奥氏体不锈钢管自动环焊工艺研究

本文采用自动环焊设备对发动机进行焊接试验。通过调整焊接电流和气体流量模索出适合壁厚0.8mm的奥氏体不锈钢自动环焊的焊接工艺参数。经外观检验和X光检验,证明不锈钢满足焊接要求合格率达到95%以上为实现航空发动机不锈钢的全自动焊接提供依据。

奥氏体不锈钢具有优良的抗腐蚀性能,耐热性能和良好的焊接性,广泛应用于汽车、核电、石油、航空航天和食品灌装等领域。

不锈钢是航空发动机的重要组成部分,主要应用于燃油和滑油等油路系统中,用于输送气体和润滑油等工作介质。发动机零件具有种类多、数量大、精度等级高等特点,其直径从几毫米到几百毫米因此其制造精度和质量的要求也随之提高。为此,传统的手工氩弧焊工艺已逐步被全位置自动焊接工艺代替。

采用微束等离子弧焊和手工氩弧焊焊接发动机的缺点是对焊工的技能水平要求较高6习,一般情况下,焊缝成型都不甚理想,会出现焊偏、凹陷、焊漏、焊不透等缺陷。而采用真空电子束焊的成本太高装配复杂[]。因此,自动氩弧焊就成了焊接导管较理想的焊接方法。自上个世纪90年代出现了自动环焊机以来,自动环焊机在航空发动机不锈钢焊接上得到应用。我公司在国内航空发动机的焊接中首次采用自动环焊设备并对其自动环焊的焊接参数进行系统研究分析。

1试验材料及研究方法

1.1试验材料

试验材料为0Crl8Ni9奥氏体不锈钢管,规格为6mm×0.8mm×120mm。化学成分见表1

1.2焊接设备及主要控制部分

选用了美国MK公司生产的型号为ACL-200的小型自动环焊机进行焊接试验。该设备采用的是钨极氩弧焊,焊接的外径范围6mm~50mm。而航空发动机中的导管的直径通常在30mm以内完全可以满足要求。图1给出了该自动环焊设备的主要控制系统。

该设备的工作流程:将零件装夹在焊上后连接上保护气体输入管保护气体首先通过焊控制系统后,从保护气体通路中输出后分为两部分一部分作为输入管内保护气体,减少管焊缝背面的氧化和控制成型;另一部保护气体进入焊作为管焊缝正面焊接的保护气体。焊内钨极的旋转运行动作通过钨极控制线路进行调节。焊机部分对主要的焊接参数进行设置和调节。其中焊为该自动环焊设备的关键部位之一,图2中分别显示了焊的打开状态和装夹完毕后的闭合状态。钨极直接裸露在焊内,可以在焊内旋转实现环形焊接(不同于手工氩弧焊)且装配不同的焊接夹具还可以实现不同结构形状的焊接。

环焊其实是自动氩弧焊的一种,而且环焊采用无焊丝填充是靠焊前预留母材自熔填充焊缝成型的的焊接接头采用镶嵌式的结构,见图3所示。镶嵌装配好的固定在焊接夹具和焊上后,即可以进行定位焊,然后进行环焊焊接。

的自动环焊过程中,焊缝正反面通常都需要进行气体保护。尤其是要在内部通入保护气体,对环焊缝的背面成型效果至关重要。图4中显示了内部的气体保护示意图,零件一端通入氩气后在另一端通过过滤网后气体流出,可以达到缓冲气流的目的。

2试验过程

2.1焊接工装的设计

环焊夹具要求与精准配合,设计与制造尺寸公差严格,既不可与配合过紧以免拆取时对零件表面造成划伤,也不可过松从而影响焊接后的同轴度,同时也要考虑到环焊夹具与零件的干涉问题。图5a)为环焊夹具将此夹具设计为开口结构是为保证零件装配后钨极与焊缝对中。零件装配后结构如图5b)所示零件可在工装上进行微调。由于工装是通过若干个p2.5的小螺丝固定在焊钳上,对于结构简单、形状单一的或管接头可一次装夹实现多件焊接。

2.2焊接试验

不锈钢自动环焊的焊接参数主要包括焊接电流、焊转速、保护气体流量、接头处的间隙等。焊接电流过大焊缝表面容易出现凹陷在背侧则焊缝高度大;焊接电流过小,焊缝表面凸起,背侧焊缝容易出现未焊透,因此需要摸索合适的电流和气体流量以获得满意环焊效果。针对q6mm不锈钢进行环焊试验焊接过程中采用导管内部通氩气保护,通过调节焊接电流和管内保护气体流量,分析以上参数对环焊焊缝的影响。

2中记录了焊接电流,气体流量参数变化,及外观和X光检验结果。从表2可以看出焊接电流的大小对环焊效果起着主要作用。当钨极转速保持在7.96rpm时焊接电流从30A减小到25.7A时随着焊接电流的减小焊缝表面的余高逐渐增大而焊缝背面的余高呈下降趋势。当焊接电流为27.1A时环焊焊缝正反两面的成形良好,余高适中满足0~0.4mm的范围要求。管内通保护气体的流量对环焊焊缝成形效果没有明显影响但如果管内没有气体保护(组2)焊缝背面的氧化变黑十分严重,不符合要求。而如果保护气体流量过大(组4)形成由内向外的正压力会在焊接过程中使熔融态金属外溢凸起,甚至不能形成焊缝。

从表2中选取357三组试样解剖后观察其焊缝背面的成形效果。如图6(a)所示,焊接电流为271 A时,环焊背面焊缝表面光滑,成形规则,焊高适中。而当焊接电流降低为257 A时,从图6(b)可以看出环焊焊缝背面明显未焊透,X光片上则没有余高显示。焊接电流增加到286 A时,氩气保护流量为11 L/min时,环焊缝的背面出现轻微变黑的氧化色,并且焊缝背面过渡不圆滑,与图6(a)相比,由于热输入量大,焊缝宽度有所增加。

选取组5环焊的试件进行低倍观察,如图7,从图中可以看出焊缝表面焊高均匀规整,焊缝组织均匀细密没有气孔和微裂纹等缺陷与外观和X光检验结果一致环焊接头完全满足要求。

经上述环焊试验后,可以确定壁厚为0.8mmp6不锈钢的合理工艺参数为:焊接电流27.1A管内保护气体流量11~13L/min氩弧焊气体流量11.0~13.5L/min

3结论

经研究使自动环焊氩弧焊工艺用于奥氏体不锈钢管的焊接工艺可行性能可靠外形美观自动化程度有其无可比拟的优越性(p6mm的一次性焊接合格率达到95%以上。

环焊夹具设计为开口结构,可以保证零件装配后钨极与焊缝对中,零件可在工装上进行微调实现一次装夹进行多件焊接。

2)焊接电流对环焊焊缝的成形起主要作用。随着焊接电流的减小焊缝表面的余高逐渐增大,而焊缝背面的余高呈下降趋势。当焊接电流为27.1A时环焊焊缝正反两面的成形良好余高适中满足0~0.4mm的范围要求。

3)经环焊试验确定6mm不锈钢的优化工艺参数为:焊接电流27.1A管内保护气体流量11~13L/min氩弧焊气体流量11.0~13.5L/min

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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