熱沉用不銹鋼管銅翅片自動焊接技術研究

魏仁海，張立建，劉 序，佟永利

（北京衛星環境工程研究所，北京100029）

0 前言

空間環境模擬試驗設備又稱空間模擬器，是模擬衛星及其組件在軌道運行中經歷的主要空間環境的試驗設備，由空間環境模擬室、真空抽氣系統、太陽模擬器、紅外模擬器、氣氮系統及控制與測量系統等組成。空間環境模擬室是空間模擬器的主體部分，由真空容器、試件支持機構、熱沉等組成。熱沉是空間環境模擬設備的重要組成部分，其主要功能是為試驗件提供冷黑環境。不銹鋼管與銅翅片的管板結構熱沉是近幾年發展起來的一種新型熱沉，此種熱沉已成功應用于中國空間技術研究院KM3B、上海航天技術研究院KM2、KM5等環境模擬設備。

1 研究內容

熱沉用不銹鋼管銅翅片結構為在直徑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焊接厚度為1.5 mm、寬度為100～200 mm紫銅板，結構形式如圖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）生產效率低，需要較多的專業焊工；

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

圖1 不銹鋼管銅翅片結構示意圖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，開展了熱沉管板結構的自動焊接技術研究，研究內容主要包括不銹鋼管銅翅片自動焊接裝置的研制、自動焊接工藝參數的調試和確定。

2 不銹鋼管銅翅片結構自動焊接裝置的研制

不銹鋼管銅翅片結構自動焊接裝置主要由自動焊接裝置機械結構、伺服控制系統、氣動控制系統組成。

2.1 自動焊接裝置結構設計

熱沉用不銹鋼管銅翅片自動焊接裝置機械結構主要包括3個部分：不銹鋼管與銅翅片的矯正、定位和加緊機構，焊槍調節加緊機構和移動焊接小車移動系統。

2.1.1 不銹鋼管與銅翅片的矯正、定位和夾緊機構

1）不銹鋼管的矯正、定位和夾緊機構

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。現在不銹鋼管的定位和夾緊專門設計了鋼管的矯正工裝定位和加緊結構，其矯正工裝結構如圖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動，使移動壓板沿滾動直線導軌副移動，在水平方向將鋼管壓緊，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、定位和夾緊機構

以前銅翅片的矯正主要通過手工矯正，目測檢驗，精度較差。現在銅翅片的定位和夾緊專門設計了矯正定位和加緊結構，如圖3所示。

圖3 銅翅片的矯正定位和加緊結構示意圖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動，使翅片鉛垂方向壓緊板沿圓形滾動直線導軌副移動，在垂直方向將翅片壓緊，以消除翅片的彈性變形，達到矯正的目的，同時可以控制焊接后銅翅片的變形。

該機構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量。2.1.2 焊槍調節夾緊機構

為實現自動焊接，將焊槍固定在縱向伺服移動焊接小車上的焊槍夾持機構上，焊槍與焊縫距離和夾角可調。該機構在水平方向、垂直方向通過微型蝸輪-蝸桿傳動可連續精密微調，焊槍位置調定后在各個調節部位均設置鎖緊結構。并且在拆卸已焊好的成品時，該裝置在水平方向可作90°整體轉動。

2.1.3 自動焊接小車移動系統

不銹鋼管銅翅片自動焊接程序包括管板固定、焊槍運動，焊槍安裝在焊接小車上和控制焊接小車的行走速度。由交流伺服電機通過精密減速器帶動精密滾珠絲杠副旋轉而拖動，焊接小車沿滾動直線導軌副行走，保證焊槍沿直線軌跡運動和行走速度。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 伺服控制系統設計

2.2.1 硬件組成

伺服控制系統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。

2.2.2 系統設置

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

2.2.3 執行過程

以上設置傳遞至 PLC，PLC通過伺服控制器控制伺服電機動作。

2.3 氣動控制系統設計

2.3.1 氣動控制系統原理

氣動控制系統原理如圖5所示。

圖5 氣動控制系統原理圖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和氣動元器件正常工作，要求系統壓力不低于0.5 MPa。本系統不推薦采用過濾干燥經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的氣源進行過濾，采用差壓式自動排水過濾器。本系統實際使用前經調試使壓力鎖定，在工況變化時用戶可根據實際情況調整氣源控制箱中調壓閥，使壓緊過程平穩進行為宜。

2.3.3 信號輸入部分

本系統的電氣控制分別設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均加裝調速接頭，使各個氣缸在工作行程的速度連續可調、平穩無沖擊。

3 自動焊接工藝參數的確定

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

1）氬弧焊機的焊接電流

經過焊接試驗確定氬弧焊機的連續焊接電流，根據工況不同設置不同的焊接電流。

2）焊接小車焊接速度

經過焊接試驗確定焊接小車焊接開始速度、連續焊接速度、停止速度、回程速度。并且要根據工況設置不同的焊接速度。

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設置。

3.1.2 檢漏試驗

對焊接試件進行檢漏試驗，經檢驗所有試件的漏率均優于 5×10-11Pa·m3/s。

3.1.3 X射線探傷試驗

對焊接試件進行X射線探傷試驗，經檢驗所有試件焊縫均符合GB/T 3323—2005 標準Ⅰ級要求。

3.1.4 熔深分析

對焊接試件進行金相分析試驗，結果如圖6所示。

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

3.1.5 焊接參數分析結論

通過各種焊接工況參數的實際試驗，并且進行分析比較，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°。焊接參數對比分析結論見表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

對比上述分析結果，選用焊槍與焊縫的角度75°作為連續焊接時的焊接角度。

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。對焊接試件進行檢漏試驗，經檢驗所有試件的漏率均優于5×10-11Pa·m3/s 。對焊接試件進行X射線探傷試驗，經檢驗所有試件焊縫均符合 GB/T 3323—2005 標準Ⅰ級要求。對焊接試件進行金相分析試驗，結果如圖7所示。

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

3.3.1 焊接參數選用結論

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

4 結論

中國空間技術研究院北京衛星環境工程研究所是國內首次采用氬弧自動焊接替代手工焊接的單位，實現了熱沉用不銹鋼管銅翅片自動焊接。設計研制的自動焊接設備，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量，同時提高了不銹鋼管銅翅片結構熱沉的加工生產效率。

（References）

[1]黃本誠.空間環境模擬器設計[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[J].航天器環境工程, 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鍵技術[J].航天器環境工程, 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金屬焊接技術[C]//航天焊接新技術應用交流會論文集, 2008