大厚度比零件（外側(cè)）和波紋管（內(nèi)側(cè)）的縫焊研究

中航工業(yè)太原航空儀表有限公司敏感元件研究所 楊建平 于 斌 鄭 醫(yī)

某重點(diǎn)型號(hào)波紋管組合件的設(shè)計(jì)要求波紋管與零件的連接方式是縫焊。過(guò)去產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，一般情況下零件在內(nèi)側(cè)，波紋管在外側(cè)（見(jiàn)圖1），而本產(chǎn)品比較重要的特點(diǎn)是波紋管在內(nèi)側(cè)，零件在外側(cè)（見(jiàn)圖2）。

零件的厚度是3mm，波紋管的厚度是0.1mm，零件的厚度是波紋管厚度的30倍。波紋管在內(nèi)側(cè)，零件在外側(cè)，這種結(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題就是：波紋管在焊接過(guò)程中會(huì)逐漸收縮，到焊縫最后一段與零件之間產(chǎn)生間隙，零件和波紋管之間形不成熔核，導(dǎo)致局部不能形成焊縫。

圖1 波紋管在外側(cè)的焊接結(jié)構(gòu)Fig.1 Welding structure With bellows on the outside of the part

圖2 波紋管在內(nèi)側(cè)的焊接結(jié)構(gòu)Fig.2 Welding structure With bellows on the inside of part

對(duì)零件在內(nèi)側(cè)，波紋管在外側(cè)的焊接結(jié)構(gòu)，在縫焊過(guò)程中，焊接規(guī)范能夠克服波紋管與零件的輕微間隙，形成焊縫。但對(duì)零件在外側(cè)，波紋管在內(nèi)側(cè)的結(jié)構(gòu)，常規(guī)焊接方式已不能形成焊縫。本文主要研究的就是在特殊的焊接結(jié)構(gòu)上如何通過(guò)工藝方法實(shí)現(xiàn)大厚度比的零件（在外側(cè)）和波紋管（在內(nèi)側(cè)）的縫焊。

1 關(guān)于縫焊

1.1 縫焊的定義

縫焊就是將焊件裝配成搭接或?qū)咏宇^置于兩滾輪電極之間，滾輪加壓至焊件上并轉(zhuǎn)動(dòng)，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法[1]。

1.2 縫焊縫的質(zhì)量要求

1.2.1 縫焊縫的表面質(zhì)量要求

（1）焊接處應(yīng)無(wú)燒穿、裂紋等缺陷，焊縫應(yīng)清晰。外部飛濺物應(yīng)清除干凈。

（2）要求氣密的焊縫，其焊點(diǎn)的重疊量應(yīng)大于焊點(diǎn)壓痕的30%，環(huán)縫始末端搭接處應(yīng)重疊15～20mm[2]。

1.2.2 縫焊縫內(nèi)部焊透要求

焊件首件應(yīng)進(jìn)行撕裂試驗(yàn)，應(yīng)沿焊縫邊界撕破，撕破長(zhǎng)度不小于30mm，撕破寬度應(yīng)不小于表1的規(guī)定。

2 調(diào)整焊機(jī)

2.1 存在問(wèn)題

焊接所用的縫焊機(jī)是電容儲(chǔ)能式縫焊機(jī)。在焊接試驗(yàn)的過(guò)程中，遇到了一個(gè)比較重大的難題：無(wú)論將充電電壓、電容調(diào)整到多大，焊后對(duì)焊接試件進(jìn)行撕裂檢測(cè)，焊接處沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形。在現(xiàn)有焊接設(shè)備的條件下，焊接時(shí)是不產(chǎn)生焊接電流的。

2.2 解決措施

（1） 焊機(jī)現(xiàn)狀?，F(xiàn)在使用的縫焊機(jī)下滾輪為主動(dòng)輪，與電極陰極相接，上滾輪為從動(dòng)輪，與電極陽(yáng)極相接，不能完成內(nèi)側(cè)波紋管外套零件的縫焊。

（2）調(diào)整極性。針對(duì)現(xiàn)狀，提出措施，將縫焊機(jī)的上下滾輪連接的電源進(jìn)行反接，即電源極性反接，在對(duì)上下滾輪的電源進(jìn)行反接后，下滾輪接陽(yáng)極，上滾輪接陰極。

2.3 試驗(yàn)焊接

設(shè)備調(diào)整好后采用6組焊接規(guī)范對(duì)試件進(jìn)行焊接，焊接規(guī)范組別如表1所示。

焊接后，第1組規(guī)范焊接的試件沒(méi)有形成焊縫（主要原因是焊接規(guī)范?。?；第2、3兩組規(guī)范焊接的試件形成連續(xù)焊縫；第4～6組的試件都沒(méi)有形成焊縫，說(shuō)明由于波紋管壁厚只有0.1mm，在縫焊的過(guò)程中，焊縫形成的熔核小，重疊量也大，頻率應(yīng)該選用12.5Hz。6組試驗(yàn)件的焊接中有兩組焊接規(guī)范能形成焊縫，說(shuō)明對(duì)焊機(jī)的電源進(jìn)行改動(dòng)是成功的。上述試驗(yàn)結(jié)果也基本將焊接時(shí)的電容、頻率、充電電壓確定。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 波紋管與零件車(chē)配間隙的問(wèn)題

3.1.1 問(wèn)題的產(chǎn)生

在解決了縫焊機(jī)的問(wèn)題后，根據(jù)試驗(yàn)件撕裂檢測(cè)的結(jié)果，裝配了兩件試驗(yàn)件進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

（1）第1件試驗(yàn)件焊接。

·焊接規(guī)范的選取原則：電容值選取一個(gè)中間值420μF，充電電壓9kV，頻率12.5Hz,變壓比級(jí)次為2，壓力200N，轉(zhuǎn)速5r/min。

·采用的滾輪厚度：上滾輪2.5mm，下滾輪1.5mm。

·焊后情況：零件表面壓痕深0.4mm，波紋管表面焊縫印跡模糊，看不清魚(yú)鱗紋。進(jìn)行加壓（7.5kg/cm2）氣體檢查，發(fā)現(xiàn)有一處漏氣，漏氣部位是在波紋管與零件之間，說(shuō)明焊縫成形不好。

對(duì)沒(méi)有焊住的部位進(jìn)行二次返工焊接。采用與之前相同的焊接規(guī)范，焊后氣檢，發(fā)現(xiàn)在縫焊縫中間有氣泡冒出，說(shuō)明焊縫產(chǎn)生了擊穿現(xiàn)象，無(wú)法再進(jìn)行返工焊接，焊接失敗。

（2）第2件試驗(yàn)件焊接。

·采用的規(guī)范：為了解決第1件試驗(yàn)件成形不好的問(wèn)題，將滾輪厚度調(diào)小為1mm，電容增大為450μF，其他焊接參數(shù)保持不變。試驗(yàn)在較小滾輪厚度和較大電容的情況下，沒(méi)有成形的部位能否成形。

·采用的滾輪厚度：上滾輪2.5mm，下滾輪1mm。

·焊后情況：零件表面壓痕深0.4mm，波紋管表面焊縫印跡模糊，看不清魚(yú)鱗紋。進(jìn)行加壓（7.5kg/cm2）氣體檢查，發(fā)現(xiàn)有一處漏氣，漏氣部位在波紋管與零件之間，說(shuō)明焊縫成形不好。

（3）焊接分析。

兩件試驗(yàn)件的焊接結(jié)果分析表明，如果波紋管與零件的配合間隙比較大，在焊接過(guò)程中，最后一段約10mm左右的位置會(huì)產(chǎn)生焊縫不能成形的現(xiàn)象。即波紋管與零件之間在最后10mm的區(qū)間里是有間隙的，這種間隙在縫焊過(guò)程中無(wú)法消除，所以才會(huì)產(chǎn)生焊不住的現(xiàn)象。焊接規(guī)范無(wú)法使波紋管與零件緊貼。在隨后返工過(guò)程中，壓緊力使波紋管在焊接熔融冷卻過(guò)程中開(kāi)裂，因此產(chǎn)生了擊穿現(xiàn)象[3]。

3.1.2 車(chē)配間隙的解決方法

為避免焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊縫斷續(xù)和擊穿現(xiàn)象，要求在車(chē)配過(guò)程中，必須使波紋管與零件緊配。緊配既能滿(mǎn)足零件和波紋管的位置要求，又可以避免焊接時(shí)沒(méi)有形成連續(xù)的焊縫和擊穿現(xiàn)象的產(chǎn)生。

表1 焊接規(guī)范組別

3.1.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

（1）準(zhǔn)備工作。

·打光滾輪：在縫焊前要對(duì)滾輪表面進(jìn)行打光，保證滾輪與零件的接觸面的平整光滑。

·裝配試件：為了驗(yàn)證波紋管與零件的間隙問(wèn)題，裝配了4組拉試件。車(chē)配波紋管與拉試件時(shí)，要保證波紋管與零件配合緊密。

（2）焊接試驗(yàn)。

·滾輪厚度：上滾輪2.5mm，下滾輪1mm。

·焊接規(guī)范：選用4組焊接規(guī)范對(duì)4個(gè)配套好的拉試件進(jìn)行焊接，焊縫規(guī)范如表2所示。

（3）焊后情況。

對(duì)4組產(chǎn)品進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，發(fā)現(xiàn)只有第1組的組件不漏氣，其他產(chǎn)品的氣密性只能保持到1×10-6Pa。為了驗(yàn)證焊接規(guī)范，又車(chē)配了一套試件按序號(hào)1的規(guī)范進(jìn)行縫焊，焊后進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，不漏氣，但是，在隨后的撕裂檢測(cè)中，上述產(chǎn)品均有一段沒(méi)有形成連續(xù)焊縫。

為了檢查焊縫成形情況，將3.1.1節(jié)的兩件試驗(yàn)件進(jìn)行撕裂檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)也都有一段焊縫沒(méi)有形成連續(xù)焊縫。

（4）原因分析。

在波紋管與零件車(chē)配緊密的前提下還產(chǎn)生焊縫不連續(xù)的現(xiàn)象，主要是零件在焊接過(guò)程中受熱膨脹，與波紋管產(chǎn)生一定間隙，導(dǎo)致焊縫成形不連續(xù)。

3.2 受熱產(chǎn)生間隙的問(wèn)題

3.2.1 解決方法

增加冷卻水，對(duì)零件和滾輪進(jìn)行冷卻，有兩個(gè)作用：

（1）對(duì)零件進(jìn)行冷卻，減小零件的受熱變形量，避免零件在縫焊過(guò)程中受熱膨脹與波紋管間的間隙增大，有利于焊縫成形；

（2）減小滾輪的變形，使焊接熱量盡可能地作用在零件與波紋管之間。

3.2.2 車(chē)配試件

重新車(chē)配試件，波紋管與零件緊配。

3.2.3 焊接試驗(yàn)

采用兩組焊接規(guī)范對(duì)兩組試驗(yàn)件進(jìn)行焊接。

（1）第一組焊接情況。

·焊接規(guī)范：電容440μF，充電電壓8.5kV，頻率12.5Hz,變壓比級(jí)次為2，壓力：300N,轉(zhuǎn)速5r/min。

· 滾輪厚度：上滾輪2.5mm，下滾輪1.5mm。

·焊后情況：氦質(zhì)譜檢測(cè)不漏氣，但是在撕裂檢查中，發(fā)現(xiàn)有長(zhǎng)約10mm的焊縫沒(méi)有形成熔核，但是零件和波紋管的材料之間已形成塑性熔融狀態(tài)。

波紋管表面焊縫印跡模糊，看不清魚(yú)鱗紋。

（2）第二組焊接情況。

· 焊接規(guī)范：電容440μF，充電電壓9kV，頻率12.5Hz,變壓比級(jí)次為2，壓力300N,轉(zhuǎn)速5r/min。

·滾輪厚度：上滾輪2.5mm，下滾輪1.5mm。

·焊后情況：氦檢不漏氣，但是撕裂檢查發(fā)現(xiàn)，有長(zhǎng)約10mm的焊縫沒(méi)有形成熔核，但是零件和波紋管的材料之間已形成塑性熔融狀態(tài)。

波紋管表面焊縫印跡模糊，看不清魚(yú)鱗紋。

3.2.4 問(wèn)題小結(jié)

通過(guò)車(chē)配緊密解決了波紋管與零件的間隙問(wèn)題，又通過(guò)增加冷卻水解決了焊接過(guò)程中熱變形產(chǎn)生的間隙問(wèn)題，零件與波紋管在上述環(huán)境下的縫焊（最后一段10mm）產(chǎn)生了塑性熔融狀態(tài)，這是一個(gè)非常好的現(xiàn)象，這說(shuō)明只要再采取一些措施，就能實(shí)現(xiàn)大厚度比的零件與波紋管之間的縫焊，但還存在焊縫表面質(zhì)量差的現(xiàn)象。

3.3 解決焊縫成形不好和波紋管焊縫表面質(zhì)量差問(wèn)題

3.3.1 解決方案

（1）焊縫成形不好的解決方案。

針對(duì)焊接過(guò)程中零件和波紋管（最后一段10mm）的材料之間已形成塑性熔融狀態(tài)，但沒(méi)有形成熔核，經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為可以通過(guò)增加壓力來(lái)解決。適當(dāng)增加壓力后，會(huì)使波紋管與零件接觸充分，彌補(bǔ)波紋管與零件之間的車(chē)配間隙，易于形成焊縫。另一個(gè)重要作用就是：電極壓力足夠高，有較寬的電流變化范圍，便于焊接電流的調(diào)整[3]。

（2）波紋管表面焊縫質(zhì)量解決方案。

出現(xiàn)波紋管表面焊縫印跡模糊，看不清魚(yú)鱗紋的現(xiàn)象，主要是由于滾輪的厚度問(wèn)題。滾輪的厚度小，上下滾輪比較窄，在焊接完產(chǎn)品后，表面焊縫印跡模糊。因此，將上滾輪厚度由2.5mm增加到3mm，下滾輪厚度由1mm增加為1.5mm。增加滾輪厚度主要有兩個(gè)作用：

表2 焊接規(guī)范

·增加滾輪與零件的接觸面積，減小零件表面的熔化可能性，減小壓痕；

·滾輪與零件表面消耗的熱量可以作用在波紋管與零件之間，提高了電阻熱的利用率，有利于焊縫的形成。

3.3.2 試驗(yàn)過(guò)程

針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，決定兩個(gè)方案同時(shí)采用一個(gè)焊接試驗(yàn)過(guò)程來(lái)解決。

（1）試驗(yàn)。重新配套3件試件進(jìn)行試驗(yàn)，采用的焊接規(guī)范如表3所示。

表3 焊接規(guī)范

（2）試驗(yàn)結(jié)果。

·表面質(zhì)量：試件焊接完成后，觀察波紋管焊縫表面，發(fā)現(xiàn)第1組規(guī)范焊接的焊縫表面光滑，無(wú)飛濺、開(kāi)裂等現(xiàn)象，第2、3組規(guī)范焊接的焊縫表面有飛濺現(xiàn)象，無(wú)開(kāi)裂。

·撕裂檢測(cè)：焊后對(duì)3件試件進(jìn)行撕裂檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)第3件試件的焊縫成形好。

·試驗(yàn)結(jié)論：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，決定在正式產(chǎn)品的焊接過(guò)程中采用第1組焊接規(guī)范進(jìn)行縫焊焊接。

3.4 正式產(chǎn)品的焊接

3.4.1 試件焊接

調(diào)整好規(guī)范后，對(duì)兩件車(chē)配好的試件進(jìn)行了焊接，焊后進(jìn)行撕裂檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫成形良好，拉試合格。而且波紋管表面焊縫印跡清晰，基本無(wú)飛濺產(chǎn)生。零件表面焊縫壓痕深只有約0.1mm?？p焊好的試件如圖3所示。

3.4.2 焊后分析

根據(jù)調(diào)整好的焊接規(guī)范，對(duì)5套正式產(chǎn)品進(jìn)行縫焊，焊后進(jìn)行氦檢，均不漏氣。對(duì)其中一套產(chǎn)品進(jìn)行撕裂檢測(cè)，焊縫成形良好。

3.5 焊接結(jié)論

圖3 試件外形Fig.3 Shape of testing specimen

本次對(duì)大厚度比的波紋管（內(nèi)側(cè)）與零件（外側(cè)）的縫焊研究過(guò)程比較復(fù)雜，期間通過(guò)對(duì)焊機(jī)的改造、對(duì)車(chē)配間隙的調(diào)整、增加冷卻措施和改變滾輪的尺寸等措施來(lái)解決試驗(yàn)中遇到的難題，成功實(shí)現(xiàn)了縫焊。

在焊接試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)焊接參數(shù)的調(diào)整，得出一個(gè)重要結(jié)論：在縫焊大厚度比的零件與波紋管時(shí)，應(yīng)采用強(qiáng)規(guī)范，即大電壓、大充電電容、大壓力及較大轉(zhuǎn)速。

[1] 趙熹華.壓力焊. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1989：7-68.

[2] 陳祝年.焊接工程師手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2002：573-575.

[3] HB 5282-1984.結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼電阻點(diǎn)焊和縫焊質(zhì)量檢驗(yàn).