葛會(huì)冰 李其雄 王波

（山東新華醫(yī)療器械股份有限公司 255086）

一種冷凍干燥機(jī)制冷板層電阻焊接頭強(qiáng)度研究

葛會(huì)冰 李其雄 王波

（山東新華醫(yī)療器械股份有限公司 255086）

冷凍干燥機(jī)是生物制藥行業(yè)的核心裝備之一，而制冷板層則是冷凍干燥機(jī)的核心部件，對(duì)制冷效果具有決定性影響。但在使用過(guò)程中，其疲勞破壞一直是困擾業(yè)界的主要問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)得知影響疲勞破壞的主要因素是板層面板與連接件間的阻焊焊點(diǎn)大小與焊點(diǎn)噴濺程度。本文通過(guò)對(duì)影響熔核大小及噴濺的各種因素進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一系列改進(jìn)方案，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，最終保證產(chǎn)品可靠性。

冷凍干燥機(jī)；疲勞破壞；凸焊；熔核；噴濺；強(qiáng)度

1 概述

1.1 板層結(jié)構(gòu)構(gòu)成

凍干機(jī)板層主要由上下面板、導(dǎo)流管、上下左右封邊等構(gòu)件組成的組焊結(jié)構(gòu)，材料為耐蝕性良好的316L。板層內(nèi)部通以冷卻介質(zhì)進(jìn)行制冷。板層的面板與導(dǎo)流方鋼管的焊接采用儲(chǔ)能式電阻凸焊的焊接形式。

我廠采用的板層外觀圖如圖1所示。

圖1 板層結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 板層工作狀態(tài)

板層在工作過(guò)程中要經(jīng)過(guò)制冷、加熱，真空、加壓等循環(huán)過(guò)程。主要的兩種工作條件組合是：

（1）工件溫度T=80℃、內(nèi)部壓力2.0kg、外部真空。

（2）工件溫度T=-55℃、內(nèi)部壓力2.0kg、外部真空。

1.3 板層主要失效形式

板層在使用過(guò)程中，主要失效形式是阻焊焊點(diǎn)斷裂、工件起鼓導(dǎo)致功能喪失。

2 影響接頭強(qiáng)度的主要因素分析及改善措施

2.1 破壞板層焊接接頭熔核大小試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)生破壞的10塊板層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)所有的破壞點(diǎn)均發(fā)生在B面，為此，首先對(duì)A、B面的熔核大小進(jìn)行了初步腐蝕試驗(yàn)。

2.1.1 試驗(yàn)過(guò)程

（1）將線切割的板層進(jìn)行除油，清水沖洗后壓縮氣吹干。（2）用百葉片打磨板層電阻焊區(qū)域，修磨至無(wú)線切割條紋。

（3）用羊毛輪將打磨區(qū)域磨光成鏡面。

（4）用丙酮清洗干凈。

（5）配制硫酸銅腐蝕液待用。

（6）用膠頭滴管將腐蝕液滴到磨光區(qū)域，3～5min后用清水沖洗干凈，觀察表面狀態(tài)。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，板層線切割兩側(cè)均有點(diǎn)焊熔合形成，但是熔合區(qū)域大小不一，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

結(jié)論：B面由于施工條件惡劣，導(dǎo)致焊點(diǎn)大小僅有A面的1/3。雖然工件加工后能通過(guò)3.5kg的耐壓試驗(yàn)，卻無(wú)法滿足使用過(guò)程中的持久強(qiáng)度要求。因此本文的主要工作就是提高B面的焊點(diǎn)大小，以滿足使用要求。

2.2 改善試驗(yàn)及措施

點(diǎn)焊時(shí)產(chǎn)生的熱量由下式?jīng)Q定：

表1 腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

式中：Q-產(chǎn)生的熱量（J）；I-電流（A）；R-電阻（Ω）；t-焊接時(shí)間（S）。

2.2.1 提高焊接電流

采用的阻焊設(shè)備由獨(dú)立4臺(tái)電源供電，采用的第一個(gè)辦法是提高焊接電流，將一次焊接2個(gè)點(diǎn)改為一次焊接1個(gè)點(diǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果：

（1）超聲檢測(cè)顯示（圖2）等效直徑增加，大小平均增加到4.6mm，但發(fā)生嚴(yán)重噴濺，影響焊接質(zhì)量。

圖2 增大電流后超聲檢測(cè)焊點(diǎn)情況示意圖

（2）單個(gè)焊點(diǎn)的拉力破壞試驗(yàn)顯示結(jié)果與不增加電流相當(dāng)，約為5.1kN，見(jiàn)表2。

表2 增加電流后的破壞力列表

2.2.2 提高電極壓力

因?yàn)椴讳P鋼的導(dǎo)熱性僅有碳鋼的1/3，熱量容易聚集，在電極壓力不足的情況下，容易產(chǎn)生噴濺。經(jīng)過(guò)對(duì)焊接參數(shù)的檢測(cè)（見(jiàn)圖3），發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程壓力降低較為劇烈，而回升則過(guò)于緩慢，規(guī)范較軟。而不銹鋼焊接應(yīng)為硬規(guī)范，為此應(yīng)加大對(duì)規(guī)范的調(diào)整。

（1）選用大規(guī)格氣缸，增加電極壓力。

（2）增加電極剛性。

試驗(yàn)結(jié)果：

因破壞力對(duì)結(jié)果有直接關(guān)系，僅進(jìn)行破壞力試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，增加電極壓力后，試驗(yàn)結(jié)果得到明顯改善，破壞力加倍達(dá)到11.1kN，見(jiàn)表3。

2.2.3 增加凸點(diǎn)尺寸

圖3 焊接過(guò)程參數(shù)曲線

表3 增加電極壓力的破壞力列表

剖切斷面腐蝕結(jié)果顯示，增加電機(jī)壓力，雖然加大了破壞力，但仍發(fā)生噴濺，熱量仍然過(guò)于聚集。為進(jìn)一步減少熔核噴濺情況，增加凸點(diǎn)尺寸，減小電流密度。

測(cè)試結(jié)果：

通過(guò)以上改善，取得了良好的結(jié)果，超聲檢測(cè)顯示，焊點(diǎn)噴濺情況大幅改善，熔核直徑成倍增加。

（1）超聲顯示的熔核情況，見(jiàn)圖4。

（2）破壞力得到成倍提高，見(jiàn)表4。

3 破壞性壓力試驗(yàn)

為了判斷板層改善后的效果，根據(jù)ASME-Ⅷ-Ⅰ的要求，需進(jìn)行4倍工作壓力的壓力試驗(yàn)，不得出現(xiàn)明顯的變形與異常響聲。試驗(yàn)結(jié)果顯示完全達(dá)到要求。

圖4 改善后的超聲檢測(cè)結(jié)果

表4 增加電極壓力的破壞力列表

4 結(jié)論

以上實(shí)踐表明，電阻凸焊技術(shù)用于凍干機(jī)板層的加工是可行的，只要對(duì)影響焊接質(zhì)量的因素焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力、凸點(diǎn)尺寸詳細(xì)進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)格控制加工過(guò)程，就能有效避免焊接缺陷，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的強(qiáng)度，得到令人滿意的效果。

[1]趙熹華，主編.壓力焊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[2]馮友仁.電阻焊的質(zhì)量控制.現(xiàn)代制造，2008.

[3]李占斌.超聲波探傷在壓力容器焊接質(zhì)量控制中的應(yīng)用.河南科技，2009.

[4]《鋼制壓力容器》（GB150-1998）[S].

[5]ASME.-Code，Section Ⅷ division I[M].New York：The American Society of MechanicalEngineers，2007.

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1004-7344（2016）17-0196-02

2016-5-16