馬軍，王學朋，戚延澤，李虎生，湯洪淝

(1.吳忠儀表有限責任公司，寧夏回族自治區(qū) 吳忠751100；2.哈爾濱工業(yè)大學,先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 前言

隨著人們?nèi)找嬖鲩L的生活條件，工業(yè)制品、航空航天、汽車、船舶等多個方面都有著長足的進步。它與人們的生活逐漸相關，例如用于水管和液化石油氣爐的減壓閥，各種機械設備，例如內(nèi)燃機、壓縮機、氣動變速箱、泵、波壓變速箱、車輛，船舶和其他機械設備不可缺少的組成部分。通常，用于含有腐蝕性的液體的閥門用塑料、不銹鋼、耐蝕合金(如銅鎳鉬合金、鈦合金和鉛合金等)或用鑄鐵等耐蝕材料制造。球閥在管道上主要作用為切斷、分配和改變介質流動方向。在正常生產(chǎn)中，由于球閥內(nèi)部的焊接質量需求，通常采用傳統(tǒng)的TIG焊接方法，但是傳統(tǒng)的手工焊接方法往往被球閥的內(nèi)部結構、焊接位置、焊接工藝等各種因素影響了焊后焊縫的質量和性能，并且經(jīng)常打開和關閉閥門，切換高壓和低壓，并且交替從高溫到低溫的時間等，還需使球閥焊接位置具有一定的硬度要求。最重要的是焊接空間比較狹長，尋常的焊接方法難以達到所需施焊的焊接位置，所以效率也相對較低。為了提高球閥焊接效率及焊接質量，哈爾濱工業(yè)大學先進焊接與連接國家重點實驗室研制一種適用于球閥內(nèi)小空間焊接的TIG焊槍焊接316不銹鋼球閥，且制定了可行的焊接工藝[1]。

1 試驗材料及設備

球芯直徑240 mm，孔口直徑150 mm，孔口高度190 mm，質量30 kg，球心及閥體材質見表1。試驗材料不銹鋼板材是厚度為4 mm的022Cr17Ni12Mo2，不銹鋼焊絲選擇316L不銹鋼焊絲，焊絲直徑為φ0.8～φ1.6 mm，主要力學性能見表2。由于焊接的內(nèi)部空間特別狹小，需要設計能夠進入球芯內(nèi)部且具備自動送絲功能的TIG焊槍。

表1 球芯材質

表2 316L不銹鋼主要力學性能

試驗前需要清理流道口表面的雜質及在不銹鋼板材的邊源部位開坡口，以加大熔深，在試驗過后觀察焊縫的形貌，進行焊接工藝優(yōu)化，在無明顯的焊接缺陷情況下將得到的試件進行金相檢驗及力學性能測試[2-5]。

優(yōu)化TIG焊流道口的焊接工藝參數(shù)。分析不同的焊接工藝參數(shù)下(焊接電流，行走臺車的行進速度，SB10C/D雙驅送絲機的送速度以及焊接過程中焊機Panasonic YC-500wx4N的輸出功率)的焊接接頭性能，分析各工藝參數(shù)對焊接接頭的影響，優(yōu)化工藝。

焊接材料為5 mm厚不銹鋼板，在清理完成后，滿足V形焊縫的需要打磨焊材邊緣部分開1 mm倒角，加強焊接質量。根據(jù)球閥內(nèi)壁直徑計算出符合內(nèi)經(jīng)空間尺寸的流道口尺寸，使用電火花線切割進行切割邊緣部分。提前將板材進行十字焊接點固防止焊接時變形，除了垂直于板材的兩端進行了點固外上下兩端也進行了填絲點固，以防止多道焊縫熱量高輸入引起的變形增大剛性。然后再與球形件進行焊接，點固球芯焊接結構模擬如圖1a所示，內(nèi)部流道口十字板如圖1b所示。

圖1 球芯焊接結構和流道口十字板

按照表3的焊接工藝參數(shù)焊接后(保護氣體為98%Ar+2%CO2)，試件的變形量非常小，對變形的抑制作用，角變形量為0.085 mm，所形成的焊縫沒有飛濺、咬邊、焊穿等焊接缺陷。

表3 焊接工藝參數(shù)

2 焊接工藝

調節(jié)球閥整體垂直度使電弧高度穩(wěn)定，焊縫均勻。由于球形閥門焊接時會有較大的焊接熱輸入，熱影響易導致變形及裂紋的產(chǎn)生，因此研究焊接順序十分重要，為了確保球形閥門焊接變形量最小，采用焊接順序遵循對稱焊接，焊縫焊接順序如圖2所示。

圖2 焊縫焊接順序

2.1 焊接電流對流道口焊縫成形的影響

根據(jù)板材的厚度尺寸先預測焊接電流的大小，基值電流為200 A，脈沖電流為320 A，再增加幾組試驗，每組電流增大幅度20 A，調整后的焊接電流見表4，其他保持不變的參數(shù)見表3。改變其中一組變量，在這個過程當中材料內(nèi)部所產(chǎn)生的變化及應力變形都是由材料本身的熱脹冷縮的這一特性所導致。在焊前和焊后，必須對焊縫和熱影響區(qū)進行清理，目的是清理焊縫周圍的水分、油污等雜質，保證焊縫性能。為了保證焊接質量，確保反面熔敷金屬不被氧化，加入拖罩需用氬氣始終保護[6]。焊前準備完成后，可用丙酮清洗坡口處的油污等雜質，焊中每完成一道焊縫，使用不銹鋼絲刷對焊縫處的焊渣和氧化皮進行清理。

表4 調整后的焊接電流

在焊接過后得到了截然不同的3組試驗效果如圖3所示。1號焊接電流過小，出現(xiàn)了明顯的余高過大等焊接缺陷，如圖3a所示；2號焊縫成形達到初期目的，如圖3b所示；3號焊接電流過大出現(xiàn)了過燒，咬邊等缺陷，如圖3c所示。因此可知，功率對變形值的控制有著至關重要的作用[7]。

圖3 調整焊接電流后的試驗效果

2.2 焊接速度對不銹鋼薄板焊縫成形的影響

在相同功率下，無法判定在速度上升的過程中，是否存在先降低再升高的情況，所以利用單一變量法來進行補充試驗，并且測量焊接完成之后的變形量結果，加入脈沖后電弧收縮及電弧力也相應增大，同時電弧作用面積減小，電弧能量密度更集中，從而提升焊接生產(chǎn)效率。調整后的焊接速度見表5，其他保持不變的參數(shù)見表3，進行3組焊接試驗。

表5 調整后的焊接速度

4號焊接速度過快，出現(xiàn)了燒穿、未熔合等缺陷；5號焊接速度過慢，出現(xiàn)咬邊、下塌等缺陷；6號焊縫表面成形良好，焊接結果如圖4所示。

圖4 宏觀焊縫表面成形良好

3 結果與討論

為了對比焊接工藝及質量的成果，為此增加了普通手工焊接的對比試驗(焊接工藝參數(shù)不變)便于觀察及研究焊接接頭的微觀組織，將在焊接完成后的不銹鋼板上采取使用數(shù)控電火花線切割機切割金相檢驗所需的試件，金相試件的線切割方向，焊縫處取樣制備金相試件，進行金相組織觀察、硬度分析等，然后分析其及宏觀組織結構特性。

3.1 腐蝕分析

該次試驗所使用的是316L奧氏體不銹鋼，試樣磨光依次采用180號、320號、600號、1 000號、1 200號、1 500號、2 000號水磨砂紙磨光→試樣拋光采用1.5 μm粒度的金剛石噴霧拋光劑拋光)→拋至試樣表面光亮無劃痕后吹干。金相試樣制備的關鍵在于316L奧氏體不銹鋼材質較軟，拋光時需控制好濕度和力度，磨拋時采用多道水磨砂紙打磨后用較輕力度短時間拋光[8]。金相試件首先需要進行化學試劑的腐蝕之后將已拋光過后的試件進行腐蝕試驗，實驗時選擇的腐蝕溶液是：5 g FeCl3+ 50 mL HCl + 100 mL H2O。

試件分別采取具體腐蝕條件對拋光之后的試件進行腐蝕處理，腐蝕效果將采取光學顯微鏡進行拍照分析及手工焊、自動焊方式的金相高倍照片對比如圖5所示。

圖5 試件腐蝕后所得到的金相照片

由金相照片可以看到，奧氏體不銹鋼焊縫金相試樣經(jīng)過不同工藝處理后得到金相顯微組織。可以看出奧氏體不銹鋼焊縫的焊態(tài)試樣主要由奧氏體和鐵素體兩相構成，其中灰白色枝晶為奧氏體基體，黑灰色的游離鐵素體以非連續(xù)網(wǎng)狀分布在奧氏體枝晶間，金相顯微組織表現(xiàn)為典型的316奧氏體不銹鋼的焊縫組織特征，當腐蝕時間沒有超過1 min的時候，能夠清楚的看到金相組織的顯微照片，能看到清晰的晶粒與晶界。也可以很好的看到自動焊相對于手工焊的的優(yōu)勢。

3.2 力學性能分析

使用數(shù)字型顯微硬度計分別在焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材處確定一條測試線，進行逐點測試，測試前進方向為：焊縫—熔合線—熱影響區(qū)—母材，如圖6所示。載荷為200 N，保持10 s維氏硬度，得到維氏硬度分布圖如圖7所示，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的硬度均大于母材硬度。

圖6 硬度計打點位置圖

圖7 維氏硬度分布圖

4 結論

(1)316L不銹鋼閥門球芯焊接過程中，焊接工藝參數(shù)對焊縫變形的影響最大，其次是保護氣體，最后是對變形量的控制；經(jīng)過相應的試驗與分析，對于該次試驗所形成的焊縫所使用的最佳焊接工藝參數(shù)為：基值電流為240 A、脈沖電流為360 A、脈沖頻率為1 Hz/s、焊接速度為2.6 mm/s、送絲速度為60 mm/s、保護氣體流量為5 L/min。

(2)母材的硬度值最低，焊縫的區(qū)域明顯加強，其它區(qū)域達到預想的硬度要求。

(3)焊縫周圍的組織分布較好且均勻，說明在焊接過程中保護效果較好。不銹鋼焊接工藝參數(shù)的確定，為以后的大批量焊接提供了技術保證，安全性得到了有效的提升。