结构钢熔化极混合气体保护自动化焊接工艺研究与应用

余 刚，宋 洁，傅仁科，肖 熙

（航空工业洪都，江西 南昌，330096）

0 引言

近年来随着一些新材料、新结构、新工艺在航空工业中不断广泛应用，焊接连接技术已成为航空制造业中重要的连接方法之一[1]。某型号舱体（如图1所示）广泛采用了手工电弧焊的焊接工艺方法。该方法不仅焊接速度慢,而且焊后零件尺寸变形量较大,焊缝质量难以保证。采用熔化极混合气体保护焊焊接是比较理想的一种工艺方法。

图1 某型号舱体

熔化极混合体保护焊技术是一种新型的焊接连接技术，该方法利用(Ar+CO2)系列混合气体作为保护气体，焊丝本身为电极，并且由于焊接时焊丝较细、电流密度大、电弧穿透能力强、熔深大及熔敷率高等特点，可以减小坡口角度,增加钝边厚度，降低焊接应力与变形，焊缝成型美观，飞溅少。与传统手工焊条焊相比，熔化极混合体保护焊技术操作简便、生产效率高、成本低，是唯一能适用于各种规格的材质及焊接条件的全位置焊接工艺[2-3]。

1 焊接工艺性可行性分析

保护气体特性、混合种类与混合比对焊接过程会产生重要影响，不同保护气体或不同的混合比例，在焊接过程中有不同的表现与作用[4]。

熔化极Ar+CO2混合气体保护焊，即在富Ar气体中加入氧化性气体CO2，使得在焊接过程中同时具有氩弧焊和二氧化碳焊的优点，可以使电弧燃烧更稳定，并能减少液态金属的表面张力，有利于金属熔滴的细化。随着混合气体中CO2含量的增加，焊接热输入也随之增加，母材熔深增加，焊丝熔化系数提高，熔化区域增大，熔池流动性增加，熔化区域的形状更加平坦，焊缝美观，生产效率高[5],并且在保护气体中Ar的含量高时，产生气孔的倾向增加[6]。因此采用熔化极Ar+CO2混合气体保护电弧焊可以有效解决用单一的Ar或CO2气体作为保护气体的电弧焊存在的各种问题。

西安航天发动机厂的郭会民等在对16MnR低合金钢进行熔化极混合气体保护焊焊接试验时，选用80%Ar+20%CO2富氩混合气体作为保护气体、H08Mn2SiA焊丝作为填充材料。通过试验分析得到了最佳的焊接工艺参数，并且接头的各项力学性能指标均高于标准规定的下限值,焊缝的使用性能良好,可保证产品焊接质量[3]。

2 焊接工艺试验开发研究

2.1 试验材料和焊接设备

为了保证试验结果的一致性，本试验采用实际零件作为焊接试样，材料为航空用20#碳素结构钢，材料厚度σ20mm，该材料是一种优质低碳碳素钢，其化学成分除含有C元素和为脱氧而含有一定量Si、Mn元素外，不含其它合金元素。其化学成分和机械性能见表1、表2。

表1 20#碳素结构钢的化学成分(%)

表2 20#碳素结构钢的机械性能

按照HB5299标准相关要求，为了保证焊接接头相关质量要求，本试验焊接时选用的焊丝为航空结构钢用焊丝H18CrMoA，直径为φ1.2mm，其化学成分见表3。焊接试验所用的保护气体为：（75%）Ar+（25%）CO2（流量比），其中氩气纯度≥99.99%和二氧化碳纯度≥95.5%。

表3 H18CrMoA焊丝的化学成分(%)

本试验中，对20#碳素结构钢熔化极混合气体保护自动化焊接所采用的试验设备由焊接电源、送丝机构、焊接工装夹具、保护气系统、水冷系统、遥控及焊枪组成。焊机型号为：OTC公司生产的CPVE 500Ⅱ型号焊机、混合气体配比器型号：293MX-50-C50AR。

2.2 试验方法和过程

本试验自动化焊接流程如下：试样坡口加工→焊丝和试样表面清理→试样装夹→气体配比→参数设置一实施焊接一焊接检验，其中焊接电流、电压和焊接速度是重要的焊接参数。

2.2.1 接头坡口设计

接头坡口设计应使焊枪喷嘴与焊缝根部之间间隙适宜,因为间隙过小会影响飞溅飞出并堵住焊枪喷嘴从而影响保护气体的保护效果，间隙过大会影响保护气体的保护效果和焊缝根部熔透率,并且焊接过程中保护不当会使焊缝生成大飞溅和气孔等缺陷。又由于熔化极混合气体保护焊焊丝较细,电流密度大,热量集中,电弧穿透能力强,熔深大。由于实际零件为筒形件结构，零件尺寸大、质量较重，为了方便零件焊接装夹，故零件接头结构采用锁底焊接头方式，配合方式采用过盈配合，坡口结构见图2。

图2 焊接接头坡口形式

2.2.2 试片焊前清理

试片焊前对试片进行喷砂处理，去除零件表面油污、铁锈等污染物。

2.2.3 焊接规范参数的选择

在熔化极混合气体保护焊中，主要焊接规范参数有焊接电流和电压、焊接速度、气体流量、焊丝牌号和直径以及焊丝伸出长度等。

为了满足焊缝设计强度要求，本试验采用了强度较高的H18CrMoA焊丝作为接头填充材料。与H08Mn2SiA焊丝相比，H18CrMoA焊丝成分中缺少对氧亲和力比铁大的Mn、Si元素作为脱氧剂,在焊接过程中，熔池中的FeO与C元素按照方程FeO+C=Fe+CO发生还原反应生成CO气孔,由于该化学反应在熔池结晶温度时发生得比较剧烈,且此时熔池已开始凝固,CO气体不易逸出,因此焊缝中易形成CO气孔。

Ar+（21%~25%）CO2保护气体现已常用于低碳钢的焊接，该混合气体特别在厚板大电流情况焊接时，电弧稳定，焊缝成形美观，熔池易于控制，且生产效率高[7]。在富氩的保护气体下焊接时，选用较高的电流和相应的电弧电压可以获得无飞溅的喷射过渡，选用低电流和低电压可实现短路过渡。射流过渡时电弧呈铅笔锥状，焊丝熔化时形成连续的细状熔滴金属在电磁力和等离子流作用力的作用下沿电弧轴线高速流向熔池，过渡频率较高，使焊缝中心部位形成大且呈指状的熔深，该熔深不利于气体的逸出。再加上焊接母材较厚、接头采用的是V型坡口形式，也不利于CO气孔的逸出，在焊缝根部容易产生气孔。短路过渡时焊丝熔化后端部的熔滴与熔池短路接触，在电磁力和电弧弧柱高温作用下，使其爆断，直接向熔池过渡的过渡方式。该过渡方式提高了熔池金属的流动性，降低了焊缝金属的表面张力和粘度，使熔池中的气体易于上浮排出，常用于薄板及厚板根部打底层的焊接[8]。且焊接时射流过渡电弧稳定，飞溅量少，焊缝成形美观。短路过渡时焊缝成形较好，但飞溅较大且多，熔渣也较多。

由于本试验焊接试片材料较厚、坡口角度较大且为环形焊缝，因此本试验采用了多层多道焊焊接方法，即采用短路过渡打底焊和喷射过渡盖面焊的焊接方法，并且在焊接过程中为了防止熔化金属流淌，保护焊缝的正常成形将焊枪逆零件旋转方向偏移一定距离，详见图3所示，其具体焊接工艺参数见表4。

图3 焊枪与零件装夹方式

3 焊接工艺评定

3.1 焊缝目视检查结果

焊接结束后，试样焊缝表面鱼鳞纹均匀细密，焊缝成型美观、变形量小，焊缝余高、宽度均匀一致，表面飞溅极小且易于清理，未发现咬边现象且向母材圆滑过渡，符合相关HB和GJB焊接接头质量控制标准。

3.2 焊缝X光探伤检查结果

焊后对试样焊缝100%X光检查发现，接头内部质量符合相关HB和GJBⅡ级焊缝X光检查标准要求。

3.3 焊缝力学性能检查结果

焊缝X光检查合格后，按照相关HB和GJB标准对接头切取了3件试样进行了机械性能试验。结果显示试样均断裂在远离热影响区的母材位置，接头抗拉强度σb分别为：487MPa、484 MPa和489 MPa，均高于母材和相关HB、GJB要求的下限值强度，接头的焊缝质量和使用性能良好。

3.4 焊接的可操作性

焊接操作过程中，熔化极混合气体保护自动化焊接操作简便、劳动强度低，焊接工作效率为焊条电弧焊的3～4倍。

4 结论

1）熔化极混合气体保护焊保护气体对焊缝力学性能表面成型有重要影响，正确选择保护气体种类、混合种类与比例和气体流量，对于熔化极气体保护焊至关重要。

2）焊接电流的大小对熔滴过渡形式起决定性的作用。熔化极混合气体保护焊在富氩的保护气体下焊接时，选用较高的电流和相应的电弧与电压可以获得无飞溅的喷射过渡，选用低电流和低电压可实现短路过渡，当熔滴以滴状形式过渡时，焊接电流的大小应控制在细滴状过度的范围内，否则会产生较大的飞溅。

3）在熔化极气体保护焊中，电弧电压是重要的焊接参数，它决定了熔滴过渡的形式和焊接过程的稳定性，电弧电压与所选用的焊接电流之间存在着较严格的匹配关系，对于一定的电流范围，对应一定的电压范围。

4）熔化极混合气体保护自动化焊接时，采用短路过渡形式打底焊和喷射过渡形式盖面焊的焊接方法可以得到表面成形美观和接头力学良好的焊接接头。

5）熔化极混合气体保护自动化焊接适用于厚板低碳碳素结构钢环形焊缝焊接，焊缝接头力学性能满足相关航标要求，可推广应用于筒形件零件的焊接生产中。