锁底结构VP-TIG焊缝未焊透缺陷返修工艺

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（上海航天设备制造总厂，上海 200245）

0 前言

未焊透缺陷对焊缝质量影响显著，其产生原因复杂多变，有时在焊接参数输入正常的情况下仍会出现。从静力学方面分析，未焊透相当于减薄理论板厚，降低焊缝的受力面积；从断裂力学方面分析，未焊透与裂纹同属线性缺陷，应对未焊透处进行返修操作，返修通常是从焊缝背部对应部位局部打开，随后由背部进行手工TIG焊，以实现焊缝的全焊透[1-3]。上海航天设备制造总厂某运载型号铝合金箱体的壳段-单底焊缝采用VP-TIG焊接方法，焊缝需承受内压力考核。焊缝结构形式为锁底结构（见图1）[4-5]。此结构为对搭接结构，结构形式限制焊漏使其仅沉入锁底槽内，而无法沉出被焊工件。因此当焊缝出现未焊透缺陷时，无法采用常规返修手段进行返修操作，而正面完全打开焊缝易降低焊缝性能，给焊缝的承受内压能力带来考验。因此针对锁底未焊透缺陷的返修操作进行研究，探索合适的返修工艺方案，为后续产品类似缺陷的返修提供技术基础。

图1 锁底结构示意

1 试验及方法

（1）试板制备。

试验所用试板材料与产品材料保持一致，均为2A14-T6铝合金，锁底焊缝的对接部分试板厚度为3 mm、锁底部分试板厚度为8 mm，尺寸为300 mm×100 mm。试验采用VP-TIG焊，焊接设备为Jet-line 9900自动焊接设备。锁底试板正式焊接参数见表1。同时为获得未焊透的锁底试板，需在正式焊接参数的基础上降低焊接电流，降低量为20 A。

表1 正式工艺参数

（2）分析方法。

对2种锁底结构焊缝中X射线检测时底片存在局部线状成像的焊缝进行机加工，即利用线切割解剖X射线底片中存在黑线影像的焊缝，截取金相试样。

按照GB2651-2008《焊接接头拉伸实验方法》将焊接接头切割成为标准试样，在SANS-CMT5105型电子万能试验机上进行拉伸实验，试验条件为：加载载荷10 kN、加载速率2mm/min。采用HXS-1000A型显微硬度计测试焊接接头各个区域的显微硬度，加载载荷50 g，加载时间15 s。

所截取的金相试样经1～5号金相砂纸研磨、氧化铝抛光后，使用混合酸（1%HF＋1.5%HCl＋2.5%HNO3+95%H2O）溶液腐蚀，在光学显微镜下观察焊接接头的微观组织。利用扫描电镜观察拉伸断口形貌。

2 试验结果和分析

2.1 试验方案确认

熔化焊缝的返修过程中，若返修热输入过大会使得原焊缝晶粒粗化，性能明显下降，因此需注意控制返修焊接的热输入量。同时焊缝存在未焊透缺陷，返修焊接过程中焊接电弧需穿透焊透，实现补焊，因此焊接电弧的穿透力要强。

基于焊接电弧穿透力强、焊接热输入小的需求，返修焊接过程中应控制氦气比例、频率及占空比，通过提升上述因素增大焊接电弧的穿透性，降低焊接电流以降低焊接热输入。结合3～8 mm锁底环焊缝正式焊接的工艺参数匹配情况，制定返修工艺参数匹配如表2所示，并完成试板的焊接。

表2 返修工艺参数

采用上述参数匹配获得的焊缝表面成形情况、焊接过程中电弧的稳定性情况，确认不同保护气比例下的频率、占空比、焊接电流、焊接速度的最佳匹配如表3所示，用于后续的锁底试板焊接。

表3 工艺参数窗口确认

2.2 力学性能测试

截取不同保护气比例下的频率、占空比、焊接电流、焊接速度最佳匹配的焊缝力学性能试样，并开展常温拉伸试验，力学性能测试结果如表4所示。

由表4可知，返修焊缝（编号1、2、3）的抗拉强度较正常焊接未返修焊缝（编号4）的抗拉强度有一定的降低，最大降低8%、最小降低3.4%；但因再次受热的影响，焊缝的延伸率有一定的提升。

表4 力学性能测试结果

2.3 微观组织分析

采用光学显微镜观察焊缝的微观组织，重点观察补焊焊缝的熔合线和热影响区情况。熔合线微观组织如图2所示，焊缝熔合线处存在典型的柱状晶，组织相对较均匀；同时热影响区组织未发生明显粗化，晶粒与母材晶粒尺寸基本接近。

2.4 返修试验小结

根据未焊透锁底试板返修后的内外部治理、力学性能测试结果及微观组织，确定返修的工艺方法及具体的工艺参数匹配，如表5所示。

表5 工艺参数窗口确认

3 结论

（1）采用 70%氦气、频率200Hz、占空比82%、电流160A、速度150mm/min时，返修焊缝的抗拉强度最优，较未返修焊缝的抗拉强度仅降低3.4%；但因再次受热的影响，焊缝的延伸率有一定的提升。

（2）返修热输入控制良好，焊缝熔合线处存在典型的柱状晶，组织相对较均匀；热影响区组织未发生明显粗化。

图2 补焊焊缝熔合线微观组织

（3）最佳工艺参数可用于具体产品的返修操作。

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