关于小直径圆管钨极氩弧焊的自动化焊接工艺研究

关于小直径圆管钨极氩弧焊的自动化焊接工艺研究

李毅

中国电子系统工程第三建设有限公司

摘要：钨极氩弧焊（TIG）在小直径薄壁圆管的应用越来越广泛，企业中通常选用传统的手工焊接方式，然而该方式目前存在焊接不可靠、效率低、质量低等问题。本文钨极氩弧焊的焊接方式对小直径圆管进行实验比对，探究在不同的焊接电流下焊接不同区域的金相组织，从而确定出焊接质量较好的焊接电流，研究内容为小直径圆管的钨极氩弧焊提供工艺指导和参考。

关键词：钨极氩弧焊；自动化焊接；焊接工艺

0前言

焊接是传统机械制造业一种常用的加工方式，在航空航天等领域已得到广泛的应用。焊接技术与较多的学科有着不可忽视的密切联系，通常其受材料属性的影响比较显著，焊接技术的发展也因材料的不同而存在较大的差异性，尤其是在较为特殊的工况和对于复杂的结构件，传统的手工焊接工艺难以实现现代化的焊接要求。随着我国制造业进程的步伐逐渐加快，高效率、高质量以及自动化是如今焊接工艺面临的更为迫切的要求[1，2]。

TIG焊的应用范围可以涉及到不同材料、位置、厚度以及大小的焊接工艺，既可以进行手工焊接也可以完成手工和自动一体化的焊接。目前，钨极氩弧焊的应用已经受到了国内外研究者的瞩目，本文也就该种焊接方式进行相关工艺的探究[3]。

1焊接材料及方法

1.1、钨极氩弧焊的焊接工艺参数选择

焊接电流是最主要的工艺参数，在其他条件不变的情况下电弧能量与焊接电流成正比，焊接电流越大可焊接的材料厚度越大。因此，焊接电流是根据所焊的材料性质，厚度和接头的空间位置来选择。焊接电流过大或过小都会使焊缝形成不良或产生焊接缺陷。

当焊接电流增加时熔深增大，而焊缝宽度与余高只稍有增加。当焊接电流很大时，一定直径的钨极上电流强度相应也很大，使钨极端部温度达到或超过钨极的熔点，此时可看到钨极端部出现融化现象而且很亮。当焊接电流继续增大时，融化了的钨极在端部形成了一个小尖状突起逐渐变大形成熔滴，电弧随熔滴尖端漂移很不稳定，这不仅破坏了氩气保护区使熔池被氧化焊缝成型不好，而且熔化的钨落入熔池后将产生夹钨缺陷。另外，过大的焊接电流还容易产生焊穿和咬边缺陷。

1.2实验材料

在经过现场设备的应用考察后，打底焊的电弧电压确定为9V，氮气的流量设定成15L/min，焊接时的运动速度设定为55mm/min。实验主要探究焊接电流与焊缝间隙之间的作用规律，从而优选出合理的焊接电流以降低焊接的间隙值，小直径薄壁圆管的焊接详细参数如表1-2所示。

本次自动化焊接工艺试验选择碳钢16Mn钢管（Φ57х6mm），其钢管管壁厚度为6mm。焊件接头选择开V型坡口65±5°的连接形式，其连接如示意图1.3所示。电流选择为90A，110A和120A，为保证单一变量实验的准确性，保持固定的焊接电压以及焊接速度等其它参数。

1.3焊接质量检测方法

对于焊接外部质量主要通过肉眼或放大观测、测量工具检测的方法进行。在表面缺陷较为严重时可以直接采用肉眼和放大观测的形式，但是对于焊接间隙较小而且未能确定达到焊接要求时，应该选择合适的检测工具进行检测，常用的检测工具有样板、焊缝检测尺。试件的金相组织观测时，还需要考虑产品的实际情况以及材料的性能进行选择，常用的检测方法还包含密性检验、水压检验以及无损检验[4]。

实验之后的需要进行的检测过程主要包含以下两方面：

（1）X射线探伤

针对特殊的焊接结构，在质量控制中需要严格保证焊缝在一定误差之内，“X射线探伤”的方法，也称为“无损探伤”，其可以用来检测焊缝的大小，每一次焊接之后都需要对焊接件进行无损检测。X射线探伤的主要原理：X射线透过一定的物体之后会发生波长和能量的变化，不同的介质和体积对X射线的影响比较大，当射线投到底片上时会因为照射的物体不同而产生不同的图像，就能确定焊接内部是否出现一定的缺陷。气孔、裂纹、加渣、未焊透等是目前经常会发生的主要缺陷形式[5-6]。

（2）金相组织检测

实验完成之后的试件需要进行自然晾干，采用切割机将其制作成便于检测的试件，将试件进行抛光和一定的浸泡之后晾干，制作成相应的金相试样，选择金相显微镜对金相试样一定的检测，从而确定焊接电流对焊缝质量的影响规律[7]。

2实验结果分析与讨论

实验结束后样件在焊接电流为90A、110A和120A下的金相检测成像如图2.1、2.2、2.3所示，图中（a）、（b）、（c）、（d）分别对应焊缝区、熔合区、过热区及正火区的金相组织。针对不同电流下的焊接质量进行详细的讨论和分析。

在进行钨极氩弧焊的焊接过程中，焊接金属的演变过程包含溶化、结晶凝固以及金相转变，其金相组织主要呈现为铸态组织较大分支晶状的特征，冷却速度加快时，铁素体会由晶界逐渐的向晶内成长，且其成长的过程中和金属组织保证一定的位置和方向关系，最终生成的形态如图2.1（a）、2.2（a）和2.3（a）中的魏氏组织所示。液态向固态转变的整体溶化区域中，能够观察到铸态组织和较大的过热组织之间有融合现象，如图2.1（b）-（c）、2.2（b）-（c）以及2.3（b）-（c）所示。在三种电流下焊接中的正火区晶粒呈现细小均匀的特征，如图2.1（d）、2.2（d）以及2.3（d）所示。

对于以上三种电流下的四个变化区域变化而言，可以清楚看出，在相同区域时随着电流的增大金相的颗粒细化程度更高。然而，针对图2.2和图2.3的过热区组织而言，在焊接电流120A时组织中出现较为大的颗粒，同时出现了较多了魏氏组织，在110A的焊接电流的过热组织没有出现较大的颗粒和魏氏组织，焊接部位是比较合理的。

当焊接速度和电压固定的情况下，焊接能量随着电流的增大而增大，块状式的铁体先析出，同时魏氏组织的铁素体呈现片厚和间距较宽的形式，如图2.3（a）所示；相反，焊接线能量随着电流的减小而减小，片状式的铁体先析出，同时魏氏组织的铁素体呈现片薄和间距较窄的形式，如图2.2（a）所示。但是在焊接电流为120A情况下焊接的质量是比较差的。因此，在其它工艺参数不变的情况下，焊接电流在110A的情况下焊接质量最好。

3总结

TIG焊的应用范围可以涉及到不同材料、位置、厚度以及大小的焊接工艺，既可以进行手工焊接也可以完成手工和自动一体化的焊接。目前，钨极氩弧焊的应用已经受到了国内外研究者的瞩目，本文也就该种焊接方式进行相关工艺的探究[3]。本文主要针对小直径圆管进行了不同焊接电流的钨极氩弧焊。研究发现：焊接电流为110A时比90A和120A的焊接金相组织要好。在对小直径圆管进行焊接式，特定的电压和焊接速度下可以选择焊接电流为110A，这样可以既能保证焊接效率也能保证焊接质量。

参考文献

[1]苏文娟,毛小虎,苏利群,等.应变强化真空绝热深冷容器的钨极氩弧焊焊接工艺研究[J].压力容器,2018,35(10):5-10.

[2]陆欢军.GH3535合金钨极氩弧焊焊接工艺研究[J].金属加工(热加工),2018(4).

[3]曹轶博.小管径薄壁圆管钨极氩弧焊的自动化焊接工艺[D].兰州理工大学,2011.

[4]魏兆中.镁合金钨极氩弧焊焊接工艺探讨[J].开封大学学报,2018,v.32；No.120(1):92-94.

[5]张西雷,薛慧,唐远刚.镍基耐蚀合金焊接工艺研究[J].焊管,2018,v.41；No.270(4):33-35.

[6]贺大松.一种新型钨极氩弧焊方法在复合管内焊工艺中的应用[J].焊接技术,2018(2).

[7]马彦军.铝合金横向焊接气孔敏感性与控制工艺研究[D].哈尔滨工业大学,2018.