王文平 賈春林 張 寬 謝繼香

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TIG焊焊接管路組件控制氧化工藝研究

王文平 賈春林 張 寬 謝繼香

（北京控制工程研究所，北京 100190）

針對(duì)衛(wèi)星用鈦合金和不銹鋼管路連接件TIG焊接過(guò)程中出現(xiàn)氧化問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)新型焊接保護(hù)罩，改善保護(hù)罩密封性，提高罩內(nèi)氬氣純度，減少氧化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)裝夾散熱保護(hù)工裝，降低焊接熱影響區(qū)溫度，使焊槍流出的氬氣能在焊縫周圍短時(shí)間存留，焊接氧化得到了有效控制，最終降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

氬弧焊；氧化；工藝；工裝

1 引言

TIG焊（鎢極氬弧焊）是以燃燒于非熔化電極與焊件間的電弧作為熱源，電極和電弧區(qū)及熔化金屬用氬氣保護(hù)，使之與空氣隔絕，減少氧化。脈沖TIG焊作為TIG焊的一種，因其適宜焊接薄壁管路，焊縫質(zhì)量高而被廣泛采用。

目前TIG焊主要采用能夠罩住待焊工件的密封外罩，并在外罩的腔體內(nèi)設(shè)有充氣管和冷卻裝置的方式，減少待焊接部位的氧氣含量，并及時(shí)增加熱量傳導(dǎo)，減少焊縫周圍氧化。有時(shí)也會(huì)采用抽真空后充氬的方式保護(hù)焊縫，減少氬氣損耗，但是需要焊前等待抽真空，對(duì)于需二次裝配的管路組件的焊接較為麻煩，并且配置抽真空系統(tǒng)較為昂貴。本文采用保護(hù)罩和裝卡防護(hù)工裝相結(jié)合的方式減少其附近區(qū)域氧化。

2 管路連接件焊接問(wèn)題及問(wèn)題分析

2.1 焊接問(wèn)題

a 鈦合金管路 b 不銹鋼管路

在衛(wèi)星用單組元和雙組元推進(jìn)系統(tǒng)中管路連接件一直采用TIG焊接，管路連接件材料有鈦合金和不銹鋼兩種，結(jié)構(gòu)形式為搭接結(jié)構(gòu)，采用保護(hù)罩內(nèi)通氬氣，能隔絕大部分空氣焊接過(guò)程中對(duì)焊縫質(zhì)量的影響，一定程度上能夠改善管路焊接氧化，但當(dāng)焊接材料為不銹鋼時(shí)，由于不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)大，熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)，焊縫熱影響區(qū)增大，最終造成焊縫周圍大面積氧化，如圖1所示，需要鉗工耗費(fèi)大量時(shí)間，用布砂輪或者拋光砂紙拋光，增加了人工成本，影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

2.2 問(wèn)題分析

分析管路組件的焊接過(guò)程：管路組件焊接前，保護(hù)罩內(nèi)預(yù)先并持續(xù)通99.999%氬氣，降低保護(hù)罩內(nèi)的氧氣含量，使工件整體處于受氬氣保護(hù)狀態(tài)。焊接過(guò)程中，焊槍同時(shí)流出氬氣對(duì)電極和電弧區(qū)及熔化金屬進(jìn)行進(jìn)一步保護(hù)。

焊后結(jié)果：焊縫處受保護(hù)程度較好，幾乎無(wú)氧化；焊縫周圍出現(xiàn)不同程度的氧化；不銹鋼氧化程度較鈦合金嚴(yán)重。

結(jié)論：保護(hù)罩內(nèi)氬氣純度不高，保護(hù)效果有限；保護(hù)罩的密封效果有待改進(jìn)；不銹鋼的熱傳導(dǎo)性較好，導(dǎo)致熱影響區(qū)氧化嚴(yán)重；工件熱影響區(qū)溫度需控制。

3 解決方法

3.1 新型焊接保護(hù)罩的應(yīng)用

老的焊接保護(hù)罩連接部位采用螺釘緊固的方式固定，保護(hù)罩連接部位有縫隙，密封性較差，上面板操作窗口的蓋板厚1mm，易導(dǎo)致氬氣從間隙處泄露，工件受保護(hù)程度不高，造成工件一定程度上氧化。

新保護(hù)罩的設(shè)計(jì)方案：依據(jù)新機(jī)床主軸及工件的尺寸，同時(shí)為了便于加工，保護(hù)罩內(nèi)尺寸為330mm×240mm×230mm的長(zhǎng)方體，其中左右面板為玻璃鋼，用于阻擋焊接弧光，其余采用有機(jī)玻璃，便于觀察工件裝夾找正。保護(hù)罩箱體結(jié)合部位采用螺釘和密封膠進(jìn)行雙重密封，提高密封效果，并且增加上面板操作窗蓋板的寬度和厚度2mm，利用蓋板自重來(lái)增加窗口密封效果，如圖2所示。

圖2 新型焊接保護(hù)罩

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，工件的氧化程度有所減少，但焊后熱影響區(qū)仍然存在一定程度的氧化，因此如果能夠有效降低工件熱影響區(qū)的溫度以及增加熱影響區(qū)的氬氣保護(hù)，工件氧化能得到進(jìn)一步改善。

3.2 裝夾散熱工裝的應(yīng)用

1—滑動(dòng)墊片 2—螺釘1 3—螺釘2 4—底座

為降低工件熱影響區(qū)的溫度，設(shè)計(jì)了一種焊接搭接結(jié)構(gòu)管路的裝卡防護(hù)工裝，工裝材料為紫銅，散熱性能好，主要包括底座、滑動(dòng)墊片、螺釘?shù)攘慵?，如圖3所示。底座小直徑一端為三爪裝卡端，大直徑一端為裝卡焊接組件端，小端和大端相交端面起到定位作用，底座大端端面開(kāi)T型槽，槽深和槽寬與焊接管座的尺寸相配，槽寬配合間隙為0.05mm以內(nèi)，槽深和管座平臺(tái)尺寸相同。底座的中心軸線方向開(kāi)有中心通孔，通孔和管座的外徑相配，配合間隙為0.02mm以內(nèi)，起到放置管子、焊接組件定位和通氬氣保護(hù)內(nèi)孔，避免氧化的作用，在此大端面頂端開(kāi)有2個(gè)螺紋孔，目的是分別連接兩個(gè)滑動(dòng)墊片。大端面的側(cè)面也開(kāi)有螺紋孔，起到固定焊接組件的作用?；瑒?dòng)墊片為半圓形，外徑盡量與底座大端外徑相同，并開(kāi)有裝螺釘?shù)耐?，此通孔比螺紋孔大0.10mm以上，便于裝卡，通過(guò)螺釘把滑動(dòng)墊片和底座連接成一個(gè)整體，此種結(jié)構(gòu)適用于各種結(jié)構(gòu)的管路裝卡焊接，保證焊縫外觀和內(nèi)部質(zhì)量。管路裝卡如圖4所示。

通過(guò)試驗(yàn)，使用裝卡散熱工裝彌補(bǔ)搭接焊縫結(jié)構(gòu)的不足，能夠更好地避免焊接過(guò)程中保護(hù)罩中殘余空氣到熱影響區(qū)，同時(shí)紫銅的良好散熱性能能夠有效控制焊接熱影響區(qū)氧化，如圖5所示，此工裝很容易裝卡找正，裝卡方便，一定程度上提高焊接工作效率。

a 鈦合金對(duì)比圖 b 不銹鋼對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

新型TIG焊保護(hù)罩以及裝夾散熱工裝的應(yīng)用，能夠有效控制工件焊后氧化，同時(shí)，該裝卡散熱工裝使工件裝卡找正更加方便，提高了焊接工作效率，節(jié)約了成本，縮短了生產(chǎn)周期。

1 彭尚宇，李麗紅，吳發(fā)郎，等. 不銹鋼小徑管背面免充氬TIG焊工藝[J]. 焊接技術(shù)，2005，34(8)：72～73

2 王文平，張志偉，黎月明，等. 一種裝卡工裝及采用該裝卡工裝進(jìn)行毛細(xì)管路焊接的方法.中國(guó), CN201510271969.7[P]. 2015-10-14

3 王文平，張志偉，黎月明，等. 一種搭接結(jié)構(gòu)管路氬弧焊防護(hù)工裝：中國(guó)，CN201520733591.3[P]. 2016-3-30

Study on Control Oxidation Process of Pipeline Assembly in TIG Welding

Wang Wenping Jia Chunlin Zhang Kuan Xie Jixiang

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

In order to solve the problem of oxidation of titanium alloy and stainless steel pipe assembly for satellite in TIG welding, the new welding protective cover is adopted to improve the sealing of the protective cover and the purity of argon in the hood, and reduce the oxidation. On this basis, The welding dissipation tooling is designed，so that it can reduce the temperature of the heat affected zone and the argon gas out of the welding torch can stay for a short time around the molten zone. The welding oxidation can be effectively controlled, which will reduce the production cost and improve the welding quality of the product.

argon arc welding；oxidation；process；tooling

王文平（1985），碩士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：航天器產(chǎn)品的真空電子束焊、鎢極氬弧焊、真空釬焊以及熱處理等。

2017-10-07