CN112935485A - 一种镍基合金模具钢厚板脉冲mig摆动焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种镍基合金模具钢厚板脉冲MIG摆动焊接工艺，步骤如下：焊接材料的选用；焊接设备的选用；镍基合金模具钢厚板焊件坡口形状设计及焊前准备；镍基合金模具钢厚板多层单道自动焊接路径规划；镍基合金模具钢厚板多层脉冲+摆动MIG自动焊接工艺参数设计。本发明通过合理采用脉冲MIG电弧摆动焊接技术，实现飞机复材模具制造专用的大厚度镍基合金模具钢的焊接。对于厚度为19.05mm的模具钢，在较低的焊接电流下采用5层、每层1道焊缝获得良好成形；焊缝表面呈现交错鱼鳞纹、未见气孔、飞溅与裂纹等表面缺陷、背面完全焊透；焊缝截面无气孔、裂纹、夹杂，焊缝‑母材以及相邻层焊缝熔合良好，未见明显的晶界，熔池内杂质得到有效净化；焊后角变形明显减小，体现了脉冲MIG摆动焊接技术对该类镍基合金模具钢厚板良好的工艺适应性。

Description

一种镍基合金模具钢厚板脉冲MIG摆动焊接工艺
技术领域
本发明工艺专利涉及一种基于弧焊机器人的厚板自动焊接工艺，尤其涉及一种重要的飞机复材模具制造材料——镍基合金厚板钢的脉冲MIG摆动焊接工艺，属于镍基合金焊接技术领域。
背景技术
复合材料因其比强度高、疲劳性能好等特点，已成为制造大型飞机的基本材料之一，复材的制备技术也成为研制先进的大型飞机的关键技术之一。飞机复材零件主要是在特定的模具中进行热压成形，之后零件的外型面一般不再进行机加，因此对模具材料提出了较高的要求：与复材相近的热膨胀系数、变温及真空稳定性良好、制造成本低等。本发明所用为一种含Ni 35.67％的厚板镍基合金，具有与复材相近的极低的热膨胀系数，且成本仅为其他符合要求模具的10-30％，特别适用于制造大尺寸飞机复材零件的成型模具。
焊接是大型厚板模具的制造中的一项十分重要工艺流程。搭载于高精度多轴机器人的熔化极气体保护焊(MIG焊)作为一种相对成熟而经济的焊接方法，焊前进行坡口加工并采用多层多道填充策略，能够较好地解决大厚度金属板材的连接问题。目前该方法已在厚板金属的焊接中得到广泛应用，但主要存在以下几个问题：
●用于复材模具制造的镍基合金模具钢厚度为19mm上下，采用多层多道焊接往往需要10道以上的焊缝填充，多次的焊接热循环以及镍基合金模具钢材料本身较低的热导率导致严重的焊后变形；
●镍基合金在熔融状态下流动性差，加之常规MIG电弧热源的作用深度有限，容易造成未焊透、未熔合等焊接缺陷；
●多次的焊前示教放大了人为因素造成的误差，对焊接质量的稳定性有一定的影响，同时也增加了劳动强度。
改善厚板焊接变形的措施分为焊前预防、随焊冷却以及焊后矫正。焊前预防包括预设反变形角、使用可靠夹具、设计合理的焊接工艺参数。随焊冷却方法主要有喷水法、浸水法及水冷铜块法。其中采用喷水及浸水法冷却效果较好，但焊接环境较差，对冷却系统的硬件控制要求较高；水冷铜块法散热效果次之，成本较高，但焊接环境好。焊后矫形方法主要有锤击、喷丸、局部热处理等。考虑到厚板焊后矫形困难、成本较高，一般情况下不优先考虑。
针对镍基合金钢熔透性较差的问题，多采用适当增加焊接热输入来增大焊缝熔深，但效果有限且经验性较强，不利于参数的移植与规范化。脉冲MIG电弧焊接与常规MIG焊相比，能够在较低的热输入下获得较大的焊缝深宽比，可有效改善镍基合金钢焊接时熔透性。但在国内还未有直接针对本发明所用钢脉冲焊接的研究及应用先例，相关的焊接工艺参数尚处空白。
在坡口尺寸较小的情况下，采用摆动焊接路径能够极大减轻多层多道焊接繁琐的示教及焊接工序。摆动焊时焊枪在行进的同时左右摆动，熔池得到充分的铺展，能够一次性对较宽的坡口进行一定厚度的填充，获得成形稳定的焊缝。目前，松下、KUKA、ABB等焊接机器人或机械臂已能够支持各种摆动焊接轨迹，但该技术的生产应用在国内还未完全推广。
综上所述，实现大厚度镍基合金钢高质量、高效焊接的关键是设计出一套科学、合理的焊接工艺。特别是在目前国产大飞机项目进展的如火如荼、复合材料的使用比重日益增加的大环境下，研究先进的镍基合金钢焊接技术，制定成熟的工艺参数及流程，是实现该类钢模具国产化的重要环节，具有一定的战略意义。
发明内容
鉴于脉冲摆动MIG焊在镍基合金钢厚板焊接中的优越性，本发明工艺设计了一套较为科学的镍基合金模具钢的自动焊接工艺，可在提高生产效率的同时获得成形质量高而稳定、焊后变形小的模具钢对接接头。
本发明采用如下技术方案：一种镍基合金模具钢厚板脉冲MIG摆动焊接工艺，其包括如下步骤：
步骤1：焊接材料的选用：所述镍基合金模具钢板材化学成分的重量含量为：Fe63.06％、Ni 35.67％、Mn 0.49％、Cr 0.26％、Si 0.24％、Co 0.14％、Mo 0.13％，所用焊接材料为M93焊丝，焊丝直径1.2mm，焊丝化学成分的重量含量为：Fe 61.43％、Ni 36.20％、Mn0.55％、Al 0.54％、Si 0.53％、Mo 0.53％、Cr 0.23％；
步骤2：焊接设备的选用：所使用焊接设备为一体式MIG弧焊专用机器人，额定焊接电流320A，焊接速度为0.01-160m/min；
步骤3：镍基合金模具钢厚板焊件坡口形状设计及焊前准备：所述镍基合金模具钢厚度为19.05mm，根据装配的需要，选择单面焊接成形工艺，待焊件开V型坡口，坡口角度为60°，钝边1mm，焊前在焊接终点位置进行点焊防止横向变形，焊前采用反变形装夹控制角变形，反变形角度1.9-2.2°，钝边间距1.5-1.8mm，不预热，焊丝干伸长为15mm，焊接过程保护采用97.5％Ar+2.5％CO2的富氩气氛，流量控制在18-19L/min，焊后空冷，层间温度控制在100℃以下；
步骤4：镍基合金模具钢厚板多层单道自动焊接路径规划：所述镍基合金模具钢板材厚度为19.05mm，设计五层、每层采用单道焊缝填充，打底层焊缝较为狭窄，采用直线焊接路径，焊缝起点与终点距离两端分别为2-3mm及4-5mm，第二层至第四层焊缝宽度逐渐增大，设计采用摆动焊接路径；
步骤5：镍基合金模具钢厚板多层脉冲+摆动MIG自动焊接工艺参数设计：打底焊采用脉冲MIG直线焊接路径，焊接电流235-240A、焊接电压26.3-27.3V、焊接速度0.36-0.4m/min，第二至第五层焊缝采用脉冲+简单低速摆动焊接路径，根据焊缝长度等距离增设3-5个插补点，第二层焊接电流237-240A、焊接电压27.1-27.3V、焊接速度0.30-0.32m/min、摆动幅长2.50-2.70mm、摆动频率1.5-1.6Hz；第三层焊缝焊接电流240-242A、电压27.3V、焊接速度0.18-0.21m/min、摆幅4.40-4.60mm、频率0.9-1.0Hz；第四层焊接电流244-246A、电压27.4V、焊接速度0.16-0.18m/min、摆幅5.90-6.35mm、频率0.8-0.9Hz；第五层焊接电流245-250A、电压27.4-27.6V、焊接速度0.13-0.15m/min、摆幅7.50-8.40mm、频率0.7-0.8Hz。
与现有无脉冲MIG多层多道焊接技术相比，本发明工艺的有益效果如下：
本发明工艺通过合理采用脉冲MIG电弧摆动焊接技术，实现了飞机复材模具制造专用的大厚度模具钢的焊接。对于厚度为19.05mm的镍基合金钢，在较低的焊接电流下采用5层、每层1道焊缝即可获得良好成形；焊缝表面呈现交错鱼鳞纹、未见气孔、飞溅与裂纹等表面缺陷、背面完全焊透；焊缝截面无气孔、裂纹、夹杂，焊缝-母材以及相邻层焊缝熔合良好，未见明显的晶界，熔池内杂质得到有效净化；焊后角变形明显减小，均体现了脉冲摆动焊接技术对该类模具钢厚板良好的工艺适应性。本发明工艺克服了该类模具钢采用传统无脉冲MIG多层多道焊接存在的层间熔合不良、成型质量不稳定、焊接变形大等问题，对提高该类镍基合金模具钢焊接接头力学性能与气密性能提供了工艺保障。同时，本发明工艺缩短了机器人焊前示教时间，降低了人为经验因素带来的不确定性，对于其他材料的厚板焊接具备很好的移植性与借鉴意义。
具体实施方式
本发明镍基合金厚板模具钢的自动焊接工艺，包括如下步骤：
a)焊接材料的选用：所述的镍基合金模具钢板材化学成分的重量含量经检测为：Fe63.06％、Ni 35.67％、Mn 0.49％、Cr 0.26％、Si 0.24％、Co 0.14％、Mo 0.13％，母材室温下微观形貌为典型的奥氏体组织。本发明工艺所用焊材为加拿大进口M93焊丝，焊丝直径1.2mm，所测定的焊丝化学成分的重量含量为：Fe 61.43％、Ni 36.20％、Mn 0.55％、Al0.54％、Si 0.53％、Mo 0.53％、Cr 0.23％。相比于母材，焊丝中添加了少量的Al且略微增加了Si的含量，可改善钢材在液态下的流动性，另外高锰含量的焊丝能够提高焊缝的脱氧能力及裂纹愈合能力。
b)焊接设备的选用：所使用焊接设备为唐山松下生产的TAWERS-1400一体式MIG弧焊专用机器人，额定焊接电流320A，试教速度在0.01-15m/min可调，可选焊接速度为0.01-160m/min。该焊接机器人内置适用于碳钢、不锈钢、铝合金、铜合金等不同材料的焊机模式；可选基本焊接轨迹有直线、弧线，并包含6种类型的摆动动作；可进行脉冲与非脉冲电流模式的切换。本发明工艺采用不锈钢模式，对应符号为Weld 1，焊接轨迹为直线与直线+低速简单摆动，电流为脉冲模式。采用焊接机器人对镍基合金模具钢厚板进行焊接，能够简化工艺流程，提高效率，灵活调节焊接线能量，降低焊接残余应力，减小焊接变形，改善接头性能。
c)镍基合金模具钢厚板焊件坡口形状设计及焊前准备：所述镍基合金模具钢厚度为19.05mm，根据装配的需要，选择单面焊接成形工艺。待焊件开V型坡口，坡口角度为60°，钝边1mm。该坡口形式可满足打底焊时焊枪整流罩及焊丝的可达性，钝边的设置能够有效放置焊漏、改善打底层焊缝的均匀性。焊前在焊接终点位置进行点焊防止横向变形。焊前采用反变形装夹控制角变形，反变形角度1.9-2.2°，钝边间距1.5-1.8mm。不预热，焊丝干伸长为15mm，焊接过程保护采用97.5％Ar+2.5％CO2的富氩气氛，流量控制在18-19L/min。焊后空冷，层间温度控制在100℃以下。
d)镍基合金模具钢厚板多层单道自动焊接路径规划：所述模具钢板材厚度为19.05mm，设计五层、每层采用单道焊缝填充。打底层焊缝较为狭窄，采用直线焊接路径，焊缝起点与终点距离两端分别为2-3mm及4-5mm；第二层至第四层焊缝宽度逐渐增大，采用单道直线焊缝无法满足填充需要，故设计采用摆动焊接路径。所涉及的主要参数有焊接速度v、焊枪摆动幅度D、摆动频率f、以及摆幅时间t。如图1所示，在主跟踪方向上，起始点S为打底焊缝的平面几何中心，为试教时的焊接起始点；插补点1，2位于起始点的两侧，用于在机器人试教时确定摆动的幅度，距离焊缝坡口壁面距离为d＝1-2mm；钝边停留时间一般取0.1s即可获得较好的熔合效果。另外在长直焊缝焊接路径中，需根据焊缝长度增设插补点，以减少由焊前位姿微小变化所带来的焊丝倾角误差。
e)镍基合金模具钢厚板多层脉冲+摆动MIG自动焊接工艺参数设计：打底焊采用脉冲MIG直线焊接路径，焊接电流235-240A、焊接电压26.3-27.3V、焊接速度0.36-0.4m/min。第二至第五层焊缝采用脉冲+简单低速摆动焊接路径，根据焊缝长度等距离增设3-5个插补点。第二层焊接电流237-240A、焊接电压27.1-27.3V、焊接速度0.30-0.32m/min、摆动幅长2.50-2.70mm、摆动频率1.5-1.6Hz；第三层焊缝焊接电流240-242A、电压27.3V、焊接速度0.18-0.21m/min、摆幅4.40-4.60mm、频率0.9-1.0Hz；第四层焊接电流244-246A、电压27.4V、焊接速度0.16-0.18m/min、摆幅5.90-6.35mm、频率0.8-0.9Hz；第五层(盖面层)焊接电流245-250A、电压27.4-27.6V、焊接速度0.13-0.15m/min、摆幅7.50-8.40mm、频率0.7-0.8Hz。
下面通过两个实施例来具体说明本发明镍基合金模具钢的自动焊接工艺。本具体实施例仅仅是对本发明的见识，其并不是对本发明的限制。本领域技术人员在阅读完本说明书厚可根据需要对本实施例说出无创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例1
焊接母材选用Ni含量为35.67％的模具钢，尺寸为100mm×50mm×19.05mm，开60°坡口，钝边厚度1mm，间距1.8mm；焊丝为M93，Ni含量36.20％，直径1.2mm。采用柔性装夹，预留反变形角度为2°，富氩气氛流量为18L/min；焊接设备为唐山松下生产的TAWERS-1400一体式焊接专用机器人，焊枪与待焊件垂直，采用直流正接；焊前对工件坡口进行打磨与丙酮擦拭去除表面氧化膜与杂质；之后进行焊接轨迹的示教与参数的设置，具体参数如下：
●第一层：直线轨迹，焊接电流235A、焊接电压26.3V、速度0.36m/min；
●第二层：简单低速摆动轨迹，焊接电流237A、焊接电压27.1V、速度0.3m/min、摆幅2.5mm、频率1.6Hz、钝边停留时间0.1s；
●第三层：简单低速摆动轨迹，焊接电流240A、焊接电压27.3V、速度0.23m/min、摆幅4.5mm、频率1.0Hz、钝边停留时间0.1s；
●第四层：简单低速摆动轨迹，焊接电流245A、焊接电压27.4V、速度0.18m/min、摆幅6mm、频率0.9Hz、钝边停留时间0.1s；
●第五层：简单低速摆动轨迹，焊接电流245A、焊接电压27.4V、速度0.14m/min、摆幅7.5mm、频率0.8Hz、钝边停留时间0.1s；
●收弧参数统一设置为焊接电流140A、电压22.0V、电流衰减时间1.5s。
该模具钢焊后宏观形貌如图2所示，可以看出焊缝为略微下凹的弧形，打底焊焊缝表面平整，无明显飞溅，焊缝两侧与母材熔合良好，过渡平滑；第二至第五层焊缝出现摆动焊特有的交错鱼鳞状纹理，熔合线较为饱满、连续性好，未见咬边、熔合不良、表面飞溅等问题。
模具钢焊缝截面形貌如图3所示，几乎无任何缺陷，打底层焊透情况良好，相邻层熔合线不可见，体现了很高的焊接接头质量。
实施例2
焊接母材选用Ni含量为35.67％的模具钢，尺寸为250mm×250mm×19.05mm，开60°坡口，钝边厚度1mm，间距1.6mm；焊丝为M93，Ni含量36.20％，直径1.2mm。采用柔性装夹，预留反变形角度为1.9°，富氩气氛流量为18L/min；焊接设备为唐山松下生产的TAWERS-1400一体式焊接专用机器人，焊丝前倾10°，采用直流正接；焊接左右方向相互交替；焊前对工件坡口进行打磨与丙酮擦拭去除表面氧化膜与杂质；之后进行焊接轨迹的示教与参数的设置，具体参数为：
●第一层：直线轨迹，焊接电流240A、焊接电压27.3V、速度0.38m/min；
●第二层：简单低速摆动轨迹，焊接电流240A、焊接电压27.3V、速度0.3m/min、摆幅2.78mm、频率1.6Hz、钝边停留时间0.1s；
●第三层：简单低速摆动轨迹，焊接电流240A、焊接电压27.3V、速度0.21m/min、摆幅5.00mm、频率1.0Hz、钝边停留时间0.1s；
●第四层：简单低速摆动轨迹，焊接电流242A、焊接电压27.3V、速度0.18m/min、摆幅6.24mm、频率0.9Hz、钝边停留时间0.1s；
●第五层：简单低速摆动轨迹，焊接电流245A、焊接电压27.4V、速度0.14m/min、摆幅8.34mm、频率0.8Hz、钝边停留时间0.1s；
●收弧参数统一设置为焊接电流140A、电压22.0V、电流衰减时间1.5s。
该模具钢焊后宏观形貌如图4所示，总体上看，焊缝成形基本均匀，出现明显的鱼鳞纹，表面质量较高。第一层焊缝左端(末端)2/5处出现了轻微的焊缝倾斜，推测可能原因为焊接终止点试教位置过高，或者焊丝的轻微扭曲导致的电弧偏移。但在第二层中，焊缝倾斜得到了有效改善，体现了脉冲MIG摆动焊接较大的工艺宽容度。
对实施例2中的焊接接头进行了一系列检测：抗拉强度为433-435Mpa，均略微高于母材强度(432Mpa)；焊件的常温气密性检测采用表面贴膜抽真空法，真空度稳定在-0.88MPa后关闭真空源；焊件的高温气密性检测采用类似方法，测试温度为180℃，压力0.6MPa，保温保压时间为15-30min，5min中内真空传感器度数下降小于0.017Mpa，因此焊件的常温及高温气密性均达到了相关的验收标准。
附图说明
图1是低速简单摆动轨迹及主要参数；
图2是实施例1各层焊缝表面形貌与焊接轨迹；
图3是实施例1焊接接头截面形貌；
图4是实施例2各层焊缝表面形貌

Claims (4)

1.一种镍基合金模具钢厚板脉冲MIG摆动焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：焊接材料的选用，所用焊接母材为含Ni量35.67％的镍基合金模具钢，并基于母材的焊接性能，选择焊接材料为含Ni量36.20％的进口M93焊丝，焊丝直径为1.2mm；
步骤2：焊接设备的选用，所用焊接设备为一体式MIG弧焊专用机器人，额定焊接电流320A，焊接速度为0.01-160m/min；
步骤3：基于母材厚度及装配的需要，选择单面焊接成形工艺，将待焊件开60°V型坡口，焊前在焊点终点处进行点焊防止横向变形，并采用反变形装夹控制角变形，反变形角度为1.9-2.2°；
步骤4：基于母材厚度，设计五层、每层采用单道焊缝填充的多层单道焊接路径规划，对较为狭窄的打底层焊缝采用直线路径焊接，并对宽度逐渐增大的第二层至第五层焊缝采用摆动路径焊接；
步骤5：基于多层脉冲+摆动MIG焊接方式设计合理的工艺参数，对打底层焊接选择较大的焊接速度；第二层至第五层焊缝根据长度等距离增设3-5个插补点，焊接速度和摆动频率逐层降低，摆动幅度逐层增加，最终完成焊缝填充并对焊接成形进行检验。
2.根据权利要求1所述的一种镍基合金模具钢厚板脉冲MIG摆动焊接工艺，其特征在于步骤3中，焊前在焊接终点位置采取点焊防止横向变形，并采用反变形装夹控制角变形，反变形角度为1.9-2.2°，钝边间距1.5-1.8mm，焊接过程中采用富氩气氛保护，流量控制在18-19L/min。
3.根据权利要求1所述的一种镍基合金模具钢厚板脉冲MIG摆动焊接工艺，其特征在于步骤4中设计了五层、每层采用单道焊缝填充的方式，对焊缝较为狭窄的打底层采用直线焊接的路径规划，焊接起点与终点距两端点的余量分别为2-3mm及4-5mm，第二层至第五层焊缝宽度逐渐增大，采用摆动焊接的路径规划。
4.根据权利要求1所述的一种镍基合金模具钢厚板脉冲MIG摆动焊接工艺，其特征在于步骤5中设计了多层脉冲+摆动MIG焊接工艺参数，在打底焊时，采用较快的焊接速度，焊接速度为0.36-0.4m/min，第二层至第五层焊缝，根据焊缝长度等距离增设3-5个插补点，随着层数的增加，采用焊接速度和摆动频率逐渐减小、摆动幅度逐渐增大的策略进行不同层之间的摆动焊接，第二层至第五层的焊接速度、摆动频率、摆动幅度依次为：第二层焊接速度0.30-0.32m/min、摆动频率1.5-1.6Hz、摆动幅度2.50-2.70mm；第三层焊接速度0.18-0.21m/min、摆动频率0.9-1.0Hz、摆动幅度4.40-4.60mm；第四层焊接速度0.16-0.18m/min、摆动频率0.8-0.9Hz、摆动幅度5.90-6.35mm；第五层焊接速度0.13-0.15m/min、摆动频率0.7-0.8Hz、摆动幅度7.50-8.40mm。
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