杜勇剛,王玉華,李昊
上海飛機(jī)制造有限公司 上海 201324
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。
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。
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)。
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)。
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。
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
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。