiA的材質(zhì)特點和自動化氬弧焊焊接系統(tǒng)的優(yōu)勢，制定了活塞桿的焊接流程，從而達(dá)到了提高焊接質(zhì)量和焊接效率的目的，解決了活塞桿生產(chǎn)的瓶頸工序。活塞桿焊接流程為：活塞桿裝配→放入送料系統(tǒng)→退火爐預(yù)熱(達(dá)到保溫溫度)→進(jìn)入焊接工位→活塞桿焊前預(yù)熱→焊接→送入退火爐，待退火爐中活塞桿達(dá)到程序設(shè)定數(shù)量，停止焊接，執(zhí)行退火程序[5-6]?；钊麠U精度和一致性是自動化焊接的前提，通過前期機(jī)械加工和裝配工裝保證；當(dāng)退火爐預(yù)熱并達(dá)到保溫溫度時，整個焊接系統(tǒng)才能工作，活塞桿被機(jī)械手送入焊接工位，程序整體控制；活塞桿焊接完成后由機(jī)械手送入退火爐中，由程序記錄焊接數(shù)量，達(dá)到設(shè)定數(shù)量后，停止焊接，退火爐完成此批次的退火工序；待退火爐清空，并給系統(tǒng)發(fā)送預(yù)備焊接指令，進(jìn)行下一個焊接周期。

為滿足自動化焊接要求，采用直徑為1.2 mm的盤式焊絲，采用送絲機(jī)送絲，可連續(xù)焊接，取代手工氬弧焊中直徑為2.5 mm的焊絲，焊絲牌號均為H18CrMoA，焊絲具體成分見表1，符合國標(biāo)要求。

表1 H18CrMoA焊絲成分

2.2 活塞桿裝配精度控制

活塞桿接頭的一致性對焊接質(zhì)量至關(guān)重要，與熔化極焊接相比，熔化極焊接可通過電弧電壓的反饋，進(jìn)行送絲速度和焊接位置的調(diào)整，非熔化極氬弧焊可利用反饋信號少，自動調(diào)節(jié)能力弱，所以自動化鎢極氬弧焊對工件精度和一致性的要求更高。為提高自動化焊接效率和質(zhì)量，活塞桿的精度和一致性通過如下2個方面控制：活塞桿3個零件(上端頭、桿體、下端頭)通過數(shù)控機(jī)械加工保證各尺寸的一致性，接頭部位采用過渡配合，尺寸為φ31K6h5；焊縫接頭間隙如圖2所示，通過裝配工裝嚴(yán)格控制焊接間隙尺寸(1.5±0.3) mm。

2.3 焊接參數(shù)

30CrMnSiA是一種典型的Cr-Mn-Si系的中碳調(diào)質(zhì)鋼，碳含量較高，焊接性能較差，焊接參數(shù)對最終焊接質(zhì)量尤為關(guān)鍵。為保證焊縫熔透深度且符合QJ 176A—1999 I級要求，進(jìn)行了大量的工藝研究工作，最終活塞桿V型坡口確定為3層焊接，焊前預(yù)熱，焊后采用保溫措施[7-8]，各工藝參數(shù)詳見表2。

表2 焊接參數(shù)

焊接的第1層采用不填絲自熔焊接，為保證桿體與端頭充分熔合和增加熔深，采用大電流焊接；第2層和第3層填絲，第2層和第3層應(yīng)避免咬邊和未熔合等焊接缺陷發(fā)生，焊接電流、焊接速度等焊接參數(shù)經(jīng)過多次試驗。預(yù)熱完成后，自動焊接，第1層、第2層和第3層無間歇，一次焊接完成[9-10]。各層銜接處焊接參數(shù)的變化，在控制程序中預(yù)設(shè)完成，以達(dá)到自動化焊接的目的。焊接完成后，活塞桿自動進(jìn)入退火爐進(jìn)行保溫，自動進(jìn)行下一根活塞桿的焊接，當(dāng)退火爐中達(dá)到程序設(shè)定數(shù)量后，活塞桿進(jìn)行批量焊后退火處理。

3 焊接質(zhì)量

焊接流程和焊接參數(shù)固化后，經(jīng)過一段時間生產(chǎn)，經(jīng)統(tǒng)計合格率約為95%，與手工焊接合格率70%～80%相比，焊接質(zhì)量大幅提升。為進(jìn)一步驗證焊接參數(shù)的合理性和設(shè)備的可靠性，從10次焊接中分別抽取1根(共計10根)活塞桿進(jìn)行了拉斷試驗，并對斷口截面進(jìn)行了電鏡分析。其中003#活塞桿拉斷力最小，為485 kN，其余均大于500 kN(其中6根為圖1所示的左部接頭斷裂，4根為右部接頭斷裂)，滿足設(shè)計要求；通過電鏡對斷口截面分析，活塞桿斷裂是正常拉伸試驗導(dǎo)致的塑性斷裂，凝固裂紋和二次枝晶得到控制，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

圖4所示為003#活塞桿斷口形狀，通過斷口可見，焊縫熔合良好，同時從斷口部位切割試件進(jìn)行了電鏡觀測，靠近外壁區(qū)域呈剪切唇，為韌性斷裂，微觀斷口形貌為韌窩(見圖5)；對003#活塞桿斷口靠近內(nèi)壁部分區(qū)域可觀察到類似的柱狀晶組織，二次枝晶突起不明顯，深度為0.3～0.8 mm(見圖6和圖7)；活塞桿根部(鈍邊)的凝固裂紋極小，在拉伸試驗過程中，斷裂形貌整體為塑性斷裂，部分?jǐn)U展區(qū)域為脆性斷口；003#活塞桿母材金相組織為回火索氏體(見圖8)，焊縫金相組織為回火索氏體+鐵素體(見圖9)。

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)自動化焊接氬弧焊關(guān)鍵技術(shù)的攻克，實現(xiàn)了活塞桿的自動化焊接，焊接質(zhì)量和效率顯著提高。

2)自動化焊接設(shè)備的使用，減少了人為因素的影響，產(chǎn)品一次合格率顯著提高。

3)為保證焊接自動化施焊條件，焊接工藝應(yīng)充分考慮工件坡口、間隙等對自動化焊接的影響。