氧箱集气排设计与焊接工艺研究

赵洲　刘平

摘   要：集气排在火箭型号试验气路系统中较为常见，主要起到缓冲气体流速、增大气体供应流量的作用。在多个集气排产品的制作过程中常存在焊件部位残余变形严重、焊接接头平行度较差、安装时气密不合格等问题，甚至焊缝质量不能通过无损检测，导致多次返工、误工，严重时威胁系统安全。某型号点火器实验用氧箱集气排，因工艺需求，集气排细长且焊接接管咀比较多，生产时出现焊缝漏率超标、焊接接头平行度差、成品制作不美观且影响管道安装密封等问题。针对此种问题进行氧箱集气排优化设计及焊接工艺改进，为日后同类产品的设计制作提供借鉴。

关键词：氧箱集气排;优化设计;焊接工艺

集气排是用来汇集管路来气，降低气体流速并提供大流量的设备，其设计的合理与否对管路安装有重要影响。前期在多个试验系统中，特别是高压系统中，因集气排设计不合理，导致管路安装困难加大，在进行气密实验时，经多次校正才达到气密要求，但管道变形严重，威胁系统安全。某型号点火器实验用氧箱集气排是用来给氧箱充压的设备，因工艺需求，集气排细长且焊接接管咀比较多，生产时出现焊接接头平行度差、成品制作不美观的情况，严重影响管道安装，经过多次矫正才达到气密要求。针对此种情况，从源头入手，通过设计优化及工艺改进来解决，为日后同类产品的设计制作提供借鉴。

1    原氧箱集气排设计制作

常规集气排是在直管道上钻孔后与焊接接管咀对焊。这种结构存在弊端：钻孔时，没有定位限制，钻孔轴线偏离，与管道轴线不相交，在对接焊接接管咀时，焊接接管咀容易焊偏，平行度较差，管道安装时密封性能较差。为达到一定的平行度要求，对接焊接管咀时进行大量的机械矫正，力度掌握不当，就会造成焊缝无损检测不合格，甚至产生裂纹，威胁系统安全。如图1所示，多个接管咀的平行度较差，并且集气排出现严重的焊接弯曲变形，不利于现场管路对接安装及密封性能的需求。

2    氧箱集气排优化设计

针对此种情况，从源头抓起，在设计时，对集气总管进行优化设计。本系统氧箱集气排是由一根4 m长、规格为φ50×5的不锈钢管和40个DN8焊接直通接头组成，均布在不锈钢管的两侧。集气总管结构设计如图2所示，在钻孔处外伸出一段直管，保证了所有焊接接口的平行度，方便焊接接管咀对接。

3    焊接工艺改进

采用氩弧焊机WS-400进行焊接，抗干扰性强，焊接参数的重复性稳定。氩弧焊的工艺参数主要包括焊接电流、钨极直径、电弧电压、焊接速度、喷嘴孔径和保护气体流量[1]等。经反复实验及经验总结，确定了一套焊接工艺理论及制作方法。

3.1  焊接电流

焊接电流太大，焊缝易产生咬边，背面形成垂瘤甚至烧穿。若焊接电流太小，会产生未焊透等缺陷。

依据被焊材质性能、焊件的板厚、坡口形式和焊缝空间位置采用直流反接，焊接电流选用80～160 A。

3.2  钨极直径

焊接采用铈钨极，其电子发射能力高、引弧易、稳弧性能好、许用电流更大，烧损少、寿命长、放射性剂量低，钨极的直径根据焊接电流大小决定。本次氧箱集气排制作钨极直径选用1.6 mm。

3.3  电弧电压

电弧电压是由电弧长度决定的，电弧拉长，电弧电压升高，焊缝的熔宽增大。电弧电压太高，保护效果差，且易引起咬边及未焊透缺陷。电弧电压太低，即弧长太短，焊工观察电弧困难，且加送焊丝时易碰到钨极，引起短路，使钨极烧损，产生夹钨缺陷。合适的电弧长度近似于钨极直径，手工钨极氩弧焊的电弧电压在10～20 V。

3.4  焊接速度

焊接速度增大，熔池体积减小，熔深和熔宽减小。焊接太快，气体保护效果变差，还易产生未焊透、焊缝窄而不均的现象。焊速太慢，焊缝宽大，易产生烧穿等缺陷。手工钨极氩弧焊时，应根据熔池形状和大小、坡口两侧熔合情况随时调整焊接速度。

氧箱集气排对接环焊缝内径DN8，根据经验，一般在10 min左右完成一个接管咀的对接及焊接工作。

3.5  喷嘴孔径和保护气体流量

喷嘴孔径越大，气体保護区范围越大，需要的气体流量也越大。喷嘴孔径根据钨极直径选定，按公式D=2dw+4确定。其中，D表示喷嘴孔径，mm;dw表示钨极直径，mm。

保护气体流量太小，保护效果差;气体流量太大，也会产生紊流，空气被卷入，保护效果也不好。合适的气体流量，喷嘴喷出的气流是层流，保护效果良好。气体的流量按下式选定，即：

Q=（0.8～1.2）D

式中，Q表示气体流量，L/min;D表示喷嘴孔径，mm。

焊接保护气采用纯度达99.99%的氩气，它能较好地控制熔池，减少热量输出。焊接时，未焊接开孔处用塑料布和胶带进行封堵，集气总管两端用致密白绸布进行封堵，既保证集气管内存在充足氩气，又保证氩气能够流通。

3.6  焊接工装

焊接工装的作用是保证和提高产品质量，提高劳动效率、降低制造成本。本产品可采用专用焊接工装[2]（见图3）。定位销上粗下细，保证在插入接管咀内环焊缝上端的工装直径偏大，最大限度地限制焊接接管咀偏离和歪斜，焊缝部位及插入集气排内的工装的直径尺寸缩小，保证焊接时内焊缝有足够的余高，方便射线探伤合格。根据焊接接管咀的口径，采用φ7.5及缩径的定位销进行焊接定位，焊接时将定位工装插入焊接接管咀内，限制焊件4个自由度。焊接时先对所有接管咀进行4点点焊，利用机械矫正焊接变形后再进行全焊透[3]，借以保证焊接接管咀的平行程度。同时，为防止焊接工装与焊件熔合，应使工装与集气管材质不同，降低熔合程度，便于抽离工装。

4    结语

根据理论及经验总结，要获得优质的焊接结构，必须合理地设计结构，正确地选择材料和合适的焊接设备，制定正确的焊接工艺并进行必要的质量检验，才能保证合格的产品质量。集气管经过设计优化及工艺改进，可以大大降低产品常见的焊接残余变形大、焊接接管咀轴向平行度差的问题，能够提高安装密封性，降低系统气密调试难度。

[参考文献]

[1]赵伟兴.手工钨极氩弧焊培训教材[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

[2]陈焕明.焊接工装设计[M].北京：航空工业出版社，2006.

[3]朱小兵.焊接结构制造工艺及实施[M].北京：机械工业出版社，2016.