熱沉用不銹鋼管銅翅片自動焊接技術(shù)研究

魏仁海，張立建，劉 序，佟永利

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100029）

0 前言

空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備又稱空間模擬器，是模擬衛(wèi)星及其組件在軌道運(yùn)行中經(jīng)歷的主要空間環(huán)境的試驗設(shè)備，由空間環(huán)境模擬室、真空抽氣系統(tǒng)、太陽模擬器、紅外模擬器、氣氮系統(tǒng)及控制與測量系統(tǒng)等組成?？臻g環(huán)境模擬室是空間模擬器的主體部分，由真空容器、試件支持機(jī)構(gòu)、熱沉等組成。熱沉是空間環(huán)境模擬設(shè)備的重要組成部分，其主要功能是為試驗件提供冷黑環(huán)境。不銹鋼管與銅翅片的管板結(jié)構(gòu)熱沉是近幾年發(fā)展起來的一種新型熱沉，此種熱沉已成功應(yīng)用于中國空間技術(shù)研究院KM3B、上海航天技術(shù)研究院KM2、KM5等環(huán)境模擬設(shè)備。

1 研究內(nèi)容

熱沉用不銹鋼管銅翅片結(jié)構(gòu)為在直徑Φ21 mm、壁厚2.2 mm和直徑Φ25 mm、壁厚3 mm的兩種不銹鋼管兩側(cè)焊接厚度為1.5 mm、寬度為100～200 mm紫銅板，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，目前采用手工鎢極氬弧焊接方法加工。

該手工焊接方法存在以下問題：

1）生產(chǎn)效率低，需要較多的專業(yè)焊工；

2）焊接質(zhì)量完全依賴于工人的技能水平和責(zé)任心，因而存在很多影響質(zhì)量的不確定因素（如人的技能、體力、情緒、責(zé)任心等），各種焊接缺陷的發(fā)生幾率要高于其他方法。

圖1 不銹鋼管銅翅片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of stainless steel pipe welded with copper fins

針對手工鎢極氬弧焊存在的問題，開展了熱沉管板結(jié)構(gòu)的自動焊接技術(shù)研究，研究內(nèi)容主要包括不銹鋼管銅翅片自動焊接裝置的研制、自動焊接工藝參數(shù)的調(diào)試和確定。

2 不銹鋼管銅翅片結(jié)構(gòu)自動焊接裝置的研制

不銹鋼管銅翅片結(jié)構(gòu)自動焊接裝置主要由自動焊接裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)、伺服控制系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)組成。

2.1 自動焊接裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

熱沉用不銹鋼管銅翅片自動焊接裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括3個部分：不銹鋼管與銅翅片的矯正、定位和加緊機(jī)構(gòu)，焊槍調(diào)節(jié)加緊機(jī)構(gòu)和移動焊接小車移動系統(tǒng)。

2.1.1 不銹鋼管與銅翅片的矯正、定位和夾緊機(jī)構(gòu)

1）不銹鋼管的矯正、定位和夾緊機(jī)構(gòu)

以前鋼管的矯正主要通過手工矯正，直線度通過目測來完成，精度較差?，F(xiàn)在不銹鋼管的定位和夾緊專門設(shè)計了鋼管的矯正工裝定位和加緊結(jié)構(gòu)，其矯正工裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 不銹鋼管的矯正工裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of the aid rectifying device for stainless steel pipe

不銹鋼管矯正時，將不銹鋼管沿縱向置于固定壓板和移動壓板之間，通過控制水平壓緊氣缸運(yùn)動，使移動壓板沿滾動直線導(dǎo)軌副移動，在水平方向?qū)摴軌壕o，以消除鋼管的彈性變形，確保鋼管的直線度滿足要求。

2）銅翅片的矯正、定位和夾緊機(jī)構(gòu)

以前銅翅片的矯正主要通過手工矯正，目測檢驗，精度較差?，F(xiàn)在銅翅片的定位和夾緊專門設(shè)計了矯正定位和加緊結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 銅翅片的矯正定位和加緊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the aid rectifying device for copper fins

銅翅片矯正時，將待焊翅片置于移動壓板之上的正確位置，通過控制垂直方向壓緊氣缸的運(yùn)動，使翅片鉛垂方向壓緊板沿圓形滾動直線導(dǎo)軌副移動，在垂直方向?qū)⒊崞瑝壕o，以消除翅片的彈性變形，達(dá)到矯正的目的，同時可以控制焊接后銅翅片的變形。

該機(jī)構(gòu)保證了翅片與鋼管之間緊密貼合，有助于提高不銹鋼管和銅翅片的焊接質(zhì)量。2.1.2 焊槍調(diào)節(jié)夾緊機(jī)構(gòu)

為實現(xiàn)自動焊接，將焊槍固定在縱向伺服移動焊接小車上的焊槍夾持機(jī)構(gòu)上，焊槍與焊縫距離和夾角可調(diào)。該機(jī)構(gòu)在水平方向、垂直方向通過微型蝸輪-蝸桿傳動可連續(xù)精密微調(diào)，焊槍位置調(diào)定后在各個調(diào)節(jié)部位均設(shè)置鎖緊結(jié)構(gòu)。并且在拆卸已焊好的成品時，該裝置在水平方向可作90°整體轉(zhuǎn)動。

2.1.3 自動焊接小車移動系統(tǒng)

不銹鋼管銅翅片自動焊接程序包括管板固定、焊槍運(yùn)動，焊槍安裝在焊接小車上和控制焊接小車的行走速度。由交流伺服電機(jī)通過精密減速器帶動精密滾珠絲杠副旋轉(zhuǎn)而拖動，焊接小車沿滾動直線導(dǎo)軌副行走，保證焊槍沿直線軌跡運(yùn)動和行走速度。焊槍行走速度如圖4所示。

圖4 焊槍行走速度Fig.4 The moving speed of soldering gun

2.2 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 硬件組成

伺服控制系統(tǒng)硬件主要由以下幾部分組成：彩色觸摸屏、PLC、伺服控制器、伺服電機(jī)。

2.2.2 系統(tǒng)設(shè)置

在彩色觸摸屏里輸入焊縫的總長度、始焊點(diǎn)和終焊點(diǎn)位置，工作行程各段焊槍移動速度和回程速度。上述設(shè)置完成后，按運(yùn)行按紐，即可開始運(yùn)行焊接程序。

2.2.3 執(zhí)行過程

以上設(shè)置傳遞至 PLC，PLC通過伺服控制器控制伺服電機(jī)動作。

2.3 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 氣動控制系統(tǒng)原理

氣動控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 氣動控制系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of pneumatic control system

2.3.2 氣源部分

為了確保氣動控制系統(tǒng)和氣動元器件正常工作，要求系統(tǒng)壓力不低于0.5 MPa。本系統(tǒng)不推薦采用過濾干燥經(jīng)油霧潤滑的壓縮空氣。

不良的壓縮空氣將會造成氣缸和閥的密封圈以及移動部件迅速磨損，閥和消聲器易受到油污染，使管道、閥、氣缸、其他元件以及潤滑劑受到腐蝕等。

按照清潔要求對系統(tǒng)的氣源進(jìn)行過濾，采用差壓式自動排水過濾器。本系統(tǒng)實際使用前經(jīng)調(diào)試使壓力鎖定，在工況變化時用戶可根據(jù)實際情況調(diào)整氣源控制箱中調(diào)壓閥，使壓緊過程平穩(wěn)進(jìn)行為宜。

2.3.3 信號輸入部分

本系統(tǒng)的電氣控制分別設(shè)置了水平壓緊與松開的按鈕、上下壓緊與松開的按鈕和定位壓緊與松開的按鈕共6個按鈕，分別控制3個氣缸的動作。

2.3.4 命令執(zhí)行部分

主要包括3個電磁換向閥和3個氣缸。各電磁換向閥均采用直流24 V電源，確保操作者的人身安全。各個氣缸在大腔一側(cè)均加裝調(diào)速接頭，使各個氣缸在工作行程的速度連續(xù)可調(diào)、平穩(wěn)無沖擊。

3 自動焊接工藝參數(shù)的確定

對于不銹鋼管銅翅片自動焊接技術(shù)，需要調(diào)試的工藝參數(shù)主要有：氬弧焊機(jī)的焊接電流、焊接小車焊接速度、焊槍與焊縫的距離和角度。

1）氬弧焊機(jī)的焊接電流

經(jīng)過焊接試驗確定氬弧焊機(jī)的連續(xù)焊接電流，根據(jù)工況不同設(shè)置不同的焊接電流。

2）焊接小車焊接速度

經(jīng)過焊接試驗確定焊接小車焊接開始速度、連續(xù)焊接速度、停止速度、回程速度。并且要根據(jù)工況設(shè)置不同的焊接速度。

3）焊槍與焊縫的距離和角度

開展焊接試驗，并對焊接的試件進(jìn)行分析檢測，包括拉伸試驗、探傷檢測、檢漏測試等，通過試驗最終確定焊槍與焊縫的最佳焊接距離和角度。

3.1 焊接速度與焊接電流的確定

3.1.1 焊接參數(shù)選擇

焊接電流一般控制在110～140 A之間。焊接速度一般控制在1～6 mm/s之間。焊槍與焊縫的角度：75°。鎢棒尖與焊縫的距離按照手工焊接參數(shù)設(shè)置。

3.1.2 檢漏試驗

對焊接試件進(jìn)行檢漏試驗，經(jīng)檢驗所有試件的漏率均優(yōu)于 5×10-11Pa·m3/s。

3.1.3 X射線探傷試驗

對焊接試件進(jìn)行X射線探傷試驗，經(jīng)檢驗所有試件焊縫均符合GB/T 3323—2005 標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級要求。

3.1.4 熔深分析

對焊接試件進(jìn)行金相分析試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖6 金相分析圖Fig.6 Metallographic analysis of welding joint

3.1.5 焊接參數(shù)分析結(jié)論

通過各種焊接工況參數(shù)的實際試驗，并且進(jìn)行分析比較，確定了最佳的焊接電流及焊接速度值。

3.2 焊槍與焊縫的角度的確定

焊槍與焊縫的角度選擇為：60°、75°、90°。焊接參數(shù)對比分析結(jié)論見表1。

表1 焊槍與焊縫的角度選擇試驗效果對比Table 1 A comparison of test results for angle selection between soldering gun and soldering slot

對比上述分析結(jié)果，選用焊槍與焊縫的角度75°作為連續(xù)焊接時的焊接角度。

3.3 焊嘴與焊縫的距離的確定

焊嘴與焊縫的距離在2～10 mm之間選擇。對焊接試件進(jìn)行檢漏試驗，經(jīng)檢驗所有試件的漏率均優(yōu)于5×10-11Pa·m3/s 。對焊接試件進(jìn)行X射線探傷試驗，經(jīng)檢驗所有試件焊縫均符合 GB/T 3323—2005 標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級要求。對焊接試件進(jìn)行金相分析試驗，結(jié)果如圖7所示。

圖7 金相分析圖Fig.7 Metallographic analysis of soldering joint

3.3.1 焊接參數(shù)選用結(jié)論

對分別為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm的焊嘴與焊縫的距離進(jìn)行試驗，確定最佳值作為連續(xù)焊接時焊嘴與焊縫的焊接距離。

4 結(jié)論

中國空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所是國內(nèi)首次采用氬弧自動焊接替代手工焊接的單位，實現(xiàn)了熱沉用不銹鋼管銅翅片自動焊接。設(shè)計研制的自動焊接設(shè)備，操作簡便、焊接安全可靠、大幅地提高了熱沉用不銹鋼管銅翅片的焊接質(zhì)量，同時提高了不銹鋼管銅翅片結(jié)構(gòu)熱沉的加工生產(chǎn)效率。

（References）

[1]黃本誠.空間環(huán)境模擬器設(shè)計[M].北京： 中國宇航出版社, 1990

[2]王立, 陳薇君.載人艙不銹鋼-銅熱沉的特點(diǎn)[J].航天器環(huán)境工程, 2001, 18(1)

[3]張立偉, 張文杰, 魏仁海, 等.不銹鋼管銅翅片熱沉制造關(guān)鍵技術(shù)[J].航天器環(huán)境工程, 2008, 25(6)： 587-590

[4]李罡, 魏仁海, 張文杰, 等.熱沉制造中不銹鋼管與銅翅片的異質(zhì)金屬焊接技術(shù)[C]//航天焊接新技術(shù)應(yīng)用交流會論文集, 2008