高温合金导管全位置自动焊接工艺

（四川航天长征装备制造有限公司，四川成都 610100）

0 前言

随着焊接工艺技术水平的不断提高，自动焊工艺将逐步取代手工焊工艺。导管焊接对焊接技术和产品质量提出了严格要求，传统手工氩弧焊劳动强度高、生产率低、焊接质量不稳定，因此采用全位置导管自动焊工艺方法代替手工氩弧焊接成为必然[1-2]。

1 试验条件

试验材料为GH1140高温合金管材φ7 mm×1.5 mm、φ6 mm×1 mm（见图 1），试件长度 200 mm；GH1131高温合金接头φ7.5 mm×1.75 mm、φ7mm×1.5 mm。试验设备为ORBIMAT 165CA全位置自动焊机和ORBIWELD 19管焊钳[3-4]。

图1 高温合金导管

2 工艺试验

2.1 试验分析

GH1140和GH1131高温合金是固溶强化的铁镍基变形高温合金，具有中等热强性和良好的热疲劳性能、组织稳定性及焊接性能，适宜于制造850℃以下的高温部件。

ORBIMAT 165CA全位置自动焊机是一款紧密型焊接系统，如图2所示，包括焊接电源、焊接控制部分、完备的水冷系统、内置打印机和操作控制元件以及先进的电气装配。焊机体积小巧、质量轻便（24 kg），可以所有单相电（90～260 VAC，50/60 Hz）相连，具有参数分段设置和调节功能，电流调节范围1～165 A。ORBIWELD 19管焊钳为封闭式，不能填加焊丝，如图3所示。

图2ORBIMAT 165CA全位置自动焊机

图3ORBIWELD 19管焊钳

GH1140和GH1131高温合金产生的焊接缺陷主要有两种：一是焊缝未熔合；二是由于焊钳无法填加焊丝，在焊接时大电流焊缝表面会出现凹陷，小电流会出现未焊透。未熔合和未焊透对焊缝质量的影响均很大。未熔合是一种面积缺陷，坡口未熔合和根部未熔合对承载截面积的减小影响均非常明显，应力集中较严重，其危害性仅次于裂纹。未焊透的危害之一是减少了焊缝的有效面积，降低接头强度；其次，未焊透引起的应力集中严重降低焊缝的疲劳强度，其危害较强度下降大得多。此外，未焊透可能成为裂纹源，是造成焊缝破坏的重要原因。为防止产生以上两类缺陷，在此分析其产生的原因[5]。

2.1.1 未熔合

未熔合是焊接时焊缝金属与母材之间或焊道金属和焊道金属之间未完全熔化结合的部分，按其所在部位分为坡口未熔合（侧壁未熔合）、层间未熔合（焊道之间未熔合）和根部未熔合三种，产生原因为：（1）焊接电流过小；（2）焊接速度过快；（3）钨极对中不对；（4）产生了弧偏吹现象；（5）焊接处于下坡焊位置，母材未熔化时已被铁水覆盖；（6）母材表面有污物或氧化物影响熔敷金属与母材间的熔化结合等。

采取措施如下：（1）由于全位置自动焊机对零件装配质量要求十分苛刻，因此焊前必须对试件进行平端面加工，保证管子端面与其轴线垂直；（2）保证焊接时调用程序正确；（3）零件装配错边小于等于0.1 mm；（4）焊前必须用刮刀清理待焊区域的毛刺和油污等；（5）零件在酸洗后24 h内焊接完成；（6）焊接操作时焊工必须戴洁净的白手套。

2.1.2 未焊透或焊缝凹陷

未焊透是焊接时接头的根部未完全熔透的现象，按坡口形式分为单面焊未焊透和双面焊根部未焊透。本试验为无背衬单面焊接，产生的未熔合应为单面焊未焊透，产生原因为：（1）焊接电流小，熔深浅；（2）对缝间隙尺寸不合理，根部间隙太小；（3）钨极对中不对及磁偏吹影响电弧对根部的熔化；（4）钨极直径过大，造成焊根无法焊透；（5）焊缝反面未通氩气保护；（6）钨极高度过大。

采取措施如下：（1）氩气纯度为99.999%，氩气瓶压力不得低于3 MPa；（2）零件装配间隙小于等于0.1 mm；（3）在等壁厚焊接时保证钨极对中度小于等于0.1mm，在不等壁厚焊接时保证钨极偏厚侧0.4～0.6 mm；（4）钨极直径 φ1.6 mm，端部角度 22.5°；（5）焊接时正反面必须通氩气保护；（6）钨极距离母材的高度为1.1 mm。

焊缝凹陷是指焊缝低于母材的现象，QJ2865A-2014《导管焊接技术要求》中Ⅰ级对接接头的焊缝凹陷应不超过较薄导管壁厚的10%，焊缝凹陷的主要原因是焊接电流偏大，在无填丝自熔式全位置自动焊时很容易出现。采取措施为：在保证零件焊透的情况下，适当减小焊接电流，并在盖面焊接过程中采用快速度、小电流，通过熔池自身重力及熔池表面张力保证焊缝凹陷不超差。

2.2 焊接分段及参数分析

全位置自动焊接程序的分段应考虑到熔池所在位置及管钳和工件的热积累。电弧对焊件的加热速度大于焊件的散热速度，使热量积聚，最终导致焊接熔池失稳。因此在导管对接的全位置焊接过程中，为保持熔池形态稳定，即使得熔池的表面张力与重力平衡，必须适当控制电弧能量。方法为：除采用脉冲电流外，还应分区段程序控制各焊接参数。在保证焊透的情况下，熔池越小，熔池重力对焊缝成形的影响越小，因此焊缝分段数不宜太少，否则一个分段上焊缝熔宽不同，会造成焊缝成形不均匀。各段的焊接参数应根据热积累和焊缝位置确定，特别注意避免起弧时温度低造成的未焊透和收弧时温度高造成的焊缝凹陷。在管管对接全位置焊中，为使焊缝在整个圆周内成形均整，主要焊接参数（焊接电流、焊接速度）应按预先设计的逻辑程序进行编程，并分区段程序控制起弧和收弧阶段，程序控制焊接电流递增或衰减。

通过大量工艺试验确定的工艺参数如表1所示。

表1 GH1140+GH1131 φ7 mm×1.5 mm导管焊接工艺参数

结果表明，该工艺参数可获得较为理想的焊缝成形。

2.3 工艺措施

对于高温合金，在无背衬自熔式全位置自动对接焊时采用反面通保护气的方法十分重要。焊缝背面通充足的保护气，并在导管出气端增加开口堵塞，保证导管内部有一定正压，防止空气回流，具有以下作用：（1）保护背面焊缝不被氧化；（2）防止焊缝正面凹陷；（3）改善焊缝反面成形。

2.4 试验结果及分析

本研究所有工艺试验件均通过外观检查、X射线检测、内窥检查、着色检查、液压气密试验，一部分导管进行拉伸试验，一部分导管进行剖切金相组织分析[6-8]。通过制定及实施工艺措施，克服了焊缝出现凹陷超差的情况，且焊缝宽度均匀，焊漏均匀、成形良好，焊缝外表面无裂纹、气孔、夹钨、夹杂等缺陷，经X射线检测及剖切后宏观观察，焊缝内部无未焊透、未熔合等焊接缺陷。通过对导管进行液压、气密试验可知，导管在设计液压压力17MPa时，保压3min，气密压力11 MPa，保压3 min，焊缝均无任何变化，而实际试验压力远大于导管工作压力，具体如表2所示。

根据GJB2297A-2008《航空用高温合金冷拔（轧）无缝管规范》，GH1140的抗拉强度应大于等于635 MPa，及QJ2865A-2014《导管焊接技术要求》Ⅰ级对接焊缝应不低于母材技术条件规定的材料抗拉强度下限值的90%，即571.5 MPa，实际拉伸强度均大于标准要求强度值，导管断裂部位部分在热影响区，部分在母材上，具体如表3所示。

表2 液压气密试验

表3 拉伸试验结果

沿导管焊缝轴线剖切后分析其金相组织，无裂纹、夹杂、未熔合、疏松等缺陷，焊缝组织晶粒细小，如图4所示。

图4 金相组织

3 结论

（1）采用ORBIMAT 165CA全位置自动焊机焊接高温合金导管必须进行严格的过程控制：焊前清理，平端面，去毛刺，并且要求焊缝反面通氩气保护，装配时保证钨极对中要求，以获得良好的焊缝质量。

（2）GH1140+GH1131 φ7mm×1.5mm 导管等壁厚焊接采用打底焊+盖面焊的工艺方式和反面通充足氩气保护，并在导管出气端增加开口堵塞，保证导管内部存在一定正压，防止空气回流，避免焊缝成形时出现凹陷缺陷，焊缝机械性能达到GJB2297A-2008《航空用高温合金冷拔（轧）无缝管规范》及QJ2865A-2014《导管焊接技术要求》的要求。