TIG焊焊接管路组件控制氧化工艺研究

王文平 贾春林 张 宽 谢继香



TIG焊焊接管路组件控制氧化工艺研究

王文平 贾春林 张 宽 谢继香

（北京控制工程研究所，北京 100190）

针对卫星用钛合金和不锈钢管路连接件TIG焊接过程中出现氧化问题，通过设计新型焊接保护罩，改善保护罩密封性，提高罩内氩气纯度，减少氧化，在此基础上进一步设计装夹散热保护工装，降低焊接热影响区温度，使焊枪流出的氩气能在焊缝周围短时间存留，焊接氧化得到了有效控制，最终降低了生产成本，提高了产品焊接质量。

氩弧焊；氧化；工艺；工装

1 引言

TIG焊（钨极氩弧焊）是以燃烧于非熔化电极与焊件间的电弧作为热源，电极和电弧区及熔化金属用氩气保护，使之与空气隔绝，减少氧化。脉冲TIG焊作为TIG焊的一种，因其适宜焊接薄壁管路，焊缝质量高而被广泛采用。

目前TIG焊主要采用能够罩住待焊工件的密封外罩，并在外罩的腔体内设有充气管和冷却装置的方式，减少待焊接部位的氧气含量，并及时增加热量传导，减少焊缝周围氧化。有时也会采用抽真空后充氩的方式保护焊缝，减少氩气损耗，但是需要焊前等待抽真空，对于需二次装配的管路组件的焊接较为麻烦，并且配置抽真空系统较为昂贵。本文采用保护罩和装卡防护工装相结合的方式减少其附近区域氧化。

2 管路连接件焊接问题及问题分析

2.1 焊接问题

a 钛合金管路 b 不锈钢管路

在卫星用单组元和双组元推进系统中管路连接件一直采用TIG焊接，管路连接件材料有钛合金和不锈钢两种，结构形式为搭接结构，采用保护罩内通氩气，能隔绝大部分空气焊接过程中对焊缝质量的影响，一定程度上能够改善管路焊接氧化，但当焊接材料为不锈钢时，由于不锈钢导热系数大，热传导能力强，焊缝热影响区增大，最终造成焊缝周围大面积氧化，如图1所示，需要钳工耗费大量时间，用布砂轮或者抛光砂纸抛光，增加了人工成本，影响产品生产效率。

2.2 问题分析

分析管路组件的焊接过程：管路组件焊接前，保护罩内预先并持续通99.999%氩气，降低保护罩内的氧气含量，使工件整体处于受氩气保护状态。焊接过程中，焊枪同时流出氩气对电极和电弧区及熔化金属进行进一步保护。

焊后结果：焊缝处受保护程度较好，几乎无氧化；焊缝周围出现不同程度的氧化；不锈钢氧化程度较钛合金严重。

结论：保护罩内氩气纯度不高，保护效果有限；保护罩的密封效果有待改进；不锈钢的热传导性较好，导致热影响区氧化严重；工件热影响区温度需控制。

3 解决方法

3.1 新型焊接保护罩的应用

老的焊接保护罩连接部位采用螺钉紧固的方式固定，保护罩连接部位有缝隙，密封性较差，上面板操作窗口的盖板厚1mm，易导致氩气从间隙处泄露，工件受保护程度不高，造成工件一定程度上氧化。

新保护罩的设计方案：依据新机床主轴及工件的尺寸，同时为了便于加工，保护罩内尺寸为330mm×240mm×230mm的长方体，其中左右面板为玻璃钢，用于阻挡焊接弧光，其余采用有机玻璃，便于观察工件装夹找正。保护罩箱体结合部位采用螺钉和密封胶进行双重密封，提高密封效果，并且增加上面板操作窗盖板的宽度和厚度2mm，利用盖板自重来增加窗口密封效果，如图2所示。

图2 新型焊接保护罩

经过多次试验，工件的氧化程度有所减少，但焊后热影响区仍然存在一定程度的氧化，因此如果能够有效降低工件热影响区的温度以及增加热影响区的氩气保护，工件氧化能得到进一步改善。

3.2 装夹散热工装的应用

1—滑动垫片 2—螺钉1 3—螺钉2 4—底座

为降低工件热影响区的温度，设计了一种焊接搭接结构管路的装卡防护工装，工装材料为紫铜，散热性能好，主要包括底座、滑动垫片、螺钉等零件，如图3所示。底座小直径一端为三爪装卡端，大直径一端为装卡焊接组件端，小端和大端相交端面起到定位作用，底座大端端面开T型槽，槽深和槽宽与焊接管座的尺寸相配，槽宽配合间隙为0.05mm以内，槽深和管座平台尺寸相同。底座的中心轴线方向开有中心通孔，通孔和管座的外径相配，配合间隙为0.02mm以内，起到放置管子、焊接组件定位和通氩气保护内孔，避免氧化的作用，在此大端面顶端开有2个螺纹孔，目的是分别连接两个滑动垫片。大端面的侧面也开有螺纹孔，起到固定焊接组件的作用。滑动垫片为半圆形，外径尽量与底座大端外径相同，并开有装螺钉的通孔，此通孔比螺纹孔大0.10mm以上，便于装卡，通过螺钉把滑动垫片和底座连接成一个整体，此种结构适用于各种结构的管路装卡焊接，保证焊缝外观和内部质量。管路装卡如图4所示。

通过试验，使用装卡散热工装弥补搭接焊缝结构的不足，能够更好地避免焊接过程中保护罩中残余空气到热影响区，同时紫铜的良好散热性能能够有效控制焊接热影响区氧化，如图5所示，此工装很容易装卡找正，装卡方便，一定程度上提高焊接工作效率。

a 钛合金对比图 b 不锈钢对比图

4 结束语

新型TIG焊保护罩以及装夹散热工装的应用，能够有效控制工件焊后氧化，同时，该装卡散热工装使工件装卡找正更加方便，提高了焊接工作效率，节约了成本，缩短了生产周期。

1 彭尚宇，李丽红，吴发郎，等. 不锈钢小径管背面免充氩TIG焊工艺[J]. 焊接技术，2005，34(8)：72～73

2 王文平，张志伟，黎月明，等. 一种装卡工装及采用该装卡工装进行毛细管路焊接的方法.中国, CN201510271969.7[P]. 2015-10-14

3 王文平，张志伟，黎月明，等. 一种搭接结构管路氩弧焊防护工装：中国，CN201520733591.3[P]. 2016-3-30

Study on Control Oxidation Process of Pipeline Assembly in TIG Welding

Wang Wenping Jia Chunlin Zhang Kuan Xie Jixiang

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190)

In order to solve the problem of oxidation of titanium alloy and stainless steel pipe assembly for satellite in TIG welding, the new welding protective cover is adopted to improve the sealing of the protective cover and the purity of argon in the hood, and reduce the oxidation. On this basis, The welding dissipation tooling is designed，so that it can reduce the temperature of the heat affected zone and the argon gas out of the welding torch can stay for a short time around the molten zone. The welding oxidation can be effectively controlled, which will reduce the production cost and improve the welding quality of the product.

argon arc welding；oxidation；process；tooling

王文平（1985），硕士，材料科学与工程专业；研究方向：航天器产品的真空电子束焊、钨极氩弧焊、真空钎焊以及热处理等。

2017-10-07