工程因素对导管焊接工艺的影响

　　文中针对XX-5运载火箭导管全位置自动TIG焊接头在不同钨极偏置、装配间隙和焊钳倾斜偏差等工程因素下的焊接性能开展了工艺研究，获得了不同工程因素下的焊接接头性能及金相形貌，并分析了该接头性能及金相形貌差异的原因。试验结果表明，钨极偏置≤0.5mm，装配间隙≤0.3mm，焊钳倾斜≤±5°时，对焊接接头性能无影响，否则焊接接头性能显著下降。

　　关键词：不锈钢管;全位置焊;焊接性能;金相形貌

　　导管是运载火箭的重要组成部分，主要作用是为发动机输送燃料、控制阀门开关等。XX-5运载火箭导管连接方式有2种，一种是接头螺接，另一种是接头焊接。接头焊接采用的是全位置自动TIG焊，焊接时导管固定，钨极绕接头周向旋转，不填丝。受操作空间狭小等生产工艺限制，产品焊接过程会出现钨极偏置、装配间隙和焊钳倾斜等工程因素问题。为获得合格焊接接头，文中就上述工程因素对接头焊接性能影响开展了工艺研究。

　　1试验材料与方法

　　试验导管接头呈“喇叭”形，材质为1Cr18Ni9Ti钢，尺寸为准13mm×1.5mm，接头组合如图1所示。制备3种接头组合，每种接头制备4件(3件用于拉伸检测，1件用于金相分析)，其中1#为钨极偏置0，0.5mm和1.0mm，2#为装配间隙0，0.3mm和0.5mm，3#为焊钳倾斜0°，±5°，±10°，分别用于研究钨极偏置、装配间隙和焊钳倾斜等工程因素对接头焊接性能影响。焊前采用酒精擦拭待焊区，使用MKACL-200型导管全位置自动TIG焊机(钨极直径1.6mm，氩气流量20L/min)对接头焊接，焊接电流参数见表1。焊后采用WDW-100型拉伸机拉伸接头，采用LEICA型金相显微镜观察接头缺陷及组织。

　　2试验结果及讨论

　　2.1接头性能

　　2.1.1钨极偏置不同钨极偏置量的焊接接头形貌如图2所示。由图2可见，当钨极偏置0mm时，焊缝外表面成形良好，内表面成形饱满，接头焊透;当钨极偏置0.5mm时，焊缝外表面成形良好，内表面成形一般，接头焊透;当钨极偏置1.0mm时，焊缝外表面成形良好，内表面与衬套粘连，破开衬套内表面成形不好，接头未焊透。不同钨极偏置下接头拉断力及位置结果：当钨极偏置0mm时，接头拉断力为23.8kN，断裂位置为焊接热影响区;当钨极偏置0.5mm时，接头拉断力为23.6kN，断裂位置为焊接热影响区;当钨极偏置1.0mm时，接头拉断力为15.6kN，断裂位置为焊缝中心。钨极偏置直接造成电弧热源中心偏移，最大热输出的电弧中心从接头中心(待焊区)偏向母材，导致待焊区热输入减小，内表面焊缝成形从饱满稳态向非饱满失稳态过渡，直至出现未焊透缺陷。2.1.2装配间隙不同装配间隙下的接头形貌如图3所示。由图3可见，当装配间隙0mm时，焊缝外表面成形良好，内表面成形饱满，接头焊透;当装配间隙0.3mm时，焊缝外表面成形良好，内表面成形较好，但焊缝宽度略窄，接头焊透;当装配间隙0.5mm时，焊缝表面出现“打洞”。不同装配间隙下接头拉断力及位置：当装配间隙0mm时，接头拉断力为23.8kN，断裂位置为焊接热影响区;当装配间隙0.3mm时，接头拉断力为23.5kN，断裂位置为焊接热影响区;当装配间隙0.5mm时，因焊缝表面产生“打洞”缺陷，不进行拉伸试验。液态熔池自接头表面向内扩展至接头根部，熔池表面张力与熔池重力、电弧吹力处于平衡状态，熔池表面张力随着接头装配间隙的增大而减小，当液态熔池受力平衡失稳时便形成接头打洞。2.1.3焊钳倾斜偏差不同焊钳倾斜偏差下接头形貌如图4所示。由图4可见，当焊钳倾斜偏差0°时，焊缝外表面成形良好，内表面成形饱满，接头焊透;当焊钳倾斜偏差+5°时，焊缝外表面成形良好，内表面成形饱满，接头焊透;当焊钳倾斜偏差+10°时，焊缝外表面左侧凹陷，内表面成形不均匀，接头焊透;当焊钳倾斜偏差-5°时，焊缝外表面成形良好，内表面成形饱满，接头焊透;当焊钳倾斜偏差-10°时，焊缝外表面下方凹陷，内表面成形不均匀，接头焊透。不同焊钳倾斜偏差下接头拉断力及位置：当焊钳倾斜偏差0°时，接头拉断力为23.8kN，断裂位置为焊接热影响区;当焊钳倾斜偏差+5°时，接头拉断力为23.5kN，断裂位置为焊接热影响区;当焊钳倾斜偏差-5°时，接头拉断力为23.5kN，断裂位置为焊接热影响区;当焊钳倾斜偏差+10°时，接头拉断力为23.3kN，断裂位置为焊接热影响区;当焊钳倾斜偏差-10°时，接头拉断力为23.2kN，断裂位置为焊接热影响区。全位置焊接按钨极位置可分为平焊、立焊(向下)、仰焊和立焊(向上)，不同焊接位置具有不同焊接特性。平焊时电弧吹力与熔池重力同向，过大的热输入易造成焊缝塌陷;立焊(向下)时熔池流向与钨极转向相同，过小的热输入易造成未焊透;仰焊时电弧吹力与熔池重力反向，过小的热输出易造成焊缝鼓起;立焊(向上)时熔池流向与钨极转向相反，过大的热输入易造成焊缝打洞。焊钳顺时针旋转时(指“+10°”方向)，原仰焊参数旋转至立焊(向上)，过大的电流使得该区域焊缝表面凹陷，焊漏变宽;焊钳逆时针旋转时(指“-10°”方向)，原仰焊参数旋转至立焊(向上)，过大的电流使得该区域焊缝表面凹陷，焊漏变宽。

　　2.2接头组织

　　接头金相形貌如图5所示。由图5可见，焊缝区为无序排列的树枝晶，熔合区为垂直于熔合线方向的柱状晶，热影响区为大小均匀的胞状晶[1-2]，接头未出现晶粒粗大、裂纹、气孔、夹杂等缺陷。不同工程因素下接头金相形貌基本一致。研究证明，由于液态熔池的过热程度较大，合金元素的烧损比较严重，使熔池中非自发晶核的质点大为减少，非自发晶核依附在熔合区附近加热到半熔化状态基本金属的晶粒表面，沿散热最快方向以柱状晶形态向焊缝中心成长，形成交互结晶[3]。

　　3结论

　　(1)钨极偏置0.5mm及以下时，对接头性能无影响，但当钨极偏置1.0mm时接头性能下降显著。(2)接头装配间隙0.3mm及以下时，对接头性能无影响，但当装配间隙0.5mm时，接头出现“打洞”缺陷。(3)焊钳倾斜±5°及以下时，对接头性能无影响，但当焊钳倾斜±10°时，接头性能下降显著。(4)各工程因素下接头金相形貌一致，焊缝区及熔合区为柱状晶，热影响区为胞状晶，接头未出现晶粒粗大、裂纹、气孔、夹杂等缺陷。

　　参考文献：

　　[1]王希靖，王博士，魏万奎，等.直缝不锈钢焊管焊缝组织性能研究[J].热加工工艺，2017，46(15)：86-89.

　　[2]王振华.奥氏体304不锈钢钢管A-TIG焊接工艺研究[J].钢管，2016，45(5)：15-19.

　　[3]张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，2008.

　　作者：魏强 宋建岭 王永发 王静亮