学会要闻
弹带的MIG钎堆焊技术研究
时间：2008-09-24 来源：中国机械工程学会焊接分会
弹带的MIG钎堆焊技术研究
马王哲 张善保 杨永波 (哈尔滨焊接研究所 哈尔滨 150080)
邓永钢 （黑龙江华安工业（集团）公司 齐齐哈尔 161000）
渊凡华 （中国人民解放军驻123厂军事代表室 齐齐哈尔 161000）
[摘要]：本文采用MIG钎焊的技术堆焊炮弹弹带，来代替目前炮弹生产中采用的镶嵌弹带。研制了试验设备及焊接材料，探讨了焊接工艺参数对试件化学成分和机械性能的影响，得到了较好的工艺技术，其产品完全满足了生产要求。
[关键词]：MIG钎焊；堆焊；铜带
0 概述
在兵器制造业中，弹带是各种弹丸的密封件，是炮弹弹体结构中的重要组成部分。传统的加工方法，是将环形紫铜或铜合金带锒嵌在弹体上而加工成弹带。这种生产方法的弹带与弹体之间是一种机械连接，其缺点是弹带由机械加工完成，造成弹带金属的浪费；同时由锒嵌加工的需要而使之弹体壁厚增加，在一定程度上减少了炮弹的装药量；有时还出现弹带松动现象，影响射击精度。
针对这种情况，提出了弹带由MIG和TIG填丝方法堆焊铜和铜合金，再经机加工而成。将这种普通的焊接称作为堆焊弹带工艺。这种方法在国外已经广泛用于炮弹生产中，极大的提高了生产效率和产品质量[1，2]。
本文利用自制的设备，研究了焊接工艺参数对产品质量的影响，得出了较佳的工艺参数，试焊了炮弹，并进行了打炮试验。
1 试验设备及焊接材料
试验设备是利用哈焊所为某公司研制的“铝合金自动焊机”，配以自动旋转台、水冷与风冷系统，如图1所示。
图1 铝合金自动焊机
该焊接系统为全数字化焊接电源和四主动送丝机构，该系统具有电弧钎焊功能，可满足MIG钎焊工艺要求。“炮塔座圈自动焊机”的焊接机头具有交流伺服摆动功能。该焊机的控制采用日本三菱PLC和人机界面，所有焊接参数：焊接电流、电弧电压、焊接速度、摆动速度、摆动幅度、两端停留时间等均在人机界面上设定。
焊接试验用的母材为35CrMnSiA。选用了焊丝HS201，焊丝直径有φ1.0、φ1.2、φ1.6mm三种，该焊丝具有焊接工艺性能优良、焊缝成型良好、机械性能高、抗裂性好等优点。焊接保护气为：纯Ar。
2 试验内容及方法
通过试验找出了满足弹带宽度的摆幅、摆速、两端停留时间、焊速、电流、电压、保护气流量等参数的关系。利用最佳的摆动焊和单道焊参数进行上坡焊和下坡焊的比较。
对薄壁弹（5.5mm）及厚壁弹（15.5mm）进行了水冷及风冷堆焊试验；并进行了以下内容的检验： ⑴ 焊缝含Fe量检测；⑵ 金相组织检验；⑶ 热影响区硬度试验；⑷ 焊缝无损探伤（超声波探伤）检验；⑸ 弹体及焊缝的拉伸性能试验；⑹ 焊缝剪切强度试验； ⑺ 焊后热处理的接头拉伸性能与焊缝结合剪切强度试验。
为了进行实弹的发射检验，试焊了数枚炮弹，如图2所示。
图2 MIG钎堆焊的炮弹照片
3 试验结果与分析
3.1焊接工艺参数对焊缝含铁量的影响
不同焊接工艺参数及冷却方式对MIG（钎）堆焊焊缝含Fe量有不同的影响。由试验分析结果可见，采用MIG电弧钎焊方法进行弹带铜环堆焊，堆焊铜环的返（含）Fe量，冷却方式对其影响不大，焊接工艺参数对其影响较大。
图3 焊接速度对含铁量的影响
图4 焊接电流对含铁量的影响
由图3看出，随着焊接速度增大，焊缝含铁量增加，这是因为当焊接速度小时，电弧更多作用在熔敷金属上，而焊接速度大时，电弧更多地作用在母材上。由图4可以看出，焊缝含铁量随焊接电流增大而提高。通过控制工艺参数（焊接电流、电压、焊速、摆速、摆幅及两端停留时间等），特别是焊接电流和焊速，可以控制其含Fe量在1％以下，使其满足弹带要求。
3.2金相组织检验
薄壁弹（5.5mm）弹带堆焊接头的金相检验结果见下图。由图5可见，两种冷却方式的堆焊层与弹体接合良好但熔深很浅，其熔合部是原子间的结合（钎焊接头），铜带堆焊层中有Fe元素存在，这与铜带堆焊层化学分析结一致，也进一步说明了堆焊铜带与弹体接合良好。从图6，400×金相组织看，其弹体热影区组织均为马氏体组织。
图5 50x金相组织
图6 400x金相组织
3.3热影响区宽度及硬度
从图7可以看出风冷的焊接热影响区的宽度比水冷大的多。
图7 不同冷却方式对热影响区的影响对比图
薄壁弹（5.5mm）风冷和空冷热影响区硬度试验结果见图8。
从图8可见空冷热影响区的硬度明显高于母材，这与热影区金相组织一致。水冷热影响区的硬度与母材基本相同，是因为水冷热影响区太小，硬
度点未打到热影响区内。
图8硬度试验结果
3.4焊缝检验
使用最佳工艺参数焊接的弹带，经表面、车床层车、超声波无损探伤检验，其表面及内部未发现裂纹、未熔合、气孔等缺陷。
3.5弹体及焊缝的拉伸性能试验
厚壁弹（15.5mm）的水冷及风冷弹体焊接接头车掉弹带堆焊层后拉伸性能见表1堆焊弹带的拉伸性能见表2。。由表1和表2可以看出，焊后弹体和堆焊弹带拉伸性能（抗拉强度Rm＞1100N/mm2），满足炮弹性能要求。焊后经退火处理，抗拉强度降低60 N/mm2，断后伸长率增加7％，断面收缩率增加30％。
表1 弹体的拉伸性能
弹 型 冷却方式 屈服强度Rel(N/mm2) 抗拉强度Rm(N/mm2) 断后伸长率(A50%) 断面收缩率（Z％） 试件型式
厚壁弹 风冷 1053 1206 16 / 板式弧型
水冷 1053 1233 9.3 32.5 圆棒
空冷焊后 / 1196 8.66 17.66
焊后退火 953 1136.6 15.3 50
母材 1290 1380 13.83 44.33
表2 堆焊弹带的拉伸性能
试件 冷却方式 试件型式 取样位置： 抗拉强度Rm(N/mm2) 断后伸长率(A50%) 焊接规范
堆焊弹带 空冷 板式 h＝1.5～4.8mm 275 13 120A,20V
堆焊弹带 无 板式 h＝1.5～4.8mm 200 14 80A,20V 120A,20V
堆焊弹带 空冷 园棒 h＝6～12mm 230 35 120A,20V
3.6焊缝结合强度剪切试验
经对弹带堆焊焊缝剪切试验，其焊后剪切强度（τ）为：150 N/mm2，断裂位置在堆焊弹带上（不在熔合线上）。焊后经淬火（900℃±10℃）＋退火（510℃±10℃）剪切强度（τ）为：210 N/mm2，断裂位置在堆焊弹带上（不在熔合线上）。
4 试验结论
通过对“自动MIG钎（堆）焊弹带” 含Fe量分析； 金相组织、热影响区硬度试验； 焊缝无损探伤（超声波探伤）检验；弹体及焊缝的机械性能和焊缝结合强度剪切试验，并经初步打炮证明：该工艺可基本完满足炮弹弹带堆焊的要求。
参考文献
[1] 王克鸿. 无熔深熔覆铜工艺. 焊接学报，2001，22（6）：69～72
[2] Malin V.Development of mold solidification welding for depositing non-ferrous alloysontosteel[J].weld.J,1992, 71(5):35～36
马王哲 张善保 杨永波 (哈尔滨焊接研究所 哈尔滨 150080)
邓永钢 （黑龙江华安工业（集团）公司 齐齐哈尔 161000）
渊凡华 （中国人民解放军驻123厂军事代表室 齐齐哈尔 161000）
[摘要]：本文采用MIG钎焊的技术堆焊炮弹弹带，来代替目前炮弹生产中采用的镶嵌弹带。研制了试验设备及焊接材料，探讨了焊接工艺参数对试件化学成分和机械性能的影响，得到了较好的工艺技术，其产品完全满足了生产要求。
[关键词]：MIG钎焊；堆焊；铜带
0 概述
在兵器制造业中，弹带是各种弹丸的密封件，是炮弹弹体结构中的重要组成部分。传统的加工方法，是将环形紫铜或铜合金带锒嵌在弹体上而加工成弹带。这种生产方法的弹带与弹体之间是一种机械连接，其缺点是弹带由机械加工完成，造成弹带金属的浪费；同时由锒嵌加工的需要而使之弹体壁厚增加，在一定程度上减少了炮弹的装药量；有时还出现弹带松动现象，影响射击精度。
针对这种情况，提出了弹带由MIG和TIG填丝方法堆焊铜和铜合金，再经机加工而成。将这种普通的焊接称作为堆焊弹带工艺。这种方法在国外已经广泛用于炮弹生产中，极大的提高了生产效率和产品质量[1，2]。
本文利用自制的设备，研究了焊接工艺参数对产品质量的影响，得出了较佳的工艺参数，试焊了炮弹，并进行了打炮试验。
1 试验设备及焊接材料
试验设备是利用哈焊所为某公司研制的“铝合金自动焊机”，配以自动旋转台、水冷与风冷系统，如图1所示。
图1 铝合金自动焊机
该焊接系统为全数字化焊接电源和四主动送丝机构，该系统具有电弧钎焊功能，可满足MIG钎焊工艺要求。“炮塔座圈自动焊机”的焊接机头具有交流伺服摆动功能。该焊机的控制采用日本三菱PLC和人机界面，所有焊接参数：焊接电流、电弧电压、焊接速度、摆动速度、摆动幅度、两端停留时间等均在人机界面上设定。
焊接试验用的母材为35CrMnSiA。选用了焊丝HS201，焊丝直径有φ1.0、φ1.2、φ1.6mm三种，该焊丝具有焊接工艺性能优良、焊缝成型良好、机械性能高、抗裂性好等优点。焊接保护气为：纯Ar。
2 试验内容及方法
通过试验找出了满足弹带宽度的摆幅、摆速、两端停留时间、焊速、电流、电压、保护气流量等参数的关系。利用最佳的摆动焊和单道焊参数进行上坡焊和下坡焊的比较。
对薄壁弹（5.5mm）及厚壁弹（15.5mm）进行了水冷及风冷堆焊试验；并进行了以下内容的检验： ⑴ 焊缝含Fe量检测；⑵ 金相组织检验；⑶ 热影响区硬度试验；⑷ 焊缝无损探伤（超声波探伤）检验；⑸ 弹体及焊缝的拉伸性能试验；⑹ 焊缝剪切强度试验； ⑺ 焊后热处理的接头拉伸性能与焊缝结合剪切强度试验。
为了进行实弹的发射检验，试焊了数枚炮弹，如图2所示。
图2 MIG钎堆焊的炮弹照片
3 试验结果与分析
3.1焊接工艺参数对焊缝含铁量的影响
不同焊接工艺参数及冷却方式对MIG（钎）堆焊焊缝含Fe量有不同的影响。由试验分析结果可见，采用MIG电弧钎焊方法进行弹带铜环堆焊，堆焊铜环的返（含）Fe量，冷却方式对其影响不大，焊接工艺参数对其影响较大。
图3 焊接速度对含铁量的影响
图4 焊接电流对含铁量的影响
由图3看出，随着焊接速度增大，焊缝含铁量增加，这是因为当焊接速度小时，电弧更多作用在熔敷金属上，而焊接速度大时，电弧更多地作用在母材上。由图4可以看出，焊缝含铁量随焊接电流增大而提高。通过控制工艺参数（焊接电流、电压、焊速、摆速、摆幅及两端停留时间等），特别是焊接电流和焊速，可以控制其含Fe量在1％以下，使其满足弹带要求。
3.2金相组织检验
薄壁弹（5.5mm）弹带堆焊接头的金相检验结果见下图。由图5可见，两种冷却方式的堆焊层与弹体接合良好但熔深很浅，其熔合部是原子间的结合（钎焊接头），铜带堆焊层中有Fe元素存在，这与铜带堆焊层化学分析结一致，也进一步说明了堆焊铜带与弹体接合良好。从图6，400×金相组织看，其弹体热影区组织均为马氏体组织。
图5 50x金相组织
图6 400x金相组织
3.3热影响区宽度及硬度
从图7可以看出风冷的焊接热影响区的宽度比水冷大的多。
图7 不同冷却方式对热影响区的影响对比图
薄壁弹（5.5mm）风冷和空冷热影响区硬度试验结果见图8。
从图8可见空冷热影响区的硬度明显高于母材，这与热影区金相组织一致。水冷热影响区的硬度与母材基本相同，是因为水冷热影响区太小，硬
度点未打到热影响区内。
图8硬度试验结果
3.4焊缝检验
使用最佳工艺参数焊接的弹带，经表面、车床层车、超声波无损探伤检验，其表面及内部未发现裂纹、未熔合、气孔等缺陷。
3.5弹体及焊缝的拉伸性能试验
厚壁弹（15.5mm）的水冷及风冷弹体焊接接头车掉弹带堆焊层后拉伸性能见表1堆焊弹带的拉伸性能见表2。。由表1和表2可以看出，焊后弹体和堆焊弹带拉伸性能（抗拉强度Rm＞1100N/mm2），满足炮弹性能要求。焊后经退火处理，抗拉强度降低60 N/mm2，断后伸长率增加7％，断面收缩率增加30％。
表1 弹体的拉伸性能
弹 型 冷却方式 屈服强度Rel(N/mm2) 抗拉强度Rm(N/mm2) 断后伸长率(A50%) 断面收缩率（Z％） 试件型式
厚壁弹 风冷 1053 1206 16 / 板式弧型
水冷 1053 1233 9.3 32.5 圆棒
空冷焊后 / 1196 8.66 17.66
焊后退火 953 1136.6 15.3 50
母材 1290 1380 13.83 44.33
表2 堆焊弹带的拉伸性能
试件 冷却方式 试件型式 取样位置： 抗拉强度Rm(N/mm2) 断后伸长率(A50%) 焊接规范
堆焊弹带 空冷 板式 h＝1.5～4.8mm 275 13 120A,20V
堆焊弹带 无 板式 h＝1.5～4.8mm 200 14 80A,20V 120A,20V
堆焊弹带 空冷 园棒 h＝6～12mm 230 35 120A,20V
3.6焊缝结合强度剪切试验
经对弹带堆焊焊缝剪切试验，其焊后剪切强度（τ）为：150 N/mm2，断裂位置在堆焊弹带上（不在熔合线上）。焊后经淬火（900℃±10℃）＋退火（510℃±10℃）剪切强度（τ）为：210 N/mm2，断裂位置在堆焊弹带上（不在熔合线上）。
4 试验结论
通过对“自动MIG钎（堆）焊弹带” 含Fe量分析； 金相组织、热影响区硬度试验； 焊缝无损探伤（超声波探伤）检验；弹体及焊缝的机械性能和焊缝结合强度剪切试验，并经初步打炮证明：该工艺可基本完满足炮弹弹带堆焊的要求。
参考文献
[1] 王克鸿. 无熔深熔覆铜工艺. 焊接学报，2001，22（6）：69～72
[2] Malin V.Development of mold solidification welding for depositing non-ferrous alloysontosteel[J].weld.J,1992, 71(5):35～36