氧箱集氣排設(shè)計(jì)與焊接工藝研究

趙洲　劉平

摘? ?要：集氣排在火箭型號試驗(yàn)氣路系統(tǒng)中較為常見，主要起到緩沖氣體流速、增大氣體供應(yīng)流量的作用。在多個(gè)集氣排產(chǎn)品的制作過程中常存在焊件部位殘余變形嚴(yán)重、焊接接頭平行度較差、安裝時(shí)氣密不合格等問題，甚至焊縫質(zhì)量不能通過無損檢測，導(dǎo)致多次返工、誤工，嚴(yán)重時(shí)威脅系統(tǒng)安全。某型號點(diǎn)火器實(shí)驗(yàn)用氧箱集氣排，因工藝需求，集氣排細(xì)長且焊接接管咀比較多，生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)焊縫漏率超標(biāo)、焊接接頭平行度差、成品制作不美觀且影響管道安裝密封等問題。針對此種問題進(jìn)行氧箱集氣排優(yōu)化設(shè)計(jì)及焊接工藝改進(jìn)，為日后同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：氧箱集氣排;優(yōu)化設(shè)計(jì);焊接工藝

集氣排是用來匯集管路來氣，降低氣體流速并提供大流量的設(shè)備，其設(shè)計(jì)的合理與否對管路安裝有重要影響。前期在多個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)中，特別是高壓系統(tǒng)中，因集氣排設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致管路安裝困難加大，在進(jìn)行氣密實(shí)驗(yàn)時(shí)，經(jīng)多次校正才達(dá)到氣密要求，但管道變形嚴(yán)重，威脅系統(tǒng)安全。某型號點(diǎn)火器實(shí)驗(yàn)用氧箱集氣排是用來給氧箱充壓的設(shè)備，因工藝需求，集氣排細(xì)長且焊接接管咀比較多，生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)焊接接頭平行度差、成品制作不美觀的情況，嚴(yán)重影響管道安裝，經(jīng)過多次矯正才達(dá)到氣密要求。針對此種情況，從源頭入手，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化及工藝改進(jìn)來解決，為日后同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作提供借鑒。

1? ? 原氧箱集氣排設(shè)計(jì)制作

常規(guī)集氣排是在直管道上鉆孔后與焊接接管咀對焊。這種結(jié)構(gòu)存在弊端：鉆孔時(shí)，沒有定位限制，鉆孔軸線偏離，與管道軸線不相交，在對接焊接接管咀時(shí)，焊接接管咀容易焊偏，平行度較差，管道安裝時(shí)密封性能較差。為達(dá)到一定的平行度要求，對接焊接管咀時(shí)進(jìn)行大量的機(jī)械矯正，力度掌握不當(dāng)，就會(huì)造成焊縫無損檢測不合格，甚至產(chǎn)生裂紋，威脅系統(tǒng)安全。如圖1所示，多個(gè)接管咀的平行度較差，并且集氣排出現(xiàn)嚴(yán)重的焊接彎曲變形，不利于現(xiàn)場管路對接安裝及密封性能的需求。

2? ? 氧箱集氣排優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對此種情況，從源頭抓起，在設(shè)計(jì)時(shí)，對集氣總管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)氧箱集氣排是由一根4 m長、規(guī)格為φ50×5的不銹鋼管和40個(gè)DN8焊接直通接頭組成，均布在不銹鋼管的兩側(cè)。集氣總管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，在鉆孔處外伸出一段直管，保證了所有焊接接口的平行度，方便焊接接管咀對接。

3? ? 焊接工藝改進(jìn)

采用氬弧焊機(jī)WS-400進(jìn)行焊接，抗干擾性強(qiáng)，焊接參數(shù)的重復(fù)性穩(wěn)定。氬弧焊的工藝參數(shù)主要包括焊接電流、鎢極直徑、電弧電壓、焊接速度、噴嘴孔徑和保護(hù)氣體流量[1]等。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，確定了一套焊接工藝?yán)碚摷爸谱鞣椒ā?/p>

3.1? 焊接電流

焊接電流太大，焊縫易產(chǎn)生咬邊，背面形成垂瘤甚至燒穿。若焊接電流太小，會(huì)產(chǎn)生未焊透等缺陷。

依據(jù)被焊材質(zhì)性能、焊件的板厚、坡口形式和焊縫空間位置采用直流反接，焊接電流選用80～160 A。

3.2? 鎢極直徑

焊接采用鈰鎢極，其電子發(fā)射能力高、引弧易、穩(wěn)弧性能好、許用電流更大，燒損少、壽命長、放射性劑量低，鎢極的直徑根據(jù)焊接電流大小決定。本次氧箱集氣排制作鎢極直徑選用1.6 mm。

3.3? 電弧電壓

電弧電壓是由電弧長度決定的，電弧拉長，電弧電壓升高，焊縫的熔寬增大。電弧電壓太高，保護(hù)效果差，且易引起咬邊及未焊透缺陷。電弧電壓太低，即弧長太短，焊工觀察電弧困難，且加送焊絲時(shí)易碰到鎢極，引起短路，使鎢極燒損，產(chǎn)生夾鎢缺陷。合適的電弧長度近似于鎢極直徑，手工鎢極氬弧焊的電弧電壓在10～20 V。

3.4? 焊接速度

焊接速度增大，熔池體積減小，熔深和熔寬減小。焊接太快，氣體保護(hù)效果變差，還易產(chǎn)生未焊透、焊縫窄而不均的現(xiàn)象。焊速太慢，焊縫寬大，易產(chǎn)生燒穿等缺陷。手工鎢極氬弧焊時(shí)，應(yīng)根據(jù)熔池形狀和大小、坡口兩側(cè)熔合情況隨時(shí)調(diào)整焊接速度。

氧箱集氣排對接環(huán)焊縫內(nèi)徑DN8，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般在10 min左右完成一個(gè)接管咀的對接及焊接工作。

3.5? 噴嘴孔徑和保護(hù)氣體流量

噴嘴孔徑越大，氣體保護(hù)區(qū)范圍越大，需要的氣體流量也越大。噴嘴孔徑根據(jù)鎢極直徑選定，按公式D=2dw+4確定。其中，D表示噴嘴孔徑，mm;dw表示鎢極直徑，mm。

保護(hù)氣體流量太小，保護(hù)效果差;氣體流量太大，也會(huì)產(chǎn)生紊流，空氣被卷入，保護(hù)效果也不好。合適的氣體流量，噴嘴噴出的氣流是層流，保護(hù)效果良好。氣體的流量按下式選定，即：

Q=（0.8～1.2）D

式中，Q表示氣體流量，L/min;D表示噴嘴孔徑，mm。

焊接保護(hù)氣采用純度達(dá)99.99%的氬氣，它能較好地控制熔池，減少熱量輸出。焊接時(shí)，未焊接開孔處用塑料布和膠帶進(jìn)行封堵，集氣總管兩端用致密白綢布進(jìn)行封堵，既保證集氣管內(nèi)存在充足氬氣，又保證氬氣能夠流通。

3.6? 焊接工裝

焊接工裝的作用是保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)效率、降低制造成本。本產(chǎn)品可采用專用焊接工裝[2]（見圖3）。定位銷上粗下細(xì)，保證在插入接管咀內(nèi)環(huán)焊縫上端的工裝直徑偏大，最大限度地限制焊接接管咀偏離和歪斜，焊縫部位及插入集氣排內(nèi)的工裝的直徑尺寸縮小，保證焊接時(shí)內(nèi)焊縫有足夠的余高，方便射線探傷合格。根據(jù)焊接接管咀的口徑，采用φ7.5及縮徑的定位銷進(jìn)行焊接定位，焊接時(shí)將定位工裝插入焊接接管咀內(nèi)，限制焊件4個(gè)自由度。焊接時(shí)先對所有接管咀進(jìn)行4點(diǎn)點(diǎn)焊，利用機(jī)械矯正焊接變形后再進(jìn)行全焊透[3]，借以保證焊接接管咀的平行程度。同時(shí)，為防止焊接工裝與焊件熔合，應(yīng)使工裝與集氣管材質(zhì)不同，降低熔合程度，便于抽離工裝。

4? ? 結(jié)語

根據(jù)理論及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，要獲得優(yōu)質(zhì)的焊接結(jié)構(gòu)，必須合理地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，正確地選擇材料和合適的焊接設(shè)備，制定正確的焊接工藝并進(jìn)行必要的質(zhì)量檢驗(yàn)，才能保證合格的產(chǎn)品質(zhì)量。集氣管經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化及工藝改進(jìn)，可以大大降低產(chǎn)品常見的焊接殘余變形大、焊接接管咀軸向平行度差的問題，能夠提高安裝密封性，降低系統(tǒng)氣密調(diào)試難度。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙偉興.手工鎢極氬弧焊培訓(xùn)教材[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

[2]陳煥明.焊接工裝設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[3]朱小兵.焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及實(shí)施[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.