[发明专利]一种镍基合金模具钢厚板脉冲MIG摆动焊接工艺

说明书

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。

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