楊軍良，吳海麗，李臣達，吳春德，馬殿響，白 晨，焦新平

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046012)

在工程及武器裝備領(lǐng)域，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的局限性，塞焊縫在薄壁組焊中使用非常廣泛，焊縫質(zhì)量要求較為嚴格。為了保證焊縫質(zhì)量，應(yīng)對焊縫表面進行磁粉檢測，不允許出現(xiàn)裂紋、未熔合等焊接缺陷。在實際產(chǎn)品焊接過程中，由于對塞焊技術(shù)研究較少，參考文獻較少，焊接之后多數(shù)焊縫表面出現(xiàn)了大小不一、數(shù)量不等的裂紋及未熔合等缺陷，部分裂紋甚至延伸至母材，嚴重影響了產(chǎn)品的正常使用，為后期產(chǎn)品服役帶來了安全隱患。

裂紋作為危害性最大的一種缺陷，對產(chǎn)品的抗拉強度有著致命的影響，這種影響隨其所占截面積的增加而增大；同時，裂紋尖端還會導(dǎo)致應(yīng)力集中，促使產(chǎn)品中裂紋在低應(yīng)力下擴展甚至開裂。這種缺陷為后期的使用埋下了安全隱患，是不允許出現(xiàn)的。

本文通過對塞焊縫的結(jié)構(gòu)特點、塞焊縫質(zhì)量影響因素進行分析，著重從改進塞焊孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、優(yōu)選焊接工藝順序和改善焊接環(huán)境溫度等方面入手[1]，開展了大量工藝試驗改進研究，總結(jié)出了一套較為完整的焊接規(guī)范，并對焊接環(huán)境進行改善，徹底解決了產(chǎn)品塞焊縫焊接質(zhì)量難以保證的問題。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及工藝分析

以某產(chǎn)品為例，其三維圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大多由左右立板、前后立板、上下蓋板以及內(nèi)部隔板組成，屬于變截面、開放式的箱形結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品長約3 m，材料為HG785D高強板，厚度主要有4、6和8 mm，焊縫形式多樣，且焊縫分布密集。

圖1 產(chǎn)品三維圖

圖2 產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于該類產(chǎn)品多為薄壁件組焊，在保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度前提下，為了減小焊接變形，上蓋板大量采用了塞焊形式，數(shù)量達150多條。高強板的特點是結(jié)構(gòu)剛度大、焊后應(yīng)力集中嚴重、焊接性較差和易產(chǎn)生裂紋[2]，而且焊后對焊縫表面粗糙度要求較高，后期需要打磨光滑、平整焊縫，因此余高不宜太高，同時還應(yīng)保證塞焊孔四周母材與焊縫熔合良好；但狹窄的塞焊槽對焊工操作局限性較大。

各塞焊孔均為槽形孔，縱向塞焊孔長為75 mm，環(huán)向塞焊孔長為58 mm。弧板厚度為6 mm的塞焊孔寬度為6 mm，下方隔板厚度為4和6 mm?；“搴穸葹?0 mm的塞焊孔寬度為8 mm，下方隔板厚度為8 mm。塞焊孔窄而長，下方隔板厚度小。

按照裂紋出現(xiàn)的形式、位置、時間以及焊接過程，從塞焊孔結(jié)構(gòu)、焊接工藝參數(shù)、焊接順序、焊接應(yīng)力、焊接材料、操作人員和焊接環(huán)境溫度等影響塞焊質(zhì)量的各個環(huán)節(jié)進行了詳細的梳理分析和研究，認為導(dǎo)致問題出現(xiàn)的因素主要有塞焊孔結(jié)構(gòu)不合理、焊接工藝參數(shù)選取不當、焊接順序不優(yōu)化和環(huán)境溫度較低等4個方面。

2 工藝改進研究

2.1 塞焊孔結(jié)構(gòu)改進研究

經(jīng)相關(guān)資料查詢及理論分析研究認為[3]，塞焊一般適合12 mm以上的板厚，且塞焊孔寬度為板厚的1.5倍以上。若板厚較小且塞焊孔狹窄時，應(yīng)在塞焊孔周邊設(shè)置坡口，以保證坡口側(cè)焊縫與母材之間的良好熔合。因此在塞焊孔設(shè)計時，可將槽形塞焊孔兩端部位用角磨機制成30°～60°坡口(見圖3)，焊接時，焊槍易于到達焊縫根部，與坡口側(cè)的焊接角度易于調(diào)整，還可有效控制焊接過程中熔融金屬上涌，促進液態(tài)金屬向四周根部流動，保證焊縫根部有效熔合，從而避免了塞焊中可能出現(xiàn)的根部未焊透、坡口側(cè)未熔合等缺陷。

圖3 坡口示意圖

此外，塞焊是疊合板之間的一種連接方式，為了防止焊接過程中由于隔板厚度較小，造成的焊縫根部熔合不良或未熔合，在隔板兩側(cè)均增加了厚度為4 mm的過渡板，使塞焊焊縫的根部與隔板邊緣分離。

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化研究

為了獲取更加優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，投入焊接試驗件進行了焊接試驗。試驗件由上、下兩弧板及相應(yīng)隔板構(gòu)成。上弧板開制塞焊孔，上弧板厚度、塞焊孔分布及大小均按產(chǎn)品原樣進行開制(見圖4)；下弧板上焊有縱向隔板與環(huán)向隔板；縱向隔板為3列，板厚分別為4、6和8 mm，環(huán)向隔板為3行，板厚分別為4、6和8 mm。

圖4 試驗件結(jié)構(gòu)

采用不同階梯電流進行焊接，焊后對焊縫外觀質(zhì)量進行對比，并對焊縫進行磁粉檢測發(fā)現(xiàn)，焊接電流在一定范圍內(nèi)，隨電流的遞增，裂紋、未熔合等缺陷出現(xiàn)的數(shù)量明顯呈下降趨勢[4-7]。通過進行大量焊接工藝試驗，并對焊接效果進行綜合對比分析，總結(jié)出一套較優(yōu)的塞焊縫焊接工藝參數(shù)(見表1)。

表1 優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)

2.3 焊接順序優(yōu)選研究

為了有效控制焊接變形，減少焊接殘余應(yīng)力[8]，本試驗采取了2名焊接操作人員從中間對稱向兩邊延伸的焊接方法，各塞焊孔均采用打底焊+蓋面焊(2層焊接)，并在所有打底焊均完成后再進行蓋面焊，即先焊中間所有塞焊孔，只焊打底層，并逐步向兩邊延伸，等所有塞焊孔焊完打底層時再返回到中間將塞焊孔焊滿，逐步向兩邊延伸，直至焊完。焊接順序示意圖如圖5所示。

圖5 焊接順序示意圖

2.4 環(huán)境溫度改善研究

在實際焊接中，環(huán)境溫度對焊接質(zhì)量有很大影響，適當提高環(huán)境溫度、減緩冷卻速度更有利于防止裂紋的產(chǎn)生。為了保證焊接之后塞焊縫質(zhì)量，避免在冬季較冷環(huán)境中焊縫焊后急劇冷卻產(chǎn)生裂紋，在焊接過程中，在托架四周布置6臺反輻射加熱器，將焊接環(huán)境溫度控制在18 ℃以上，使焊接過程處于一個較溫和的干燥環(huán)境中，焊后迅速采用石棉布覆蓋焊縫以達到保溫緩冷效果，使焊縫緩慢均勻冷卻，避免快速冷卻引起液態(tài)金屬凝縮太快產(chǎn)生裂紋，以及焊縫中的氣體來不及逸出產(chǎn)生氣孔等缺陷。

3 實施效果

綜合運用上述焊接工藝規(guī)范以及對外部環(huán)境溫度的改善，進行了產(chǎn)品塞焊縫焊接，結(jié)果焊縫外觀成形良好、光滑平整，并對焊縫進行了100%磁粉探傷檢測，結(jié)果顯示未出現(xiàn)未熔合、氣孔、夾渣和裂紋等缺陷。經(jīng)確認后的焊接方法及參數(shù)已經(jīng)用于產(chǎn)品焊接并獲得了預(yù)期的效果。磁粉探傷檢測產(chǎn)品如圖6所示。

圖6 磁粉探傷檢測產(chǎn)品

4 結(jié)語

通過塞焊孔結(jié)構(gòu)改進、工藝參數(shù)優(yōu)化、焊接順序優(yōu)選和環(huán)境溫度改善等研究，成功解決了HG785D高強鋼產(chǎn)品塞焊質(zhì)量差的問題，焊后焊縫外觀光滑平整、成形良好，經(jīng)過磁粉檢測結(jié)果表明，表面未出現(xiàn)微觀裂紋、氣孔等缺陷。該項技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于產(chǎn)品批量生產(chǎn)中，獲得了滿意的效果。研究成果的應(yīng)用在提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量、縮短研制周期以及降低產(chǎn)品研制成本等方面具有非常重要的實際意義和經(jīng)濟價值。該工藝為其他塞焊縫焊接提供了技術(shù)參考。

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