钣金圆环氩弧焊接改善技巧

2015-04-23赵月幸牟宗平

金属加工(热加工) 2015年22期

赵月幸牟宗平

1. 问题的提出

随着钣金成形制造技术的发展以及结构件轻量化、复杂化的发展趋势，极大地促进了焊接技术的发展。以航空发动机钣金为例，其制造技术是航空制造工程的重要组成部分，发动机的机匣、燃烧室等零部件都离不开钣金，因此钣金氩弧焊接也占有相当大的比重。这些钣金大多数由各种高合金钣金圆环组合加工而成，圆环单体看似简单——卷圆焊接，但要进行各种拉伸、胀型、收口或折弯成形，再经过各种焊接、热处理、冷加工等很多工序控制才能变成想要的零件（见图1）。

作为前期的焊接准备工作其圆环焊接质量的好坏，直接关系到钣金件的成形效果，甚至组装后影响到发动机的性能、安全及使用寿命，因此，钣金圆环焊接需要有一定的技巧。

2. 圆环焊接特点

航空发动机燃烧室钣金厚度以0.8～2.5mm居多，这些高温合金零件在卷圆手工氩弧焊时，经常会出现以下一些问题。

图1 燃烧室外壁

（1）焊缝前端起弧时，易出现弧坑、烧穿、微裂纹、气孔等缺陷，板厚越薄越明显。

（2）焊缝末端收弧时，存在较大的温度梯度，收弧处熔敷金属量少，易出现凹坑、微裂纹等缺陷。

（3）送丝或焊枪移动不均匀，时快时慢或中间停顿，不仅焊缝成形不美观，也易出现气孔、裂纹、局部应力集中等焊接缺陷。

（4）圆环背面氩气保护不能集中到熔池处，氧化明显，氩气气流不能随焊枪移动而自动移动，需他人协助进行保护。

（5）圆环两侧开放不能封闭，氩气散失严重，焊接成本升高，焊接环境空气不好。

3. 焊接操作注意事项

（1）钣金圆环在正式焊接前，要将每个定位焊接处用钢丝刷打光，或用丙酮、酒精等液体擦净焊件及焊丝，确保无污物。

（2）通常壁厚小于2mm的圆环可焊透，焊接处无需打磨坡口，但其截面必须清洁、无毛刺，这样会大大减少气孔的产生；而对于需打坡口的圆环，采用机械方法去毛刺及打磨表面时，应防止金属屑、砂轮粉尘和金属丝刷等物质落入坡口间隙中。

（3）钣金圆环对接处需点焊定位，不能有上下或左右错边、开缝等现象。

（4）焊接前用氩气吹焊枪及保护装置，在焊接时应提前5～10s送气，以使焊接处无空气残留；此外，在熄弧时应再通气5～10s，以防止空气进入热的焊缝。

（5）选择焊接电流很重要，应选择适中的焊接电流和偏小的焊接速度先在试片上进行试焊，调整好参数，确定焊接效果良好后方可正式焊接。

（6）在焊接时，加入引弧板和引出板，注意起弧和收弧的位置，不应在拐角的位置起、收弧。

（7）焊丝送料要有节奏，采用焊丝距熔池端面一定高度导入，使焊丝熔化后不直接进入熔池，而是在电弧区下降，起到熔滴净化去气作用，可明显减少气孔。

（8）焊接过程不要中途停焊，以避免产生裂纹。尽可能的一次焊完一条焊缝，减少接头缺陷，断弧后要继续通氩气保护直到圆环冷却到400℃以下。

（9）焊接时正面适当加大氩气流量，背面同时通充足的氩气保护，确保焊缝成形良好。

（10）采用高纯度的氩气；局部焊接加工及运输过程中严禁赤手触摸零件，戴清洁的脱脂手套以防止人为污染或烫伤、灼伤；焊后工件需做荧光及热处理，发现焊接缺陷应及时进行返工补焊。

4. 重点改进

此类圆环焊接时，由于遇到的对焊接质量影响最大的缺陷是薄板在起弧和收弧时易产生弧坑、烧穿、微裂纹、气孔等，因此常把这些缺陷作为评定产品焊接好坏的主要判据；此外，圆环背面氩气的保护也不可忽视。基于此，引弧板、引出板的应用以及圆环背面氩气保护工作将作为此类圆环焊接的重点改善项目。下面以GH3030材质壁厚为0.9mm圆环焊接为例，进行具体讲解。

（1）焊接参数的选定圆环焊接分两部分，一是点焊定位，二是手工氩弧满焊，二者之间焊接参数大体相同。

首先，点焊定位阶段：焊接圆环对接处间隙≤0.15mm，错位≤0.1mm，焊丝材质与圆环本体材质相同或性能相似，本例为HGH3030，直径为1～1.2mm，定位焊点间距20～40mm，焊接电流25～35A。

其次，手工氩弧满焊阶段：焊丝材质不变，直径仍为1～1.2mm，焊接电流25～35A，试焊时优先选择30A焊接电流和偏小的焊接速度先在试片上进行试焊，调整好参数，确定焊接效果良好后方可正式焊接，焊后荧光检查，钳工打磨焊瘤，并在1050℃真空炉内退火5～10min去除焊接应力。

（2）引弧板、引出板的应用引弧阶段因为电流不稳定，工件瞬间局部加热，周边存在很大的温度梯度，焊接工件容易引起较大焊接内应力变形或熔穿，从而出现焊接缺陷，如果在焊弧稳定之前圆环焊接加入引弧板（材质与圆环本体材质相同，即GH3030，如图2所示），将引弧过程放在工件以外，可有效控制焊缝质量；同理，工件在焊缝末端也存在因焊接停顿或收弧熄弧引起的温度梯度的现象，加入引出板（材质GH3030），可改善末端部位的温度场，合理控制收弧时间，将收弧时的熔合不良、缩孔、气孔、夹渣和裂纹等缺陷引到工件外，圆环本体焊缝不受影响。焊接后效果如图3所示。

待工件冷却后，采用大力剪剪除或砂轮片切除的方法去除引弧板和引出板，切除处需磨平处理，切记严禁使用敲击的方法去除材料，以免因敲击产生附加微小裂纹、敲痕等缺陷，端部一旦产生裂纹、敲痕后，后期钣金冲压、胀型时整条焊缝非常容易被撕裂。

（3）背面氩气保护工装的设计为更好的防止焊接件被空气氧化或氮化，薄壁焊接件背面通常需进行气体保护（见图4）但开放的钣金圆环直径大小及宽窄不一受焊接工装成本的影响，不适合做如此大的封闭工装来填充惰性气体，如果按传统的焊接方法，背面放置一根氩气管，氩气流不能自动跟随焊枪移动而集中到熔池位置处进行有效保护，氩气也白白浪费；若增加人手进行背面气体移动跟踪保护，无形中又增加了不必要的人工成本。因此，圆环焊接还是需要设计一种既经济实惠又灵活实用的背面氩气保护工装来解决上述问题。

钣金圆环虽有大有小、有宽有窄、有薄有厚，但总体焊接特点是只有一条或两条纵向焊缝，因此在考虑工装设计时，没必要将整个圆环封闭填充氩气，只需在焊缝周围形成稳定的保护气层即可，也就是说尽量压缩工装封闭体积，减小气体扩散空间，设计大小圆环通用工装（见图5），图5的氩气保护工装原理，是利用工装细长的“V”形槽结构和圆环内表面形成一个半封闭空间，氩气通过“V”形槽上的孔系排出，根据圆环的宽度，灵活调节孔系个数，用圆棒压在孔上即可，使之气体覆盖圆环背面整条焊缝，进行充分气体保护，这样一来既能有效节约气体消耗，又能达到气体保护效果，工装实物如图6所示。