全阴极焊接工艺的工程化应用

引言

全阴极焊接技术主要应用在航空航天领域的特殊需求零件局部焊接[2]，该技术已在各行业广泛应用，但在具体零件的实际使用中仍然存在部分过程关键参数控制范围和实际原理分析有差异，大部分依靠人员经验完成调整，更有甚者存在直接靠肉眼控制焊接过程的问题。因此本文以某型在用的全阴极焊接设备为研究对象，从设备改造和焊接参数关系进行数据累积，同时以某型零件板片焊接实现过程为例，结合本领域的研究成果数据，开展工程化应用情况讨论。

1 全阴极焊接设备

本文研究的设备为某国产研究所研制的设备，其主要由真空焊接仓、控制系统、焊机电源、保护气体、冷却系统、抽真空系统、焊接监控系统、旋转工作台和焊枪组成。抽真空系统是设备最重要的组成部分，由真空抽气机组构成。焊枪头使用根据需要定制的钽管电极，焊枪中通有冷却水和焊接保护气体氩气，通过3台伺服电机可是实现上下、左右、前后方向运动，控制进度 0.1mm_⨀ 。工作电源为钽管电极加热，焊接单元为单独的电源系统。

2 焊接流程

焊接前完成需焊接的零件准备和预处理，分别用工装完成多个零件装夹和固定，将零件安装到焊接平台上；将钽片制作成钽管作为阴极安装到焊枪中，设备通电打开系统自检，关闭真空焊接仓并打开真空泵，达到设定真空度后通入氩气，通过控制机构调整零件和焊枪的空间位置，启动监控系统观察焊接仓内部情况，并预设控制参数，达到工艺要求后可开展焊接作业，完成一件零件焊接工作后调整工装，重复完成整批零件焊接，全部完成后泄真空等待冷却至室温，检查零件焊接质量。

3 设备情况及改进

3.1 当前存在的问题

一是线路老化，绝缘层出现腐蚀、脱落现象，部分靠近地面的接头因机箱封闭失效导致变色起皮，可能引起接触不良使设备报错，更甚者发生漏电伤人和火灾事故；二是真空泵抽真空时间长、真空度波动大、运行噪音振动大、发热严重；三是冷却系统的冷却效果差、管路有跑漏滴问题；四是观察窗玻璃磨损、变色，导致视野模糊无法准确观察炉内情况；五是操作机构动作精度差，微调显示参数和实际相差大；六是焊接仓胶圈老化龟裂，密封效果不好，影响真空度保持。

3.2 维修和升级改造方案

一是检查并更换电气线路，同时对设备机箱、线盒进行维护；二是更换新的真空泵，提高抽真空能力和真空度保持能力；三是更换冷却系统管路，提高冷却能力和现场整洁度；四是更换观察窗玻璃，同时增加工业级焊接电子监视系统及光学滤片，在操作台屏幕中实时显示工作区域影像和做动作参数，提高操作精度；五是优化零件装夹工装，增加单炉焊接数量和旋转精度，减少因工装转动误差引起的不合格比例；六是更换焊接仓密封胶圈，提高密封性。

4 参数范围研究

本文主要研究击穿间隙范围、引弧电流和焊接电流选择范围、焊接仓真空度、保护气体流量、钽管电极等参数设置范围。

4.1 击穿间隙范围

保持真空度、焊接电流、钽极参数等变量，将钽管与焊接面距离作为变量，研究合适的击穿间隙。钽管电极安装位置主要控制参数为电极末端到零件引弧的击穿间隙，查阅资料可知在真空度不变的情况下，减小击穿间隙，使电弧更容易建立，但击穿间隙过小容易造成电路短路[3]，所以引弧距离取（2-5）mm。讨论设备因电源功率、焊接材料差异，当超过 3mm 后焊接时间变长，实际操作中击穿间隙控制在（2-3） mm 适宜。

4.2 引弧电流和焊接电流选择范围

控制弧距离为 2mm，真空度范围为 3×10^-2Pa ，引弧电流在（1-10）A 范围调整，显示结果为电流在 5A 以上均可引弧成功；

考虑使钎料充分融化并满足扩散要求，同时控制零件和焊接件热影响区范围这方面条件，需控制加热时间。焊接电流控制在 9A 以上可完成焊接；

结合引弧电流和焊接电流的相关性，引弧电流控制在（5-8）A；考虑设备和非工作面电击风险，焊接电流控制在（9-20）A。

4.3 焊接仓真空度

通过理论研究和实践发现，真空度越高引弧需求电流越小，但结合设备真空度可控范围，空度在不低于 3×10^-2Pa 的条件下，便可以维持稳定的焊接。

4.4 保护气体流量参数设置

根据帕邢定律，击穿电压又会随之上升，所以氩气流量应根据设备抽气能力来制定。

油扩散泵抽气速率计算公式为

其中：sp为油蒸汽流泵泵口抽气速率；k 为修正系数，对油扩散泵 k=0 ． 7～0 ．85；D 为泵口内径；d 为1级喷嘴出口外径；v为被抽气体分子平均热运动速度； W 为油蒸汽流喷射速度；α为油蒸汽流转折后与泵壁的夹角。

随着氩气流增大，越有利于引弧和维弧；但当氩气流量过大时，则造成真空度下降，导致电弧电压也随之下降[1]。根据理论计算和实际验证，气流量在（24～40）mL/min 适宜。

4.5 钽管直径选择

控制弧距离为 2mm，引弧电流 6A，真空度范围为 2×10^-2Pa 到 3×10^-2Pa 的条件下分别使用直径为 2mm、3mm、4mm 的钽管进行引弧实验。根据实验数据得出，钽管电极 2mm 时，其管内电场强度最大，最有利于电子引弧，但过小的直径导致其能量更大，钽管更容易被烧蚀[3]； 4mm 和 3mm 的钽管电极能够直接完成引弧，且未出现烧蚀；但 4mm 钽管在焊接时需要更大的电流才能完成焊接；而使用 3mm 的钽管未出现烧蚀，且使用的焊接电流相比 4mm 更小，引弧效果也好，故选用 3mm 直径的钽管。

5 结论

本文使用一款国产全阴极焊接设备，对某型零件焊接过程参数进行研究，分别从设备和工装优化、实践数据分析、操作可行性等发面进行实验对比，主要得出了以下结论：（1）对全阴极焊接设备进行升级改造，可以使其具备更加稳定的焊接质量和更高的焊接效率；（2）根据设备和加工零件的实际情况，为实现稳定的焊接过程，分析得出击穿间隙范围、引弧电流和焊接电流选择范围、焊接仓真空度、保护气体流量、钽管电极合适的参数范围；（3）为同类型设备改造、零件焊接加工提供借鉴数据。

参考文献

[1]刘治翔,谢春雪,毛君,谢苗,卢进南.空心阴极真空电弧焊接研究和设备研制[J].（振动、测试与诊断）2018,38（03）.

[2]李晓红,熊华平,张学军,等.先进航空材料焊接技术[M]. 北京：国防工业出版社，2012．1：3~6

[3]栾丽君，李如玉，潘德文，由旭平.真空钎焊非接触式引弧特性研究[J].（热加工工艺），2016，45（03）.