至德钢业5mm×0.4mm不锈钢精密管薄壁管的封口焊接工艺

  浙江至德钢业有限公司对不锈钢精密管进行了微束等离子弧焊封口试验研究，分析了不锈钢精密管的焊接特点，并通过试验得出了不锈钢精密管的合理焊接工艺参数，取得了满意的焊接封口质量和外观成形。在科研生产过程中，经常会遇到不锈钢精密管的封端口焊接问题，通常这些精密管直径较细，直径在2~5mm，壁厚0.3~0.5mm。很多时候需要通过填充焊丝处理后才能进行封口。例如豆浆机使用的温度传感器组件中，要求不锈钢管一端封口，原有的封口工艺是通过添加焊丝焊接成形，封口端圆头的壁太厚，影响传感器的灵敏度。目前要求用材料本身密封端口，并使端头成半球面，而且封口厚度不能大于壁厚。

 为了解决这个焊接问题，我们采用不加填充丝的微束等离子弧焊接工艺。微束等离子弧焊接是一项新的焊接工艺，它对于高熔点金属、金属薄膜、金属细丝的焊接尤显成效。由于微束等离子弧呈现为一束能量密度很高的“针状”弧柱，因此具有焊接速度快、熔池均匀、焊缝狭窄、光亮牢固、热影响区小、变形小以及力学性能高等特点。至德钢业研究了不锈钢精密管的微束等离子弧封口焊接工艺，并对焊接管进行了检验，获得了满意效果，成品率达90%以上。

一、试验方法

 1. 试验用母材及尺寸

 薄壁不锈钢管的材质为304（06Cr19Ni10），规格为5mm×0.4mm。

 2. 焊接设备的选用

 焊接采用30A微束等离子弧焊接电源。由于微束等离子弧焊机的大小和钨极内缩尺寸将影响焊接电流的大小，且在工作过程中不能直接调节，所以焊前应根据试样的材质和尺寸确定。试验中焊机喷嘴直径0.8mm，钨极直径1.2mm，钨极内缩尺寸为1.5mm，电极端部在使用前磨成10~15的圆锥角。

 3. 焊前准备

 焊前不锈钢薄壁管必须清洗干净，因为即使是微量的油脂污物或氧化层，对焊接质量都有较大影响。夹具要求光滑平整。操作前，先用细砂纸打磨去除薄壁细管端口的氧化膜和毛刺，使端面光滑平整，再用丙酮超声清洗去除管件表面的杂质和油污，烘干后再用钳子把细管一端口捏成如图1所示的形状，实施焊尾封口。同时为防止熔池与空气接触氧化，用专用辅具对管内通惰性气体氩气进行保护，使焊缝背部不受空气氧化污染。

 4. 焊接过程

 试验所用的电极为钨铈电极。等离子工作气体为氩气，保护气体是氩气中添加少量的氢气。焊接电流采用直流正接。焊接时具体程序如下：①保护气体提前供气；②接通主电源和高压脉冲电源实现引弧；③接通脉冲电源，把待焊的管端垂直向上对准等离子弧开始焊接；④观察端口形成半球面后，衰减脉冲并熄弧；⑤停止送气，完成焊接。

二、结果与讨论

1. 焊接工艺参数选择

 微束脉冲等离子弧焊采用熔入型焊接工艺，焊接过程的控制参数较多，焊接工艺比较复杂，在焊机的大小和钨极内缩尺寸确定的情况下，影响焊缝成形和质量的因素主要有焊接电流、离子气流量、焊接速度以及保护气流量。

（1）焊接电流。焊接电流是微束等离子弧焊的重要工艺参数，对焊缝形状和焊接质量影响很大。封口焊时，过大的电流会将不锈钢精密管烧穿；若焊接电流选用的太小，会产生未焊透，焊缝呈小锯齿状。因此，正确选择焊接电流十分重要。电流强度可根据焊接经验先初步设定，再通过多次试验修正后最终确定，使焊缝有足够的熔深、熔宽和良好的外观形状，以满足封口设计上的要求。

（2）焊接速度。焊接速度也是一个重要的焊接工艺参数。当其他参数不变时，焊接速度快，则被焊接件单位长度上受热少，即焊接线能量小，不足以完全熔化焊缝金属，仅局部熔化，使焊缝呈锯齿状。相反，若焊速太慢，则被焊接件单位长度上受热又过大，母材过度熔化，会产生烧穿或焊缝下陷。对于薄壁不锈钢管，选择焊接速度要与焊接电流配合，使用大电流焊接时，要配合高焊接速度，若选用小电流焊接时，则要配合低焊接速度，只要焊接电流和焊接速度匹配得当，就会得到优质焊缝。焊接速度的确定也应根据不锈钢管的壁厚、尺寸和试验进行确定。

（3）离子气流量。微束等离子弧的等离子气用氩气，其电离电位较低，容易引弧。作为离子气，其流量在焊接过程中一方面影响着等离子弧的稳定性和形态，另一方面还决定着焊缝质量。当离子气流量增大时，则微束等离子弧的弧柱伸出喷嘴的长度会增长，电弧刚性增大，微束等离子弧的转移变得容易。同时，焊缝的熔深和熔宽开始增加。但增大到一定值后，则微束等离子弧就工作在切割状态中，将无法焊接。离子气流量过小，则电弧刚性变小，焊缝熔深、熔宽下降，电弧不稳，微束等离子弧的转移也越加困难，甚至出现断弧。实际操作时，选择只要保证电弧喷出喷嘴的量即可。

（4）保护气体流量。焊接不锈钢常用Ar+2%～5%H2混合气体作为保护气。用氩氢混合气体可显著提高电弧压缩性能和能量密度，提高热效率，改善熔池流动性和湿润性，改善焊缝的保护效果。但要注意，在一定条件下进行等离子弧焊接时，离子气、保护气都用同一种气体时，二者的流量应有一个合理的比例。如果离子气流最过小，保护气流量过大，由于保护气的冷却作用，将会使工作气流紊乱，电弧不稳，保护效果反而不好，且造成不必要的浪费。最后还需强调一点：应用混合保护气体时，一定要保证混合均匀，否则，会造成电弧不稳，影响正常焊接进行。

  在上述装配条件下，经多次焊接工艺试验，获得了薄壁不锈钢微束等离子弧焊接工艺参数：焊接电流15~20A；焊接速度3m/min；等离子气流量0.4~0.5L/min；保护气体（Ar+2%H2）流量4～5L/min。

2. 试件检验

（1）外观检查：经目测薄壁不锈钢管无明显变形，用5倍放大镜目视检查，焊缝表面无咬边、凸起缺陷，表面光滑。

（2）用X射线探伤，根部充分焊透，没有发现裂纹、未熔合、未焊透等缺陷，说明获得了质量优良的接头。

（3）渗漏试验：试件在自由状态下，经受0.8MPa的气压，保压3分钟无泄漏现象；

（4）氨质谱检漏：试样经氨质谱检漏漏率在10-10Pa.m2/s，说明该工艺条件下焊接接头的致密性良好，不存在微气孔。

（5）试件解剖后管内焊缝呈银白色，说明管内充氩气保护效果良好。

三、结论

  采用微束等离子弧焊接工艺，可较好地解决了不锈钢精密管的封口问题，不仅操作简单，成功率高，成品率达90%以上，而且还能很好地控制管材变形，封口效果好，外形美观，密封性能强，壁薄实用。实践证明：不锈钢薄壁管的封端口技术对科研和生产类似产品有借鉴和指导的意义。