杜勇剛，王玉華，李昊

上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201324

1 序言

民用飛機(jī)管路系統(tǒng)中安裝有不同規(guī)格的碟簧膜片式壓力開(kāi)關(guān)，如同飛機(jī)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元組織，感受被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)輸出，以滿足管路系統(tǒng)控制要求。常見(jiàn)的壓力開(kāi)關(guān)是通過(guò)碟簧膜片感受壓力變化而產(chǎn)生位移，帶動(dòng)壓力盤(pán)移動(dòng)觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電路的接通或斷開(kāi)。民用飛機(jī)壓力開(kāi)關(guān)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電連接器、壓力盤(pán)、隔膜、調(diào)整螺母、前殼體、碟簧、后殼體及端蓋等組成。壓力開(kāi)關(guān)的前殼體與后殼體由TIG焊連接。

圖1 壓力開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

由上述壓力開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)與作用可知，壓力開(kāi)關(guān)前后殼體之間的焊縫質(zhì)量，將對(duì)壓力開(kāi)關(guān)的最終性能起到?jīng)Q定性的作用。如果熔深過(guò)淺，焊縫強(qiáng)度不足，在壓力的作用下壓力開(kāi)關(guān)就可能漏氣甚至損壞，嚴(yán)重影響飛機(jī)的安全性；如果熔深過(guò)深，碟簧可能因過(guò)度受熱而產(chǎn)生變形甚至退火軟化功能失效，從而引起開(kāi)關(guān)傳感性能的改變，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

2 壓力開(kāi)關(guān)前后殼體焊接工藝性分析

壓力開(kāi)關(guān)前后殼體均采用英標(biāo)S130不銹鋼加工，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。由表1可看出，該不銹鋼為典型18-9型奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分與美標(biāo)304及國(guó)產(chǎn)1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼接近，因此其焊接性能應(yīng)與304及1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼基本相同。304及1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，冷、熱裂紋傾向均不明顯，焊接時(shí)焊縫區(qū)域若在450～850℃內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，奧氏體晶界處因生成大量的碳化鉻而易形成貧鉻層，從而降低焊接區(qū)域耐蝕性能，易發(fā)生晶間腐蝕[1，2]。

表1 S130不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

由于18-9型奧氏體不銹鋼具有上述焊接性能，因此氬弧焊焊接時(shí)應(yīng)采用較小的熱輸入，以減小焊接區(qū)域在450～850℃內(nèi)的停留時(shí)間，從而提高焊縫區(qū)域內(nèi)晶間耐腐蝕能力[3]。同時(shí)采用較小的焊接熱輸入，也有利于抑制焊接變形的產(chǎn)生。但是采用小熱輸入氬弧焊時(shí)，焊縫的熔深往往較淺，很難滿足焊縫熔深0.7～1.0mm的設(shè)計(jì)要求[4]。因此，需進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)，才能制定出適合壓力開(kāi)關(guān)殼體的焊接工藝規(guī)范。

3 壓力開(kāi)關(guān)前后殼體焊接工藝試驗(yàn)

裝配前用丙酮對(duì)前后殼體待焊處進(jìn)行擦拭清理，清理完成后配合使用裝配與焊接工裝將壓力開(kāi)關(guān)前后殼體固定在焊接專(zhuān)機(jī)上。壓力開(kāi)關(guān)殼體焊前狀態(tài)如圖2所示。

圖2 壓力開(kāi)關(guān)殼體焊前狀態(tài)

焊縫處無(wú)間隙貼緊裝配，焊前通過(guò)機(jī)械加工來(lái)保證焊縫裝配尺寸，焊縫為封閉環(huán)形，周長(zhǎng)45mm，前后殼體待焊處分別加工0.7mm厚度的自熔余量。隨后分別選用直流與脈沖電流模式（不同的脈沖頻率、峰值電流、占空比）進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。

3.1 直流自熔TIG焊與脈沖自熔TIG焊對(duì)比試驗(yàn)

選用微弧氬弧焊機(jī)直流焊接模式對(duì)壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行試焊，根據(jù)焊縫長(zhǎng)度及自熔部分尺寸及焊縫熔深要求，前期通過(guò)初步焊接試驗(yàn)摸索，確定的主要焊接參數(shù)為：焊接電流36.7A、焊接時(shí)間17.0s、轉(zhuǎn)速3.75r/min。由于待焊處為無(wú)間隙裝配，且前后殼體上預(yù)留了自熔填充材料，因此焊接時(shí)不需要添加焊絲。直流自熔TIG焊焊縫的表面成形及宏觀金相如圖3所示。

圖3 直流自熔TIG焊焊縫表面成形及宏觀金相

由圖3a可知，雖然直流TIG焊焊縫寬度均勻，表面成形美觀，但魚(yú)鱗紋并不明顯。進(jìn)一步對(duì)圖3b焊縫宏觀金相分析可發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部熔合良好，無(wú)氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷，熔深為0.7mm。

完成直流自熔TIG焊后，選用微弧氬弧焊機(jī)脈沖焊接模式進(jìn)行試焊。其主要參數(shù)如下：焊接時(shí)間17.0s、轉(zhuǎn)速3.75r/min、焊接峰值電流50.0A、焊接基值電流12.0A、占空比65%。將上述焊接電流參數(shù)帶入式（1），可計(jì)算出焊接平均電流為36.7A，其平均熱輸入與直流模式下的熱輸入相同。

式中I——平均電流（A）；

Ip——峰值電流（A）；

Ib——基值電流（A）；

P——占空比（%）。

采用上述參數(shù)進(jìn)行脈沖自熔TIG焊，焊縫表面成形及剖面宏觀金相如圖4所示。

圖4 脈沖自熔TIG焊焊縫表面成形及宏觀金相

由圖4a可知，脈沖自熔TIG焊焊縫寬度均勻，魚(yú)鱗紋清晰勻稱(chēng)，表面成形美觀，這是由于脈沖自熔TIG焊電流主要由基值電流＋峰值電流組成，并有適當(dāng)?shù)拿}沖頻率和占空比與之匹配，當(dāng)峰值電流通過(guò)時(shí)，工件被加熱熔化形成一個(gè)點(diǎn)狀熔池，而當(dāng)基值電流通過(guò)時(shí)，熔池冷凝結(jié)晶，同時(shí)維持電弧燃燒而不熄滅，焊接過(guò)程是一個(gè)斷續(xù)的加熱過(guò)程，焊縫由一個(gè)一個(gè)點(diǎn)狀熔池疊加而成，因而形成清晰均勻的魚(yú)鱗紋[5]。由圖4b可知，焊縫內(nèi)部熔合良好，無(wú)氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷，熔深為0.9mm。

對(duì)比前后殼體直流與脈沖自熔TIG焊結(jié)果可得出以下結(jié)論。

1）在相同的熱輸入下，脈沖自熔TIG焊的焊縫熔深更深。

2）脈沖自熔TIG焊焊縫表面成形優(yōu)于直流自熔TIG焊。

壓力開(kāi)關(guān)前后殼體在采用脈沖自熔TIG焊時(shí)，其表面成形與熔深均優(yōu)于直流自熔TIG焊，因此決定采用脈沖自熔TIG焊對(duì)前后殼體進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

3.2 脈沖自熔TIG焊工藝試驗(yàn)

為提高壓力開(kāi)關(guān)脈沖自熔TIG焊焊接質(zhì)量，確定最佳焊接參數(shù)，需研究脈沖頻率、占空比、峰值電流等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)焊縫表面成形及熔深的影響規(guī)律。

（1）脈沖頻率對(duì)焊縫表面成形及熔深的影響保持其他參數(shù)不變，分別采用10Hz與60Hz的脈沖頻率進(jìn)行焊接，其焊縫表面成形如圖5所示，宏觀金相如圖6所示。

圖5 脈沖頻率分別為10Hz、60Hz時(shí)焊縫表面成形

圖6 脈沖頻率分別為10Hz、60Hz時(shí)焊縫宏觀金相

由圖5a、b可知，隨著脈沖頻率的提高，焊縫表面魚(yú)鱗紋逐漸變得細(xì)密，而焊縫的寬度并無(wú)明顯變化。進(jìn)一步對(duì)圖6進(jìn)行分析可知，隨著脈沖頻率的增加，焊縫的熔深有所減少。在制備金相試樣時(shí)還發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率為60Hz時(shí)焊縫熔深的均勻度要明顯優(yōu)于頻率為10Hz時(shí)的焊縫。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因：脈沖頻率越高，單位長(zhǎng)度焊縫內(nèi)電弧峰值出現(xiàn)的次數(shù)越多，因此頻率越高，焊縫的熔深越均勻，魚(yú)鱗紋越細(xì)密。而頻率的升高會(huì)引起焊接回路中感抗增大，一定程度上減小了焊接峰值電流，引起焊縫熔深減小。

（2）峰值電流對(duì)焊縫表面成形及熔深的影響保持其他參數(shù)不變，分別采用40A與60A的峰值電流進(jìn)行焊接，其焊縫表面成形如圖7所示，宏觀金相如圖8所示。

圖7 峰值電流分別為40A、60A時(shí)焊縫表面成形

圖8 峰值電流分別為40A、60A時(shí)焊縫宏觀金相

由圖7可知，當(dāng)峰值電流為40A時(shí)魚(yú)鱗紋更為明顯，過(guò)渡更為圓滑，隨著峰值電流的提高，焊縫表面魚(yú)鱗紋細(xì)密程度并無(wú)明顯變化。對(duì)圖8進(jìn)行分析可知，隨著峰值電流的增加，焊縫的熔深逐漸加深。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因：當(dāng)采用脈沖自熔T I G焊時(shí)，峰值電流大小是影響熔深的最主要因素，基值電流一般只起到維弧作用，因此隨著峰值電流的增加，焊接熔深不斷增大。魚(yú)鱗紋的細(xì)密程度主要受脈沖頻率的影響，因此峰值電流變化時(shí)其并未發(fā)生明顯變化。

（3）占空比對(duì)焊縫表面成形及熔深的影響 將圖3焊縫所采用的焊接參數(shù)中占空比改為30%后進(jìn)行焊接，其焊縫表面成形及宏觀金相如圖9所示。

圖9 占空比為30%時(shí)焊縫表面成形及宏觀金相

對(duì)比圖9a與圖3a可知，占空比為30%時(shí)焊縫表面魚(yú)鱗紋過(guò)渡更為圓滑，隨著占空比的提高，焊縫表面魚(yú)鱗紋細(xì)密程度并無(wú)明顯變化。對(duì)圖9b與圖3b宏觀金相進(jìn)行分析可知，隨著脈沖占空比的增加，焊縫的熔深逐漸加深。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因：隨著占空比的增加，峰值電流持續(xù)的時(shí)間增加，熱輸入量變大，因此焊縫的熔深逐漸增加[5]。

由上述脈沖自熔TIG焊焊接工藝試驗(yàn)可得出以下結(jié)論。

1）脈沖峰值電流、占空比主要影響焊縫熔深，隨著脈沖峰值電流及其占空比的增加，焊接熔深逐漸增大。

2）脈沖頻率主要影響焊縫的表面成形，隨著脈沖頻率的增加，焊縫表面魚(yú)鱗紋逐漸變得細(xì)密。

3）隨著脈沖頻率的增加，雖然焊縫熔深有減小的趨勢(shì)，但并不明顯。

4 前后殼體脈沖自熔TIG焊焊接參數(shù)的確定

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)論并經(jīng)過(guò)大量的工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了壓力開(kāi)關(guān)前后殼體最佳焊接參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 壓力開(kāi)關(guān)前后殼體最佳焊接參數(shù)

采用表2所列焊接參數(shù)焊接的壓力開(kāi)關(guān)前后殼體環(huán)焊縫的表面成形如圖10所示。從圖10可看出，焊縫寬度均勻，成形美觀。焊后焊縫表面呈金黃色，說(shuō)明焊接時(shí)焊接區(qū)域保護(hù)良好，未發(fā)生氧化現(xiàn)象。焊縫的宏觀金相如圖11所示，焊縫的熔深在0.9mm左右，完全符合工程圖樣0.7～1.0mm的熔深要求。

圖10 壓力開(kāi)關(guān)前后殼體環(huán)形焊縫表面成形

圖11 壓力開(kāi)關(guān)前后殼體環(huán)形焊縫宏觀金相

5 結(jié)束語(yǔ)

1）在相同的熱輸入下，相對(duì)于直流TIG焊，脈沖TIG焊的焊縫熔深更深且焊縫表面成形更優(yōu)。

2）脈沖模式下，脈沖峰值電流、占空比主要影響焊縫熔深，隨著脈沖峰值電流及其占空比的增加，焊接熔深逐漸增大。

3）脈沖頻率主要影響焊縫的表面成形，隨著脈沖頻率的增加，雖然焊縫表面魚(yú)鱗紋逐漸變得細(xì)密，焊縫熔深有減小的趨勢(shì)，但并不明顯。

4）通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)確定的壓力開(kāi)關(guān)殼體的脈沖自熔TIG焊焊接參數(shù)，可滿足壓力開(kāi)關(guān)殼體的批量化焊接生產(chǎn)要求。