CN109759672B

CN109759672B - 一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法

Info

Publication number: CN109759672B
Application number: CN201910152060.8A
Authority: CN
Inventors: 周炼刚; 李玉龙; 孙建秋; 程昊; 焦好军
Original assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: China Academy of Launch Vehicle Technology CALT; Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: CN109759672A

Abstract

一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，通过下述方式实现：(1)在待焊接管材的开口端预安装装配错边调节夹具，并保证待焊接管材的开口端留有缝隙；所述的夹具用于保证焊接装配错边满足要求；(2)对留有缝隙的待焊接管材进行气体置换，使得管材内部充满保护气体，管材外部同样处于保护气体氛围下；利用所述的装配错边调节夹具调节管材两开口端贴合；(3)进行焊接。本发明能够解决了这种封闭腔结构焊接保护不好的问题。

Description

一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法

技术领域

本发明涉及一种小直径(φ3～5mm)高温合金管材封闭腔结构焊接方法，属于金属材料及工艺技术领域，用于高温合金管材封闭腔结构(金属密封环骨架)的可靠焊接。

背景技术

某型号贮箱密封结构采用高温合金材料的金属密封环，其主要工艺过程如下：首先，将一定长度的空心金属管材预成型为可对焊状态；其次，对管材首尾进行焊接形成封闭腔结构；再次，对这种封闭腔结构进行焊缝整修并将其校圆；再其次，对密封环进行高温时效处理已提高弹性；最后，在金属密封环上均匀喷涂一定厚度的氟塑料层。

其中，金属管首尾焊接工艺非常关键，因为焊接质量好坏直接关系到该密封环能否满足设计要求。有如下难度：

1)密封环管材外径3mm、壁厚0.35mm，焊接装配错边要求小于0.03mm，调节错边难度大，一旦错边超标将导致整环报废；

2)密封环材料为高温合金(例如GH4169)，焊接时易被氧化，如果保护不好会严重影响焊缝成形，并容易产生熔合不良、焊接裂纹等缺陷。特别是焊缝背面，由于很难将管内完全充满保护气体，这种情况尤为突出。

3)这种结构金属环是一种封闭腔结构，由于内部气体在焊接过程中会膨胀，在焊接收弧阶段容易产生不易闭合的小孔，导致不能形成连续焊缝。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于小直径高温合金管材封闭腔结构的焊接方法，解决了这种封闭腔结构焊接保护不好的问题。

本发明进一步解决的问题是：解决焊接过程中容易出焊接缩孔的问题。

本发明的技术解决方案是：一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，通过下述方式实现：

(1)在待焊接管材的开口端预安装装配错边调节夹具，并保证待焊接管材的开口端留有缝隙；所述的夹具用于保证焊接装配错边满足要求；

(2)对留有缝隙的待焊接管材进行气体置换，使得管材内部充满保护气体，管材外部同样处于保护气体氛围下；利用所述的装配错边调节夹具调节管材两开口端贴合；

(3)进行焊接。

优选的，在步骤(2)气体置换前，在待焊接管材上套装一个与管材本体材质相同套环，步骤(2)调节管材两开口端贴合后使得套环位于所述贴合处，然后进行焊接。

优选的，所述的套环厚度在待焊接管材壁厚的基础上增加0～0.05mm。

优选的，所述套环的宽度1.0～1.2mm。

优选的，所述的装配错边调节夹具为两套相同的结构，分别安装在待焊接管材的两个开口端；其中每套结构包括一个底座、一个下固定块和一个上固定块；待焊接管材预弯成形后的开口端分别放在下固定块上，并通过连接螺钉将上固定块与下固定连接在一起并安装在底座上；所述的底座上设置两个水平方向的调节顶丝和一个竖直方向的调节顶丝；分别用于调整下固定块相对底座的水平位置和竖直位置，进而保证焊接装配错边满足要求。

优选的，所述步骤(2)中的气体置换通过下述方式实现：将整个待焊接部位放置在保护罩A内部，保护罩A上设置侧孔F，通过送气管E将保护气体从留有缝隙的开口端一端注入，同时通过侧孔F将保护气体注入到保护罩A内部，通过压差将从管材内部置换出的空气置换到保护罩外部；管材内部置换完成后，抽出送气管E接头，侧孔F依然保持注入保护气体，在此期间将管材两开口端进行贴合。

优选的，气体置换完成后保护罩及管材内气体氧含量<100ppm。

优选的，所述步骤(3)中的焊接峰值电流3.0～6.0A，焊接基值电流为峰值电流的20％～30％，基值电流占空比40～60％。

优选的，所述步骤(2)中的贴合间隙<0.02mm。

优选的，所述的高温合金管的壁厚为0.3～0.5mm。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)通过该方法，小直径高温合金空心管材装配精度可调且能达到较高精度，错边<0.03mm；管材焊接前内部空气可置换，残余氧含量能控制在<100ppm，有效保证焊缝正面和背面均不被氧化；采用特殊设计的套环置于焊口，焊接时熔池大小和受力状态会发生改变，配合合适的焊接参数，能够在焊接收弧阶段，使电弧力与熔池表面张力之和大于内部气体压力，焊接熔池呈“上凸”状态，可以有效防止类似封闭腔结构产生焊接缩孔并收弧成功。

(2)本发明属于金属连接领域，一种对小直径高温合金空心管材进行可靠连接的方法。该方法通过合理的装置及工艺，有效避免了常规方法焊接导致的焊接保护不好、产生焊缝缩孔的问题，用本方法能完全实现该这种薄壁管材封闭腔结构的可靠焊接。

(3)本发明焊接后焊缝表面连续、光滑、内外表面无氧化色、无缩孔，经X射线检测，焊缝质量符合Ⅰ级标准。

附图说明

图1为本发明焊接错边调节夹具示意图；

图2为本发明管材内部气体置换装置示意图；

图3为原状态焊接熔池和增加套环后的焊接熔池对比图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做详细介绍。本发明一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，该方法通过合理的装置及工艺，有效避免了常规方法焊接导致的焊接保护不好、产生焊缝缩孔的问题，用本方法能完全实现该这种薄壁管材封闭腔结构的可靠焊接。具体通过下述方式实现：

上述装配错边调节夹具为与焊管钳相配的焊接装配错边机构，如图1：为两套相同的结构(底座B和B’，下固定块C和C’，上固定块D和D’，连接螺钉3和3’)，分别安装在待焊接管材的两个开口端；以其中一个结构为例，待焊接管材预弯成形后的开口端一端放在下固定块C上，并通过连接螺钉3将上固定块D与下固定块C连接在一起并安装在底座B上；所述的底座B上设置两个水平方向的调节顶丝1和1’和一个竖直方向的调节顶丝2；分别用于调整下固定块相对底座的水平位置和竖直位置，进而保证焊接装配错边满足要求。

当然能够实现上述功能的夹具不局限上上述一种，上面给出的只是优选的一种实例，可以采用其他调节机构满足调节要求。

优选的给出一种实现上述气体置换的管材内部气体置换装置，如图2，为保证将管材内部气体全部置换出来，采用了“内外双置换”模式，即采用送气管E将保护气体，例如氩气从管材一端注入，同时通过侧孔F将氩气注入到保护罩A内部，将从管材内部置换出的空气再次置换到保护罩A外部(保护罩A非密封方式安装在装配错边调节夹具的底座上)。待置换完成，抽出送气管E接头，但侧孔F依然保持注入氩气，在此期间将管材两端进行贴合，然后拧紧连接螺钉，等待焊接。

(3)进行焊接。

封闭腔结构焊接容易产生缩孔的原因是焊接熔池表面张力、电弧力和腔体内部气体压力不平衡造成的，如果直接进行焊接，焊接熔池表面呈“下凹”状态，表面张力方向朝外，内部气体压力方向也朝外，这样电弧力需要比这两个力的合力还要大才能保持不产生缩孔，难度很大。在焊口处增加一个“套环”后，焊接时熔池大小和受力状态会发生改变，由于增加了熔化金属，焊接熔池呈“上凸”状态，熔池的表面张力方向朝内，电弧力方向也是朝内，两个力的合力很容易超过内部气体朝外的压力，因此不会出现焊接缩孔。如图3。

套环的材质与管材本体金属材质相同，内径要满足套装在管材上，一般在管材内径的基础上增加0～0.03mm，壁厚在管材内径的基础上增加0～0.05mm，宽度1.0～1.2mm。在气体置换之前预先将套环套在待焊接金属管材上，带装配完成后，将该套环置于焊口正上方。在焊接收弧阶段，使电弧力与熔池表面张力之和大于内部气体压力，可以保证不产生小孔；焊接时最优的焊接工艺参数为：焊接峰值电流3.0～6.0A，焊接基值电流为峰值电流的20％～30％，基值电流占空比40～60％，焊接后焊缝表面连续、光滑、内外表面无氧化色、无缩孔，经X射线检测，焊缝质量符合Ⅰ级标准。

实施例1

将外径为3.0mm、壁厚为0.35mm的GH4169高温合金管材封闭腔结构焊接成形，按照上述步骤进行焊接操作，其中置换的保护气体选为Ar气；套环材料为GH4169，内径为0.35～0.38mm，壁厚0.35～0.40mm，宽度1.0～1.2mm，预先套在金属管上，带装配完成后，将该套环置于焊口正上方。在焊接收弧阶段，使电弧力与熔池表面张力之和大于内部气体压力，可以保证不产生小孔；

焊接峰值电流5.5A，焊接基值电流为峰值的22％，基值电流占空比45％，焊接后焊缝表面连续、光滑、内外表面无氧化色、无缩孔，经X射线检测，焊缝质量符合Ⅰ级标准。

实施例2

将外径为3.0mm、壁厚为0.35mm的1Cr18Ni9Ti高温合金管材封闭腔结构焊接成形，按照上述步骤进行焊接操作，其中置换的保护气体选为Ar气；套环材料为GH4169，内径为0.35～0.38mm，壁厚0.35～0.40mm，宽度1.0～1.2mm，预先套在金属管上，带装配完成后，将该套环置于焊口正上方。在焊接收弧阶段，使电弧力与熔池表面张力之和大于内部气体压力，可以保证不产生小孔；

焊接峰值电流5.6A，焊接基值电流为峰值的23％，基值电流占空比45％，焊接后焊缝表面连续、光滑、内外表面无氧化色、无缩孔，经X射线检测，焊缝质量符合Ⅰ级标准。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，其特征在于：所述的高温合金管的外径φ3～5mm、壁厚为0.3～0.5mm，通过下述方式实现焊接：

(2)对留有缝隙的待焊接管材进行气体置换，使得管材内部充满保护气体，管材外部同样处于保护气体氛围下；利用所述的装配错边调节夹具调节管材两开口端贴合；所述步骤(2)中的气体置换通过下述方式实现：

将整个待焊接部位放置在保护罩A内部，保护罩A上设置侧孔F，通过送气管E将保护气体从留有缝隙的开口端一端注入，同时通过侧孔F将保护气体注入到保护罩A内部，通过压差将从管材内部置换出的空气置换到保护罩外部；管材内部置换完成后，抽出送气管E接头，侧孔F依然保持注入保护气体，在此期间将管材两开口端进行贴合；

(3)进行焊接。

2.根据权利要求1所述的一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，其特征在于：在步骤(2)气体置换前，在待焊接管材上套装一个与管材本体材质相同套环，步骤(2)调节管材两开口端贴合后使得套环位于所述贴合处，然后进行焊接。

3.根据权利要求2所述的一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，其特征在于：所述的套环厚度在待焊接管材壁厚的基础上增加0～0.05mm。

4.根据权利要求2或3所述的一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，其特征在于：所述套环的宽度1.0～1.2mm。

5.根据权利要求1所述的一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，其特征在于：所述的装配错边调节夹具为两套相同的结构，分别安装在待焊接管材的两个开口端；其中每套结构包括一个底座、一个下固定块和一个上固定块；待焊接管材预弯成形后的开口端分别放在下固定块上，并通过连接螺钉将上固定块与下固定连接在一起并安装在底座上；所述的底座上设置两个水平方向的调节顶丝和一个竖直方向的调节顶丝；分别用于调整下固定块相对底座的水平位置和竖直位置，进而保证焊接装配错边满足要求。

6.根据权利要求1所述的一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，其特征在于：气体置换完成后保护罩及管材内气体氧含量<100ppm。

7.根据权利要求1所述的一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)中的焊接峰值电流3.0～6.0A，焊接基值电流为峰值电流的20％～30％，基值电流占空比40～60％。

8.根据权利要求1所述的一种小直径高温合金管材封闭腔结构焊接方法，其特征在于：所述步骤(2)中的贴合间隙<0.02mm。