一種冷凍干燥機制冷板層電阻焊接頭強度研究

葛會冰 李其雄 王波

（山東新華醫療器械股份有限公司 255086）

一種冷凍干燥機制冷板層電阻焊接頭強度研究

葛會冰 李其雄 王波

（山東新華醫療器械股份有限公司 255086）

冷凍干燥機是生物制藥行業的核心裝備之一，而制冷板層則是冷凍干燥機的核心部件，對制冷效果具有決定性影響。但在使用過程中，其疲勞破壞一直是困擾業界的主要問題。通過試驗得知影響疲勞破壞的主要因素是板層面板與連接件間的阻焊焊點大小與焊點噴濺程度。本文通過對影響熔核大小及噴濺的各種因素進行分析，設計一系列改進方案，并通過試驗進行了驗證，最終保證產品可靠性。

冷凍干燥機；疲勞破壞；凸焊；熔核；噴濺；強度

1 概述

1.1 板層結構構成

凍干機板層主要由上下面板、導流管、上下左右封邊等構件組成的組焊結構，材料為耐蝕性良好的316L。板層內部通以冷卻介質進行制冷。板層的面板與導流方鋼管的焊接采用儲能式電阻凸焊的焊接形式。

我廠采用的板層外觀圖如圖1所示。

圖1 板層結構示意圖

1.2 板層工作狀態

板層在工作過程中要經過制冷、加熱，真空、加壓等循環過程。主要的兩種工作條件組合是：

（1）工件溫度T=80℃、內部壓力2.0kg、外部真空。

（2）工件溫度T=-55℃、內部壓力2.0kg、外部真空。

1.3 板層主要失效形式

板層在使用過程中，主要失效形式是阻焊焊點斷裂、工件起鼓導致功能喪失。

2 影響接頭強度的主要因素分析及改善措施

2.1 破壞板層焊接接頭熔核大小試驗

經過對發生破壞的10塊板層進行統計，發現所有的破壞點均發生在B面，為此，首先對A、B面的熔核大小進行了初步腐蝕試驗。

2.1.1 試驗過程

（1）將線切割的板層進行除油，清水沖洗后壓縮氣吹干。（2）用百葉片打磨板層電阻焊區域，修磨至無線切割條紋。

（3）用羊毛輪將打磨區域磨光成鏡面。

（4）用丙酮清洗干凈。

（5）配制硫酸銅腐蝕液待用。

（6）用膠頭滴管將腐蝕液滴到磨光區域，3～5min后用清水沖洗干凈，觀察表面狀態。

2.1.2 試驗結果

通過實驗觀察，板層線切割兩側均有點焊熔合形成，但是熔合區域大小不一，結果統計見表1。

結論：B面由于施工條件惡劣，導致焊點大小僅有A面的1/3。雖然工件加工后能通過3.5kg的耐壓試驗，卻無法滿足使用過程中的持久強度要求。因此本文的主要工作就是提高B面的焊點大小，以滿足使用要求。

2.2 改善試驗及措施

點焊時產生的熱量由下式決定：

表1 腐蝕試驗結果

式中：Q-產生的熱量（J）；I-電流（A）；R-電阻（Ω）；t-焊接時間（S）。

2.2.1 提高焊接電流

采用的阻焊設備由獨立4臺電源供電，采用的第一個辦法是提高焊接電流，將一次焊接2個點改為一次焊接1個點。

試驗結果：

（1）超聲檢測顯示（圖2）等效直徑增加，大小平均增加到4.6mm，但發生嚴重噴濺，影響焊接質量。

圖2 增大電流后超聲檢測焊點情況示意圖

（2）單個焊點的拉力破壞試驗顯示結果與不增加電流相當，約為5.1kN，見表2。

表2 增加電流后的破壞力列表

2.2.2 提高電極壓力

因為不銹鋼的導熱性僅有碳鋼的1/3，熱量容易聚集，在電極壓力不足的情況下，容易產生噴濺。經過對焊接參數的檢測（見圖3），發現焊接過程壓力降低較為劇烈，而回升則過于緩慢，規范較軟。而不銹鋼焊接應為硬規范，為此應加大對規范的調整。

（1）選用大規格氣缸，增加電極壓力。

（2）增加電極剛性。

試驗結果：

因破壞力對結果有直接關系，僅進行破壞力試驗。

通過試驗結果可見，增加電極壓力后，試驗結果得到明顯改善，破壞力加倍達到11.1kN，見表3。

2.2.3 增加凸點尺寸

圖3 焊接過程參數曲線

表3 增加電極壓力的破壞力列表

剖切斷面腐蝕結果顯示，增加電機壓力，雖然加大了破壞力，但仍發生噴濺，熱量仍然過于聚集。為進一步減少熔核噴濺情況，增加凸點尺寸，減小電流密度。

測試結果：

通過以上改善，取得了良好的結果，超聲檢測顯示，焊點噴濺情況大幅改善，熔核直徑成倍增加。

（1）超聲顯示的熔核情況，見圖4。

（2）破壞力得到成倍提高，見表4。

3 破壞性壓力試驗

為了判斷板層改善后的效果，根據ASME-Ⅷ-Ⅰ的要求，需進行4倍工作壓力的壓力試驗，不得出現明顯的變形與異常響聲。試驗結果顯示完全達到要求。

圖4 改善后的超聲檢測結果

表4 增加電極壓力的破壞力列表

4 結論

以上實踐表明，電阻凸焊技術用于凍干機板層的加工是可行的，只要對影響焊接質量的因素焊接電流、焊接時間、電極壓力、凸點尺寸詳細進行分析實驗，嚴格控制加工過程，就能有效避免焊接缺陷，達到設計規定的強度，得到令人滿意的效果。

[1]趙熹華，主編.壓力焊.北京：機械工業出版社，1989.

[2]馮友仁.電阻焊的質量控制.現代制造，2008.

[3]李占斌.超聲波探傷在壓力容器焊接質量控制中的應用.河南科技，2009.

[4]《鋼制壓力容器》（GB150-1998）[S].

[5]ASME.-Code，Section Ⅷ division I[M].New York：The American Society of MechanicalEngineers，2007.

TB657

A

1004-7344（2016）17-0196-02

2016-5-16