導(dǎo)管全位置脈沖TIG 焊電弧磁偏吹現(xiàn)象

竇希宇，高文靜，馬康，方志鈺，彭星輝

（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司,天津 300462）

0 前言

導(dǎo)管作為航天運(yùn)載器的“血管”，具有負(fù)責(zé)運(yùn)載器推進(jìn)劑加泄、輸送和增壓等作用。焊接已成為導(dǎo)管間連接的重要實(shí)現(xiàn)形式，焊縫性能的好壞將直接影響運(yùn)載器整體性能，而電弧穩(wěn)定性是接頭焊接質(zhì)量的首要條件。但是，磁場(chǎng)、氣流及電極端部不合理等各種干擾因素會(huì)導(dǎo)致電弧偏吹，使電弧燃燒不穩(wěn)定、飛濺加大、熔滴下落失去保護(hù)，嚴(yán)重影響焊縫成形質(zhì)量，產(chǎn)生未焊透、未熔合、夾渣等缺陷[1]。正常情況下，全位置脈沖TIG 焊電弧是極其穩(wěn)定的，脈沖峰值電流密度很高，電弧具有較高的挺度及指向性，同時(shí)也可以通過(guò)調(diào)整脈寬比調(diào)整電弧挺度，比連續(xù)電流電弧有更大的壓力來(lái)抵御外界干擾，避免或減少了電弧偏吹[2]。但是在焊接過(guò)程中，焊接母材或者零件帶有強(qiáng)磁性，干擾電弧周圍產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)，導(dǎo)致電弧中心偏移，仍然會(huì)產(chǎn)生電弧偏吹現(xiàn)象。因此，針對(duì)特殊要求的?14 mm×2 mm 直角通與不銹鋼導(dǎo)管對(duì)接接頭，研究了其采用全位置脈沖TIG 焊產(chǎn)生電弧磁偏吹的原因，并就偏吹現(xiàn)象提出了工藝改進(jìn)方法。

1 產(chǎn)生機(jī)理及影響分析

在焊接時(shí)，具有一定電離程度的氣體構(gòu)成焊接電弧，焊接電弧的微觀結(jié)構(gòu)由分離且有運(yùn)動(dòng)方向的正、負(fù)電荷組成，流動(dòng)電荷產(chǎn)生的電流促使產(chǎn)生沿電弧中心軸線對(duì)稱分布的感應(yīng)磁場(chǎng)，當(dāng)受周圍環(huán)境影響使對(duì)稱分布被破壞，局部的洛倫茲力過(guò)大，受力不均勻電弧軸線將偏離焊縫，與電極軸形成傾斜角度，產(chǎn)生電弧偏吹，即電弧磁偏吹[3]，如圖1 所示。在航天管路焊接中產(chǎn)生磁偏吹現(xiàn)象的原因主要包括：電流流經(jīng)工件產(chǎn)生的磁場(chǎng)，周圍環(huán)境產(chǎn)生的磁場(chǎng)，工件本身帶有強(qiáng)磁性等。

圖1 焊接電弧情況

電弧帶電是帶電粒子運(yùn)動(dòng)所致，帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)必然會(huì)受到洛倫茲力的影響，在焊接具有剩磁的導(dǎo)管時(shí)，電弧受到導(dǎo)管剩磁及電弧周圍感應(yīng)磁場(chǎng)的疊加作用，電弧受力偏轉(zhuǎn)的角度α可以通過(guò)電弧受洛倫茲力大小來(lái)確定[4]，即

式中：α為電弧在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角，（°）；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，（10-4T）；I為焊接電流，A；L為焊接電弧長(zhǎng)度，（cm）；K為常數(shù)。

從式（1）可以看出，管路剩磁越大電弧受到的洛倫茲力就越大，電弧偏轉(zhuǎn)角度越大，當(dāng)BLI＞I2時(shí)，電弧受到的合力使其運(yùn)動(dòng)趨向一側(cè)，產(chǎn)生磁偏吹。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)α＞45°時(shí)，由于管材剩磁洛倫茲力超過(guò)焊接電流自身作用力，使電弧發(fā)生嚴(yán)重磁偏吹現(xiàn)象，焊接電弧不能穩(wěn)定燃燒；當(dāng)α≤45°時(shí)，焊接電弧所受合力向某個(gè)中心偏離，焊接電弧稍有偏吹，但未破壞電弧穩(wěn)定燃燒[5]。

磁偏吹會(huì)導(dǎo)致電弧飄搖不穩(wěn)定，熔池受到不穩(wěn)定的電弧吹力，使熔池形狀不一，導(dǎo)致焊縫成形不良，甚至?xí)霈F(xiàn)未焊透、未熔合等諸多缺陷，另外磁偏吹會(huì)消弱保護(hù)氣體，使空氣中的活性氣體進(jìn)入，產(chǎn)生氣孔和夾雜缺陷[6]。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)采用尺寸為?14 mm×2 mm 的直角通與焊接接頭進(jìn)行焊接，管料為不銹鋼材質(zhì)，用于焊接的設(shè)備為MK 公司ACL 全位置焊機(jī)，試驗(yàn)共進(jìn)行2 組試驗(yàn)，第1 組為無(wú)磁焊接接頭與無(wú)磁直角通焊接3 件，第2組為無(wú)磁焊接接頭與有磁直角通焊接3 件，將2 組試驗(yàn)焊接結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

試驗(yàn)選用試件為航天運(yùn)載器的關(guān)鍵位置處焊接，由于此處位置服役環(huán)境惡劣，對(duì)焊縫質(zhì)量要求較高，原則上應(yīng)一次焊接成功。但此處焊接相關(guān)庫(kù)存零件存在磁性，焊接時(shí)易因電弧磁偏吹產(chǎn)生缺陷，希冀通過(guò)試驗(yàn)找到解決電弧磁偏吹的辦法，節(jié)約成本的同時(shí)保證焊接產(chǎn)品性能。

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

將無(wú)磁的焊接接頭分別與帶磁和無(wú)磁的直角通零件進(jìn)行焊接，焊前對(duì)焊接件進(jìn)行清理，嚴(yán)格把控焊接空間溫濕度，溫度在25 ℃上下，空氣濕度為35%，焊接時(shí)鎢極嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)焊接中心，采用同一參數(shù)焊接。

通過(guò)3 次試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，帶磁的直角通與全位置焊接接頭的焊縫存在明顯偏移，而無(wú)磁的焊縫幾乎未發(fā)生偏移，如圖2 所示。

2.2 原因分析

試驗(yàn)結(jié)果證明直角通的磁性導(dǎo)致電弧偏吹，最終焊縫偏離對(duì)接中心。為更好找出解決電弧磁偏吹帶來(lái)的影響，選擇帶磁與無(wú)磁直角通零件各2 個(gè)，送計(jì)量理化所進(jìn)行材料成分分析。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，無(wú)磁零件和帶磁零件主要化學(xué)成分基本相同，符合材料0Cr18Ni9的成分要求，材料成分見(jiàn)表1。

表1 材料成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

在帶磁與無(wú)磁直角通零件上切取試樣進(jìn)行金相觀查，無(wú)磁零件顯微組織為奧氏體孿晶組織，帶磁零件組織中存在顆粒狀δ 鐵素體，鐵素體相具有鐵磁性，如圖3、圖4 所示。

圖3 無(wú)磁零件金相組織

圖4 帶磁零件金相組織

直角通與焊接接頭在焊接時(shí)出現(xiàn)焊弧偏移現(xiàn)象，經(jīng)磁性檢測(cè)、化學(xué)成分檢測(cè)及金相組織觀察發(fā)現(xiàn)，正常零件顯微組織為奧氏體孿晶組織，零件不帶磁性；異常零件組織中存在顆粒狀δ 鐵素體，該相為鐵磁性物質(zhì)，在磁場(chǎng)的作用下就會(huì)產(chǎn)生一定的磁化強(qiáng)度。產(chǎn)生焊縫偏移接頭的直角通零件帶有鐵磁性物質(zhì)δ鐵素體，另一側(cè)氣瓶接頭無(wú)磁性物質(zhì)，在焊接過(guò)程中，帶有δ 鐵素體直角通，在電弧磁場(chǎng)作用下被磁化，同時(shí)電弧磁性體相互作用，造成電弧偏吹，電弧的有效熱輸入未能直接作用在接頭位置，最終極有可能造成焊縫局部未焊透。

3 解決方案討論

3.1 熱處理消磁法

熱處理消磁法是利用加熱使鐵磁質(zhì)材料的溫度高于其“居里點(diǎn)（磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)，鐵電相轉(zhuǎn)變成順電相引起的相變溫度，此溫度可使材料磁性消失）”的溫度，鐵磁質(zhì)材料中的磁化區(qū)域就完全消除轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ捻槾刨|(zhì)，使零件磁性完全消失，從而達(dá)到熱處理消磁效果[7]。

帶磁零件是由于奧氏體相中彌散分布有尺寸較小的顆粒狀鐵素體所致，可通過(guò)加熱到奧氏體單相區(qū)，將鐵素體溶入單相區(qū)后迅速冷卻，消除鐵素體相，從而達(dá)到消磁目的。將4 件帶磁直角通加熱到1 050～1 080 ℃，為控制熱處理變形，2 件采用空冷，2 件采用水冷，之后用吸鐵石檢測(cè)，仍帶有磁性，經(jīng)分析，該零件中鐵素體組織為在原材料熱處理過(guò)程中過(guò)熱產(chǎn)生，即熱處理溫度可能超過(guò)1 390 ℃，所以在二次熱處理即加熱到1 050～1 080℃無(wú)法消除該鐵素體，因此效果不明顯。

3.2 工藝方法改進(jìn)

文獻(xiàn)[3，8]中介紹了幾種消除和減少磁偏吹的方法，比如直流管道消磁、接地線、分段退焊等。但限于實(shí)際工作空間、焊接設(shè)備、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成本等難以進(jìn)行選擇，并且直角通零件磁性無(wú)法消除，采用以上方法往往效果不佳。為抵抗因磁偏吹對(duì)焊接質(zhì)量的影響，經(jīng)過(guò)多輪工藝試驗(yàn)，從以下兩方面進(jìn)行了工藝改進(jìn)，取得了較理想的效果：①將鎢極規(guī)格由原?1.6 mm 改為?2.4 mm，因該接頭焊接區(qū)厚度為2.5 mm，焊接電流為125 A，接近?1.6 mm 鎢極承載極限，焊接電流調(diào)節(jié)范圍受限，工藝裕度窗口較窄，在焊接發(fā)生異常時(shí)易產(chǎn)生未焊透等嚴(yán)重缺陷，因此將鎢極直徑更改為2.4 mm，增加工藝調(diào)整范圍。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在焊接電流、焊接時(shí)間、保護(hù)氣流量不變的情況下，?2.4 mm鎢極的焊縫比?1.6 mm 鎢極的焊縫成形更為飽滿、穩(wěn)定，如圖5 所示，焊縫經(jīng)X 光透視并未發(fā)現(xiàn)缺陷；②由于?2.4 mm 鎢極增大了電流的可調(diào)節(jié)范圍，在鎢極調(diào)整的基礎(chǔ)上，對(duì)全位置焊接的電流進(jìn)行了優(yōu)化，整體電流增加3%，約5 A。同時(shí)，對(duì)熄弧階段焊接時(shí)間增加，防止由于焊接電流的增大導(dǎo)致收弧過(guò)程中產(chǎn)生弧坑、裂紋，如圖6 所示。圖6(a)為僅電流增大產(chǎn)生收弧弧坑，圖6(b)為鎢極、電流、時(shí)間調(diào)整后焊縫成形狀態(tài)。通過(guò)對(duì)焊接鎢極規(guī)格的調(diào)整，焊接電流及焊接時(shí)間的優(yōu)化，焊弧發(fā)生偏移現(xiàn)象得到改善，連續(xù)焊接10 余個(gè)接頭均取得較理想的結(jié)果。

圖5 焊縫形貌

圖6 焊縫情況

4 結(jié)論

（1）直角通零件組織成分中的奧氏體孿晶組織中如果存在δ 鐵素體，會(huì)在電弧磁場(chǎng)作用下被磁化，影響焊接過(guò)程中的穩(wěn)定性，產(chǎn)生電弧磁偏吹問(wèn)題，但該問(wèn)題受δ 鐵素體占比、分布狀態(tài)、分布數(shù)量等影響，具有一定的偶發(fā)性。

（2）磁性直角通零件中鐵素體組織為在原材料熱處理過(guò)程中過(guò)熱產(chǎn)生，采用二次熱處理即加熱到1 050～1 080 ℃無(wú)法消除該鐵素體，電弧磁偏吹現(xiàn)象改善不明顯。

（3）通過(guò)工藝優(yōu)化調(diào)整鎢極、電流及時(shí)間，增加了電弧剛度，可抵抗鐵素體磁化帶來(lái)的電弧偏吹效應(yīng)，焊縫成形也更加飽滿、美觀，取得較理想的效果。