圓棒構(gòu)件密封高壓氦氣焊接裝置研究及應(yīng)用

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(gòu)件內(nèi)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(duì)圓棒狀構(gòu)件端塞的特殊結(jié)構(gòu)和小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，結(jié)合具體焊接要求，分析了氦氣密封焊接的主要難點(diǎn);在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一體化的集成腔室焊接方法，替代了傳統(tǒng)大型壓力艙內(nèi)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(yàn)，并對(duì)焊后試件進(jìn)行了氦檢漏和焊點(diǎn)中心組織的金相觀察，最終實(shí)現(xiàn)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(diǎn)，可推廣應(yīng)用于其他圓棒狀器件的高壓密封焊接。

關(guān)鍵詞：堵孔焊接;焊接裝置;高壓氦氣;密封

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(diǎn)的惰性氣體，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。為了在圓棒狀構(gòu)件中密封高壓氦氣，需要在高壓氦氣環(huán)境下對(duì)圓棒端塞進(jìn)行密封堵孔焊接，這是圓棒狀構(gòu)件焊接成形的最后一道焊接工序，須嚴(yán)格控制氦泄露率。為了滿足小批量生產(chǎn)的需求，需設(shè)計(jì)一套焊接裝置，通過調(diào)節(jié)鎢極與焊點(diǎn)距離并控制熱輸入量，來保證成功引弧和成形質(zhì)量。

目前，高壓環(huán)境下的焊接裝備及工藝已經(jīng)取得了一些研究成果，并在科研和生產(chǎn)中得到應(yīng)用。焦向東[1-2]等人結(jié)合海洋管道焊接修復(fù)需求，開發(fā)了一套高壓環(huán)境焊接模擬實(shí)驗(yàn)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(duì)保護(hù)氣為氦氣的TIG焊電弧行為和熱輸出特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為氦弧的電流密度和電弧力高于傳統(tǒng)氬弧。朱加雷[5]等人搭建了一套高壓焊試驗(yàn)艙及激光增強(qiáng)系統(tǒng)，提出激光增強(qiáng)可以提高M(jìn)IG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(guó)內(nèi)針對(duì)圓棒狀構(gòu)件的氦氣密封焊接研究較少。文中以圓棒狀構(gòu)件的端塞堵孔密封焊接為研究對(duì)象，對(duì)焊接的檢驗(yàn)要求和工藝難點(diǎn)進(jìn)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(gòu)件內(nèi)密封高壓氦氣，設(shè)計(jì)了一套高壓氣體密封焊接試驗(yàn)裝置并開展了相關(guān)工藝試驗(yàn)及應(yīng)用研究。

1 密封堵孔焊接要求與難點(diǎn)

1.1 焊接要求

為了實(shí)現(xiàn)在圓棒狀構(gòu)件內(nèi)密封高壓氦氣，采用手工TIG自熔焊方法對(duì)圓棒端塞進(jìn)行密封焊接。密封端塞的母材為0Cr18Ni10Ti不銹鋼，其化學(xué)成分如表1所示。焊接坡口結(jié)構(gòu)為帶有中心氣孔的變徑端塞，端塞焊接側(cè)直徑約10 mm，凸臺(tái)高度約3 mm，氣孔內(nèi)徑約1.5 mm，如圖2所示。

焊接主要流程：將圓棒狀構(gòu)件的端塞密封在壓力腔室中，通過端塞內(nèi)預(yù)留的氣孔將圓棒狀構(gòu)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(fù)上述過程3次，確保端塞氣孔內(nèi)外均為純凈氦氣且壓力一致后進(jìn)行密封堵孔焊接。要求焊后焊點(diǎn)表面光滑、無劃傷，呈半球形，堵孔焊點(diǎn)熔深≥1.5 mm。使用5倍放大鏡檢測(cè)焊點(diǎn)表面，應(yīng)無氣孔、裂紋、未熔合區(qū)和氧化缺陷;通過X射線檢測(cè)焊點(diǎn)內(nèi)部，應(yīng)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(nèi)可觀察的氣孔數(shù)不得超過4個(gè)。堵孔焊接完成后，對(duì)圓棒進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏，氦氣的泄漏率應(yīng)低于1.33×10-8 Pa·m3/s。

1.2 焊接難點(diǎn)

高壓氦氣下圓棒狀構(gòu)件端塞密封焊接難點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面。

1.2.1 高壓氦氣下的引弧

在設(shè)計(jì)中，圓棒狀構(gòu)件內(nèi)需密封高壓氦氣，端塞堵孔焊接須在高壓氦氣環(huán)境中進(jìn)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(dāng)氦氣體積分?jǐn)?shù)超過70%時(shí)引弧困難，同時(shí)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(xiàn)象[6-7]。這就要求在端塞的密封堵孔焊接中應(yīng)選擇合適的引弧方法，合理設(shè)計(jì)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(gòu)件端塞的待焊凸臺(tái)端面為豎直平面，焊點(diǎn)較小，熔池支撐有限。高熱輸入量會(huì)使得金屬凝固時(shí)間增加，熔池受重力影響下墜，焊點(diǎn)呈水滴形狀，如圖3所示。相反，若熱輸入量過小會(huì)造成焊點(diǎn)內(nèi)部未熔合或焊接熔深過淺等缺陷，不滿足成形質(zhì)量要求。因此，在焊接過程中需要嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，確保焊接質(zhì)量和焊后形貌。

針對(duì)上述端塞密封堵孔焊接的工藝需求和主要難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套專用焊接試驗(yàn)裝置，并開展了相關(guān)應(yīng)用試驗(yàn)。

2 端塞堵孔焊接裝置設(shè)計(jì)

2.1 焊接裝置總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在圓棒狀構(gòu)件內(nèi)密封高壓氦氣，研制了一套堵孔焊接試驗(yàn)裝置系統(tǒng)（見圖4），主要包括高壓密封腔室系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)兩個(gè)部分。密封腔室采用集成化設(shè)計(jì)，端塞堵孔焊接在密封腔室內(nèi)進(jìn)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(fù)上述過程3次，以確保腔室內(nèi)獲得高純度的氦氣。焊接系統(tǒng)主要由鎢極、焊槍、焊接電源等組成，并配備鎢極打磨機(jī)等輔助設(shè)備。

2.2 焊接裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在保證腔室密封性的基礎(chǔ)上，為了適應(yīng)高壓堵孔焊接作業(yè)需求，對(duì)焊接裝置的幾個(gè)關(guān)鍵組件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的高壓氣體氛圍焊接主要在大型密封艙內(nèi)進(jìn)行，焊槍、工件卡具和變位機(jī)構(gòu)均在密封艙內(nèi)，具有較好的通用性，但成本高昂。為了滿足研究中圓棒狀構(gòu)件特有結(jié)構(gòu)和小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)相關(guān)的密封結(jié)構(gòu)保持高壓氦氣，如圖5所示。

針對(duì)高壓氦氣環(huán)境下的引弧難點(diǎn)和鎢極與焊點(diǎn)間距的調(diào)整需求，在焊槍和絕緣套之間設(shè)計(jì)了密封調(diào)整墊圈，通過更換不同厚度的密封墊圈控制電弧長(zhǎng)度。由于焊槍鎢極與端塞密封小孔的對(duì)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(chǎn)生質(zhì)量缺陷。因此密封腔室的設(shè)計(jì)和制造需要嚴(yán)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(shí)現(xiàn)焊接過程的實(shí)時(shí)觀察，設(shè)計(jì)了防爆玻璃密封的觀察監(jiān)測(cè)組件，并通過螺釘調(diào)節(jié)壓緊密封。

3 焊接試驗(yàn)及應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

試驗(yàn)設(shè)備包括一套自行研制的端塞堵孔密封焊接裝置和一臺(tái)TETRIX421型手工電弧焊機(jī)。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(jī)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(nèi)進(jìn)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(shí)現(xiàn)端塞密封成形。

3.2 焊接引弧實(shí)驗(yàn)

引弧、燃弧穩(wěn)定和收弧是電弧焊接過程的3個(gè)重要環(huán)節(jié)。端塞堵孔密封焊接在高壓氦氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)引弧且焊接時(shí)間短，引弧過程直接影響焊接成形質(zhì)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(diǎn)位和導(dǎo)熱系數(shù)，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(shí)現(xiàn)高壓氦氣下的非接觸引弧，文中對(duì)鎢極-焊件不同間距下的引弧情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示。研究發(fā)現(xiàn)，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(zhǎng)度的變短，電弧壓降使得電弧產(chǎn)熱量減少且容易出現(xiàn)夾鎢問題，最終將電弧長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為3 mm。

3.3 焊接工藝參數(shù)的選擇

端塞堵孔密封自熔焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接時(shí)間。試驗(yàn)采用直流手工焊機(jī)，焊接電壓固定，焊接電流和時(shí)間是影響焊接熱輸入的關(guān)鍵因素，其匹配度直接影響焊接熔深與成形質(zhì)量。試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，采用較大焊接電流時(shí)，熱輸入密度提高，對(duì)焊接時(shí)間控制的要求提高。當(dāng)焊接表面熱輸入量過高時(shí)，熔池流動(dòng)性增強(qiáng)，受重力影響熔池凝固后易呈現(xiàn)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(shí)間，可保證焊接有效熔合同時(shí)避免焊后表面下墜。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)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(shù)為：焊接電流32～42 A，焊接時(shí)間0.5～1 s。

3.4 焊后檢測(cè)分析

經(jīng)焊后檢驗(yàn)，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(diǎn)中心截取試樣，利用金相砂紙研磨試樣表面并進(jìn)行拋光處理，采用10%草酸溶液進(jìn)行電解腐蝕，腐蝕后用酒精擦拭并迅速用吹風(fēng)機(jī)吹干，進(jìn)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(gòu)，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(xiàn)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(diǎn)內(nèi)部無氣泡及微裂紋。X射線檢測(cè)焊點(diǎn)內(nèi)部無裂縫和夾雜缺陷，滿足工藝檢驗(yàn)要求。

經(jīng)過試驗(yàn)和評(píng)定，研制的焊接裝置和焊接工藝可滿足充氦圓棒狀構(gòu)件端塞堵孔密封焊接小批量生產(chǎn)需求，焊接成形表面外觀如圖8所示，焊點(diǎn)成形美觀，表面光滑，呈半球形。焊接系統(tǒng)和工藝方法具有工藝可靠、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)，可應(yīng)用于其他圓棒狀試件的高壓氣體密封焊接。

4 結(jié)論

為了滿足圓棒狀構(gòu)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(shè)計(jì)了集成化的密封腔室，相比于在傳統(tǒng)大型耐壓艙內(nèi)進(jìn)行氦氣密封焊接，該裝置具有較好的經(jīng)濟(jì)性，可應(yīng)用于其他圓棒狀構(gòu)件的密封堵孔焊接。

采用該堵孔焊接裝置開展圓棒狀構(gòu)件端塞的高壓氦氣密封焊接實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，通過合理設(shè)計(jì)電弧長(zhǎng)度、焊接電流和焊接時(shí)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(biāo)準(zhǔn)要求，并能夠有效降低焊接難度，滿足工程應(yīng)用條件。

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