李潮偉 胡明宇 閻文祥 鄒雙陽 劉鋮丹 陳志

摘要：為了在圓棒狀構件內密封高壓氦氣，研制了一種新型的端塞堵孔密封焊接裝置。針對圓棒狀構件端塞的特殊結構和小批量生產的特點，結合具體焊接要求，分析了氦氣密封焊接的主要難點;在此基礎上設計了一體化的集成腔室焊接方法，替代了傳統大型壓力艙內的氣體密封焊接。使用研制的焊接裝置開展了焊接工藝試驗，并對焊后試件進行了氦檢漏和焊點中心組織的金相觀察，最終實現了高壓氦氣下的有效密封焊接。該焊接裝置具有操作方便，成本可控的優(yōu)點，可推廣應用于其他圓棒狀器件的高壓密封焊接。

關鍵詞：堵孔焊接;焊接裝置;高壓氦氣;密封

中圖分類號：TG457? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0041-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.08

0? ? 前言

氦氣是一種具有高安定性、小中子吸收截面特點的惰性氣體，在工業(yè)中應用廣泛。為了在圓棒狀構件中密封高壓氦氣，需要在高壓氦氣環(huán)境下對圓棒端塞進行密封堵孔焊接，這是圓棒狀構件焊接成形的最后一道焊接工序，須嚴格控制氦泄露率。為了滿足小批量生產的需求，需設計一套焊接裝置，通過調節(jié)鎢極與焊點距離并控制熱輸入量，來保證成功引弧和成形質量。

目前，高壓環(huán)境下的焊接裝備及工藝已經取得了一些研究成果，并在科研和生產中得到應用。焦向東[1-2]等人結合海洋管道焊接修復需求，開發(fā)了一套高壓環(huán)境焊接模擬實驗艙，開展電弧行為和焊接工藝的研究。已有研究表明[3]，高壓惰性氣體環(huán)境下，焊接電弧受到壓縮作用，其特性發(fā)生改變，焊接過程的穩(wěn)定性迅速惡化。陳樹君[4]等人對保護氣為氦氣的TIG焊電弧行為和熱輸出特性進行了研究，認為氦弧的電流密度和電弧力高于傳統氬弧。朱加雷[5]等人搭建了一套高壓焊試驗艙及激光增強系統，提出激光增強可以提高MIG焊過程的穩(wěn)定性。

目前，高壓環(huán)境下的焊接裝備與工藝研究主要面向水下焊接，國內針對圓棒狀構件的氦氣密封焊接研究較少。文中以圓棒狀構件的端塞堵孔密封焊接為研究對象，對焊接的檢驗要求和工藝難點進行梳理和分析。高壓密封堵孔焊接原理如圖1所示。為了在圓棒狀構件內密封高壓氦氣，設計了一套高壓氣體密封焊接試驗裝置并開展了相關工藝試驗及應用研究。

1 密封堵孔焊接要求與難點

1.1 焊接要求

為了實現在圓棒狀構件內密封高壓氦氣，采用手工TIG自熔焊方法對圓棒端塞進行密封焊接。密封端塞的母材為0Cr18Ni10Ti不銹鋼，其化學成分如表1所示。焊接坡口結構為帶有中心氣孔的變徑端塞，端塞焊接側直徑約10 mm，凸臺高度約3 mm，氣孔內徑約1.5 mm，如圖2所示。

焊接主要流程：將圓棒狀構件的端塞密封在壓力腔室中，通過端塞內預留的氣孔將圓棒狀構件抽真空后，通入純度不低于99.99%的高壓氦氣，氣體壓力1.6 MPa，保壓5 min以上，重復上述過程3次，確保端塞氣孔內外均為純凈氦氣且壓力一致后進行密封堵孔焊接。要求焊后焊點表面光滑、無劃傷，呈半球形，堵孔焊點熔深≥1.5 mm。使用5倍放大鏡檢測焊點表面，應無氣孔、裂紋、未熔合區(qū)和氧化缺陷;通過X射線檢測焊點內部，應無裂縫和夾雜等缺陷。允許存在直徑≤0.02 mm 的分散氣孔，但焊接區(qū)域內可觀察的氣孔數不得超過4個。堵孔焊接完成后，對圓棒進行氦質譜檢漏，氦氣的泄漏率應低于1.33×10-8 Pa·m3/s。

1.2 焊接難點

高壓氦氣下圓棒狀構件端塞密封焊接難點主要包括兩個方面。

1.2.1 高壓氦氣下的引弧

在設計中，圓棒狀構件內需密封高壓氦氣，端塞堵孔焊接須在高壓氦氣環(huán)境中進行。已有研究表明，電弧穩(wěn)定性隨氦氣比例的增大而降低，當氦氣體積分數超過70%時引弧困難，同時氣體擊穿電壓隨著壓力的升高而增大，因此高壓純氦氣體環(huán)境下引弧較為困難，且存在電弧不穩(wěn)定現象[6-7]。這就要求在端塞的密封堵孔焊接中應選擇合適的引弧方法，合理設計鎢極與焊接坡口之間的距離，在確保不粘鎢的前提下獲得穩(wěn)定的引弧。

1.2.2 焊接熱輸入控制

圓棒狀構件端塞的待焊凸臺端面為豎直平面，焊點較小，熔池支撐有限。高熱輸入量會使得金屬凝固時間增加，熔池受重力影響下墜，焊點呈水滴形狀，如圖3所示。相反，若熱輸入量過小會造成焊點內部未熔合或焊接熔深過淺等缺陷，不滿足成形質量要求。因此，在焊接過程中需要嚴格控制焊接熱輸入量，確保焊接質量和焊后形貌。

針對上述端塞密封堵孔焊接的工藝需求和主要難點，設計了一套專用焊接試驗裝置，并開展了相關應用試驗。

2 端塞堵孔焊接裝置設計

2.1 焊接裝置總體設計

為實現在圓棒狀構件內密封高壓氦氣，研制了一套堵孔焊接試驗裝置系統（見圖4），主要包括高壓密封腔室系統和焊接系統兩個部分。密封腔室采用集成化設計，端塞堵孔焊接在密封腔室內進行。焊接前，通過真空泵將密封腔室抽真空至7 Pa，保壓5 min不發(fā)生泄露后充入氦氣至約1.6 MPa，重復上述過程3次，以確保腔室內獲得高純度的氦氣。焊接系統主要由鎢極、焊槍、焊接電源等組成，并配備鎢極打磨機等輔助設備。

2.2 焊接裝置關鍵結構設計

在保證腔室密封性的基礎上，為了適應高壓堵孔焊接作業(yè)需求，對焊接裝置的幾個關鍵組件進行了設計。傳統的高壓氣體氛圍焊接主要在大型密封艙內進行，焊槍、工件卡具和變位機構均在密封艙內，具有較好的通用性，但成本高昂。為了滿足研究中圓棒狀構件特有結構和小批量生產的特點，研制了專用小型集成化密封焊接腔室組件，將焊槍和待焊端塞的卡具集成到焊接腔室上，并設計相關的密封結構保持高壓氦氣，如圖5所示。

針對高壓氦氣環(huán)境下的引弧難點和鎢極與焊點間距的調整需求，在焊槍和絕緣套之間設計了密封調整墊圈，通過更換不同厚度的密封墊圈控制電弧長度。由于焊槍鎢極與端塞密封小孔的對中存在位置偏差，將直接影響熱源的中心位置，造成焊接成形不良，產生質量缺陷。因此密封腔室的設計和制造需要嚴格保證裝配后的待焊端塞氣孔與焊槍鎢極中心的同軸度。為了實現焊接過程的實時觀察，設計了防爆玻璃密封的觀察監(jiān)測組件，并通過螺釘調節(jié)壓緊密封。

3 焊接試驗及應用

3.1 試驗設備和材料

試驗設備包括一套自行研制的端塞堵孔密封焊接裝置和一臺TETRIX421型手工電弧焊機。鎢極采用規(guī)格為φ3.2 m的鈰鎢極，直流正接。鎢極用打磨機縱向打磨成30°圓錐形尖角，頂端倒鈍。焊接在高壓密封腔室內進行，通入純度不低于99.99%的氦氣，氣體壓力約1.6 MPa，采用自熔焊接方法實現端塞密封成形。

3.2 焊接引弧實驗

引弧、燃弧穩(wěn)定和收弧是電弧焊接過程的3個重要環(huán)節(jié)。端塞堵孔密封焊接在高壓氦氣環(huán)境下實現引弧且焊接時間短，引弧過程直接影響焊接成形質量。為了避免接觸式引弧帶來的鎢極污染和夾鎢問題，采用擊穿電極間氣體高頻振蕩引弧。由于氦氣比氬氣有更高的電離點位和導熱系數，其擊穿電壓隨著氣壓增加而提高，使非接觸式引弧變得更加困難[8-10]。為了實現高壓氦氣下的非接觸引弧，文中對鎢極-焊件不同間距下的引弧情況進行了統計分析，如圖6所示。研究發(fā)現，隨著鎢極-焊件間距的減小，可靠引燃的概率增加，短暫引燃和未引燃情況下降。隨著電弧長度的變短，電弧壓降使得電弧產熱量減少且容易出現夾鎢問題，最終將電弧長度設計為3 mm。

3.3 焊接工藝參數的選擇

端塞堵孔密封自熔焊接工藝參數主要包括焊接電流、焊接時間。試驗采用直流手工焊機，焊接電壓固定，焊接電流和時間是影響焊接熱輸入的關鍵因素，其匹配度直接影響焊接熔深與成形質量。試驗分析發(fā)現，采用較大焊接電流時，熱輸入密度提高，對焊接時間控制的要求提高。當焊接表面熱輸入量過高時，熔池流動性增強，受重力影響熔池凝固后易呈現下墜的水滴狀或塌陷。通過減小電流降低熱輸入密度，合理控制焊接時間，可保證焊接有效熔合同時避免焊后表面下墜。經試驗驗證，在約1.6 MPa氦氣環(huán)境下的端塞堵孔密封焊接優(yōu)化工藝參數為：焊接電流32～42 A，焊接時間0.5～1 s。

3.4 焊后檢測分析

經焊后檢驗，焊接試件的氦檢漏率低于1.33×10-8 Pa·m3/s，符合密封性能要求。從焊點中心截取試樣，利用金相砂紙研磨試樣表面并進行拋光處理，采用10%草酸溶液進行電解腐蝕，腐蝕后用酒精擦拭并迅速用吹風機吹干，進行金相觀察，焊接區(qū)組織如圖7所示。宏觀金相上半部為焊態(tài)的焊接區(qū)域，下半部為軋制態(tài)母材;母材組織為形變織構，存在沿著軋制方向排列的條狀δ鐵素體;熱影響區(qū)較窄，出現沿晶界析出鐵素體;焊縫區(qū)組織由針狀鐵素體和沿鐵素體晶界分布的奧氏體組織組成，焊點內部無氣泡及微裂紋。X射線檢測焊點內部無裂縫和夾雜缺陷，滿足工藝檢驗要求。

經過試驗和評定，研制的焊接裝置和焊接工藝可滿足充氦圓棒狀構件端塞堵孔密封焊接小批量生產需求，焊接成形表面外觀如圖8所示，焊點成形美觀，表面光滑，呈半球形。焊接系統和工藝方法具有工藝可靠、焊接質量穩(wěn)定、經濟性高等特點，可應用于其他圓棒狀試件的高壓氣體密封焊接。

4 結論

為了滿足圓棒狀構件端塞高壓氦氣的密封焊接需求，研發(fā)了一套專用堵孔焊接裝置，設計了集成化的密封腔室，相比于在傳統大型耐壓艙內進行氦氣密封焊接，該裝置具有較好的經濟性，可應用于其他圓棒狀構件的密封堵孔焊接。

采用該堵孔焊接裝置開展圓棒狀構件端塞的高壓氦氣密封焊接實驗，結果表明，通過合理設計電弧長度、焊接電流和焊接時間可獲得穩(wěn)定引弧并有效控制熱輸入量，焊接外觀成形和密封性能均滿足標準要求，并能夠有效降低焊接難度，滿足工程應用條件。

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