小型高壓儲氣裝置焊接反變形研究

王國欣 戚居良

（1.沈陽職業技術學院，遼寧 沈陽 110000； 2.沈陽航天新光集團有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 前言

隨著經濟社會的發展，航天工業取得了日新月異的變化，對質量的要求不斷提高。所以，航天工業的裝備制造企業在完成生產目標的同時，對質量要求不斷提高，控制企業各方面的成本力度不斷加強，盡量滿足客戶需要。通過調整產品多元化，提升自身企業的綜合競爭力，使企業在國內外的激烈的競爭中立于不敗之地。符合生產要求的焊接夾具，應具有良好的可靠性和實用性，同時可以保證產品的品質。良好的焊接夾具的設計既能保證零件的性能，也能讓生產效率得到較大提高。因此，在焊接過程中，為保證焊件獲得良好的性能，焊接夾具設計的合理性非常必要[1]。優秀的焊接夾設計，對提高產品的生產規模、品質和效率密切相關。

研究專用焊接夾具當今主要以分散的設計為主，并未有完善的設計體系。當今社會，數控加工中心使用更加頻繁，機床加工技術得到了全面的發展，技術逐漸變得成熟。因為專用夾具針對性較強且較復雜，如果重復利用會有較多的因素影響，所以總體上發展相對較慢。國內主要以高校和企業合作研究汽車焊接夾具和航空焊接夾具CAD系統為主。蘭州理工大學的王政老師通過AutoCAD軟件，在Windows系統下，制作出具有三維參數化CAD系統的焊接夾具[2]，并利用PRO/ENGINEER，實現了第一、二類杠桿-鉸鏈焊接工裝夾具的設計[3]。北京航空航天大學開發的汽車焊接夾具CAD系統[4]，計算出了焊接夾具在設計過程中可能得到的誤差,為未來焊接夾具設計提供了技術幫助。

由于航空航天飛行器內部空間狹小，某些機械傳動裝置不適合使用電力驅動方式提供動力，而是借助于高壓儲氣裝置進行機構運轉和局部增壓。而此類高壓儲氣裝置多為一類壓力容器，焊接質量要求又非常高。如果無法設計出合理的焊接加工的專用夾具，那么產品就無法生產。同時，高壓儲氣裝置的外形控制需要在焊接夾具的設計上花費大量時間。如何能合理地設計出焊接夾具，成為新光公司迫切需要解決的問題。

然而這些系統的針對性強，局限性較為明顯，沒有能夠提供一個完整的設計系統，以支持整個焊接夾具的設計過程，進而實現其自動化。對于類似于本研究項目的外形復雜的產品也往往會忽略一些可能產生的干涉甚至尺寸計算錯誤，導致焊接夾具返修難度增加甚至報廢，嚴重拖慢生產進度，影響產品交付。

隨著航空航天高壓氣源裝置結構的不斷發展與優化，為了適應新的安裝需求，提高高壓氣源裝置的儲氣量，公司開發出了雙瓶結構的小型高壓儲氣裝置，該產品將兩個高壓鋼瓶平行排列并使用導管焊接以實現導通的目的。但因為焊接變形雙瓶結構的平行結構在固定架焊接后難以保證平行，所以本次研究針對氣瓶的外形結構進行了焊接變形控制方面的研究。

2 產品外形結構分析

高壓儲氣裝置的兩個不銹鋼氣瓶（材料為沉淀硬化不銹鋼15-5PH）與兩片安裝板（板厚2.5mm，材料為奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti）焊接后需要加工4處φ6.5安裝孔，要求兩對安裝孔的中心線間距為389±0.5mm，安裝板1上2個φ6.5安裝孔間距46±0.3，安裝板2上2個φ6.5安裝孔間距46±0.3。

目前從已進行的試驗發現，焊接工序因為焊縫的收縮會造成氣瓶長度變短，而熱處理工序使瓶體的應力得到釋放進而使氣瓶長度變長。如果按現有的焊接及熱處理方法沒有摸索各工序對瓶體的變形影響，安裝板1與安裝板2的間距尺寸會存在超差的風險，如安裝板間距過大或過小可能會導致兩對安裝孔無法保證按要求打在設計要求的區域，造成產品不合格。

圖1 焊接定位夾具

3 焊接變形分析

已知的常見焊接結構件焊接變形機理分為以下幾種：

1.金屬在高溫下性能的變化。如低碳鋼在600℃～700℃以上就失去彈性，很小的力就能引起塑性變形。

2.不均勻加熱產生的變形。因焊接是一個局部冶金過程，結構件在不同的位置、時間上受熱、冷卻的條件都不一樣，因此極易在焊接過程中產生變形。

3.不同材料相變時性能的變化。不同材料的線膨脹系數、導熱率均存在很大差異，多用單件組合而成的結構件在加熱、冷卻過程中產生的變形量影響組件的總體變形量。

4 反變形方案設計

4.1 焊接參數影響驗證

考慮到不銹鋼氣瓶與2片安裝板的材料存在差異，如表1所示。

表1 兩種材料導熱率對比

在焊接過程中，如果電流過大則會發生焊絲和瓶體還未完成熔合，但不銹鋼安裝板卻已經燒塌。這一方面是因為瓶體部分散熱面積較大，瓶體的金屬導熱率相對較高（如表1所示），升溫慢；另一方面不銹鋼環的局部點只能靠空氣散熱，升溫過快。為了解決該問題，本次研究將加厚安裝板的板厚到4mm，提高安裝板強度的同時，可以在安裝板增加體積后減緩安裝板的升溫速率，從而改善焊接性，減小焊接變形量。

4.2 焊接定位夾具設計

由于在數控加工安裝板的過程中，兩個φ9的減重孔可以由程序保證兩個孔的中心線與安裝板的棱邊平行，那么只要在定位夾具上利用兩對中心線平行的圓柱銷將安裝板固定即可保證安裝板的平行。為了保證兩對安裝孔的加工面的平面度與平行度，定位夾具需要將這兩對安裝孔的加工面貼合工裝進行定位。

定位夾具的件3與件7分別為定位夾具上的4個定位螺栓，將安裝板的φ9穿過定位螺栓后用螺母固定，這樣氣瓶的安裝板的安裝孔加工面就完全貼合在件2與件6的頂面。依靠著氣瓶自身的重力和4個螺母的鎖緊，定位焊安裝板與氣瓶的結合位置時，氣瓶的各個位置都處于穩定緊固的狀態，受局部焊接收縮而產生的形變趨向就變小。

5 驗證過程

5.1 焊接參數驗證

在安裝板的厚度由2.5mm調整為4mm后，為了達到良好的焊接效果，本次研究針對1Cr18Ni9Ti材料的安裝板和15-5PH材料的瓶體做了模擬焊接，分別加工了4件1Cr18Ni9Ti的φ20環以及2件15-5PH材料φ20棒，每1件φ20棒分別與2件φ20環進行焊接。因產品加工狀態為鋼制內膽焊接、熱處理后進行安裝板的焊接，所以將φ20按照產品狀態進行了調制熱處理。焊接參數對比如表2。

表2 試棒與試環焊接參數驗證

經過對比，當電流值在30A左右時，φ20棒一側熔化較慢導致環燒損比較嚴重，無論是否預熱，焊后外觀均不理想。50A左右的電流（組3、組4）外觀要明顯好于組1、組2。

5.2 焊接定位夾具加工及驗證

氣瓶的瓶體的長度尺寸為352mm，由于機加累積公差、焊接收縮及熱處理影響，每個瓶體的數值不可能完全一致，在工裝設計時考慮到了兩對φ9孔的距離不可以設為定值，因此特意將件2與底板的安裝方式設計成了滑塊與方槽。槽寬要求，而滑塊寬要求，保證緊密貼合的同時，又可以在槽內滑動，便于在不同的氣瓶裝配時調整φ9孔的距離。

根據表3，熱加工后的瓶體變形量約為（-1.3）+（-0.3）=-1.6mm。經過對氣瓶筒子名義尺寸的二次調整，將名義尺寸267±0.2mm修正為268.6±0.2mm，修正后加工的20臺該批瓶體的尺寸最終均為351.7～352.1mm。由于安裝孔將正好落在安裝板的中心位置，避免了因352mm尺寸接近下差后，安裝孔自上而下的投影貼近安裝板邊緣，從而避免了因安裝板微量變形的影響導致的氣瓶校型。事實上，安裝板在加厚之后校型的難度很大，因此，在焊接前必須減少有可能導致校型的不利因素。此次工藝更改為安裝孔加工提供了有效的前期準備。

表3 瓶體長度尺寸數據統計

使用該焊接定位夾具進行焊接的本批產品氣瓶共20臺，均能保證兩對安裝孔的中心線間距為389±0.5mm，兩片安裝板相對位置平行。

6 結論

根據高壓儲氣裝置遇到的瓶頸問題，展開了本次工藝研究工作。通過焊接變形量摸索、優化工裝、優化焊接工藝方法以及優化產品結構，進行試驗件的驗證和整批產品的驗證，并利用無損探傷、三坐標檢測等手段對產品的質量進行了檢測。結果表明，產品質量能夠滿足使用要求。通過本次攻關解決了高壓儲氣裝置的焊接變形問題，為后續產品生產提供依據和保障。