氧箱集氣排設計與焊接工藝研究

趙洲　劉平

摘? ?要：集氣排在火箭型號試驗氣路系統中較為常見，主要起到緩沖氣體流速、增大氣體供應流量的作用。在多個集氣排產品的制作過程中常存在焊件部位殘余變形嚴重、焊接接頭平行度較差、安裝時氣密不合格等問題，甚至焊縫質量不能通過無損檢測，導致多次返工、誤工，嚴重時威脅系統安全。某型號點火器實驗用氧箱集氣排，因工藝需求，集氣排細長且焊接接管咀比較多，生產時出現焊縫漏率超標、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。針對此種問題進行氧箱集氣排優化設計及焊接工藝改進，為日后同類產品的設計制作提供借鑒。

關鍵詞：氧箱集氣排;優化設計;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備，其設計的合理與否對管路安裝有重要影響。前期在多個試驗系統中，特別是高壓系統中，因集氣排設計不合理，導致管路安裝困難加大，在進行氣密實驗時，經多次校正才達到氣密要求，但管道變形嚴重，威脅系統安全。某型號點火器實驗用氧箱集氣排是用來給氧箱充壓的設備，因工藝需求，集氣排細長且焊接接管咀比較多，生產時出現焊接接頭平行度差、成品制作不美觀的情況，嚴重影響管道安裝，經過多次矯正才達到氣密要求。針對此種情況，從源頭入手，通過設計優化及工藝改進來解決，為日后同類產品的設計制作提供借鑒。

1? ? 原氧箱集氣排設計制作

常規集氣排是在直管道上鉆孔后與焊接接管咀對焊。這種結構存在弊端：鉆孔時，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，焊接接管咀容易焊偏，平行度較差，管道安裝時密封性能較差。為達到一定的平行度要求，對接焊接管咀時進行大量的機械矯正，力度掌握不當，就會造成焊縫無損檢測不合格，甚至產生裂紋，威脅系統安全。如圖1所示，多個接管咀的平行度較差，并且集氣排出現嚴重的焊接彎曲變形，不利于現場管路對接安裝及密封性能的需求。

2? ? 氧箱集氣排優化設計

針對此種情況，從源頭抓起，在設計時，對集氣總管進行優化設計。本系統氧箱集氣排是由一根4 m長、規格為φ50×5的不銹鋼管和40個DN8焊接直通接頭組成，均布在不銹鋼管的兩側。集氣總管結構設計如圖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

采用氬弧焊機WS-400進行焊接，抗干擾性強，焊接參數的重復性穩定。氬弧焊的工藝參數主要包括焊接電流、鎢極直徑、電弧電壓、焊接速度、噴嘴孔徑和保護氣體流量[1]等。經反復實驗及經驗總結，確定了一套焊接工藝理論及制作方法。

3.1? 焊接電流

焊接電流太大，焊縫易產生咬邊，背面形成垂瘤甚至燒穿。若焊接電流太小，會產生未焊透等缺陷。

依據被焊材質性能、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，其電子發射能力高、引弧易、穩弧性能好、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，且加送焊絲時易碰到鎢極，引起短路，使鎢極燒損，產生夾鎢缺陷。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，氣體保護效果變差，還易產生未焊透、焊縫窄而不均的現象。焊速太慢，焊縫寬大，易產生燒穿等缺陷。手工鎢極氬弧焊時，應根據熔池形狀和大小、坡口兩側熔合情況隨時調整焊接速度。

氧箱集氣排對接環焊縫內徑DN8，根據經驗，一般在10 min左右完成一個接管咀的對接及焊接工作。

3.5? 噴嘴孔徑和保護氣體流量

噴嘴孔徑越大，氣體保護區范圍越大，需要的氣體流量也越大。噴嘴孔徑根據鎢極直徑選定，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。

保護氣體流量太小，保護效果差;氣體流量太大，也會產生紊流，空氣被卷入，保護效果也不好。合適的氣體流量，噴嘴噴出的氣流是層流，保護效果良好。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。

焊接保護氣采用純度達99.99%的氬氣，它能較好地控制熔池，減少熱量輸出。焊接時，未焊接開孔處用塑料布和膠帶進行封堵，集氣總管兩端用致密白綢布進行封堵，既保證集氣管內存在充足氬氣，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品質量，提高勞動效率、降低制造成本。本產品可采用專用焊接工裝[2]（見圖3）。定位銷上粗下細，保證在插入接管咀內環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的工裝的直徑尺寸縮小，保證焊接時內焊縫有足夠的余高，方便射線探傷合格。根據焊接接管咀的口徑，采用φ7.5及縮徑的定位銷進行焊接定位，焊接時將定位工裝插入焊接接管咀內，限制焊件4個自由度。焊接時先對所有接管咀進行4點點焊，利用機械矯正焊接變形后再進行全焊透[3]，借以保證焊接接管咀的平行程度。同時，為防止焊接工裝與焊件熔合，應使工裝與集氣管材質不同，降低熔合程度，便于抽離工裝。

4? ? 結語

根據理論及經驗總結，要獲得優質的焊接結構，必須合理地設計結構，正確地選擇材料和合適的焊接設備，制定正確的焊接工藝并進行必要的質量檢驗，才能保證合格的產品質量。集氣管經過設計優化及工藝改進，可以大大降低產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，降低系統氣密調試難度。

[參考文獻]

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

[2]陳煥明.焊接工裝設計[M].北京：航空工業出版社，2006.

[3]朱小兵.焊接結構制造工藝及實施[M].北京：機械工業出版社，2016.