一、膜盒儲箱的技術(shù)要求

  膜盒儲箱的材料為304不銹鋼（相當(dāng)于我國不銹鋼牌號06Cr19Ni10），其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表3-80。產(chǎn)品尺寸為：外徑φ＝562mm，內(nèi)徑ф＝535mm，膜片厚度為0.24mm；它是由數(shù)個以上完全相同的環(huán)形膜片焊接而成。按設(shè)計圖樣要求產(chǎn)品要求抗拉強(qiáng)度不低于母材85％還要進(jìn)行氣密性檢測、伸縮性試驗和振動性考核。

二、膜盒儲箱制造的難度

  膜盒儲箱整個制造工藝很精細(xì)且復(fù)雜，從鋼板表面平面度到零件加工直至焊接，各個工序技術(shù)的要求精度都很高，難度都非常大，可以說整個產(chǎn)品在研制過程中，每道工序都是關(guān)鍵。

  對不銹鋼板表面質(zhì)量要求極高，不允許有任何污點，要求平直如鏡，不允許存在一點凹凸度。在下料后切邊要垂直，不允許有毛刺、倒角、鈍角和銳角。

  環(huán)形膜片經(jīng)過沖壓成型和裁切而成，同樣切邊要保持絕對垂直，端接頭焊接處兩片環(huán)之間的尺寸不能有明顯的偏差，不然直接導(dǎo)致產(chǎn)生焊接疵病直至無法施焊。為此專門設(shè)計出膜盒膜片沖壓模具和膜片裁切模具，確保了膜片質(zhì)量，為順利焊接打下基礎(chǔ)。

  由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，膜片之間是由兩個相同的環(huán)1和環(huán)2組成，用內(nèi)焊工裝固定，內(nèi)圓焊接采用自熔的端接接頭型式，形成的內(nèi)圓端接接頭組成一個單組件示意圖如圖3-88所示。兩個單組件連接在一起用外焊工裝固定進(jìn)行外圓焊接，仍采用自熔的端接接頭型式，形成的外圓端接接頭組成一個波接，若干個波接連接形成一個組件。將組件和連接環(huán)外端焊接成一個部件，即焊接完成膜盒儲箱其中一段，膜盒儲箱是由若干段組成。從圖中可以看出焊接接頭為端接焊縫，無法實施對接焊縫。這種端接焊縫按理為聯(lián)系焊縫，不能承受較大的載荷，但圖樣技術(shù)還要求端接焊縫抗拉強(qiáng)度不低于母材的85％，給焊接工作帶來極大的困難，它成為制造該產(chǎn)品中關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

三、焊接方法的選擇

  膜盒儲箱的焊接量特別大，一段一個膜盒儲箱的焊縫長度累計有150m之多。要求焊縫確保密封無泄漏，又要保證焊縫成形均勻無缺陷，還要求焊縫接頭的尺寸滿足設(shè)計圖樣的要求。膜盒膜片的帶寬窄，與實際拉伸距離不成比例，在實際使用中工作行程長，波節(jié)伸縮試驗范圍是設(shè)計尺寸的25％～77％，每一次拉伸壓縮都會保留較大的殘余變形，結(jié)構(gòu)實際工作是在比較嚴(yán)重的塑性變形區(qū)內(nèi)，連接焊縫還會受到雙向的應(yīng)力作用。膜盒的膜片的材料很薄，根據(jù)結(jié)構(gòu)型式焊接只能采用自熔的端接接頭型式，通常這種端接接頭承載能力差，不可抵御拉伸過程中膜片之間過大的角變形。因此對端接接頭的焊縫提出嚴(yán)格的要求，必須具有足夠的焊縫寬度和熔化厚度，才能保證有足夠的強(qiáng)度和抵御拉伸壓縮過程中的交變、雙向應(yīng)力。

  為了保證端接焊的質(zhì)量，專門設(shè)計和制造了膜片焊接工裝夾具、膜片焊接專用精密焊接機(jī)床等相關(guān)工裝夾具及焊接輔機(jī)。

  由于膜盒儲箱壁薄、焊縫很長且焊縫很有規(guī)律（為圓周焊縫），應(yīng)選用不加填充焊絲的自動鎢極氬弧焊或自動微束等離子弧焊進(jìn)行焊接。曾經(jīng)將選用的這兩種焊接方法所得的焊接接頭經(jīng)外觀檢測、端接接頭焊縫試樣的力學(xué)性能測試、金相檢測和接頭尺寸測量均能達(dá)到設(shè)計要求。

 自動微束等離子弧焊與自動鎢極氬弧焊相比，它具有下列優(yōu)點：

   1. 微束等離子弧熱量集中、熱功率高、熔池小、焊接熱影響區(qū)小和焊接變形小。

   2. 微束等離子弧焊使用的電弧形態(tài)是聯(lián)合弧，即維弧和工作弧同時存在。在焊接電流很小時（小于3A），微束等離子弧穩(wěn)定性好，而氬弧焊電弧有時會漂移，穩(wěn)定性較差。

   3. 小電流電弧挺度好，連續(xù)自動焊接時，等離子弧長的變化對焊接質(zhì)量影響不大；這一點與氬弧焊不同，氬弧焊弧長對焊縫成形有著直接的影響。

   4. 微束等離子弧具有良好的可控性和調(diào)節(jié)性，弧長的變化對焊縫成形影響較小。焊縫形狀能保持一致性，重復(fù)再現(xiàn)性好。這一點與氬弧焊不同，氬弧焊弧長對焊縫成形影響很大。

   5. 微束等離子弧焊焊接參數(shù)比氬弧焊多，除了焊接電流、焊接速度、保護(hù)氣體流量等，還有壓縮氣體的流量、保護(hù)氣體的成分、保護(hù)氣體流量與壓縮氣體流量之比等，這些參數(shù)也直接影響焊縫成形及焊接質(zhì)量。

  試驗過程中發(fā)現(xiàn)，采用自動鎢極氬弧焊時，焊縫質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性仍然不足。其中最為突出的缺陷是鋸齒形焊縫（即焊縫不平整，呈凹凸?fàn)睿鼘?dǎo)致焊縫寬度和熔化厚度的不穩(wěn)定，不僅焊縫強(qiáng)度不能在整個焊縫上保持一致，在工作狀態(tài)時所承受的應(yīng)力不相同，有可能導(dǎo)致焊趾處形成裂紋。

  通過對比試驗，選用微束等離子弧焊為該產(chǎn)品的焊接方法。在試驗初始階段，采用微束等離子弧焊進(jìn)行焊接，由于對研制的膜盒儲箱結(jié)構(gòu)特性和微束等離子弧焊的特性認(rèn)知不夠，片面強(qiáng)調(diào)焊縫成形均勻、光潔、平整，采用小電流快速度焊接。結(jié)果導(dǎo)致焊接參數(shù)的選擇范圍窄，操作難度大。焊縫沒有足夠熔寬和熔化厚度，端接接頭的焊縫強(qiáng)度低。最初評定試驗的端接頭的焊縫強(qiáng)度測定為：350MPa、375MPa、445MPa，均為撕扯性斷裂，斷裂部位在焊縫區(qū)，不符合設(shè)計圖樣提出的要求。經(jīng)過充分討論認(rèn)為，要保證膜盒儲箱在伸縮動態(tài)且在負(fù)載條件下工作的接頭強(qiáng)度和膜盒儲箱在工作狀態(tài)能承受較大交變角變形及伸縮行程后焊縫仍保持可靠的密封性，端接接頭焊縫必須有足夠的焊縫寬度和熔化厚度。以往片面強(qiáng)調(diào)焊縫成形均勻、光潔、平整不能滿足膜盒儲箱結(jié)構(gòu)的特殊性要求。為此，改變了原焊接試驗規(guī)范，在適當(dāng)減小離子弧電流的基礎(chǔ)上，大幅度增加了焊接單位長度的熱輸入。經(jīng)過大量重復(fù)性試驗，隨機(jī)抽取了17件端接頭強(qiáng)度進(jìn)行測定，均為510～755 MPa，平均為629MPa，滿足了設(shè)計圖樣提出的要求。破斷位置均在母材上（焊趾處），不再有焊縫區(qū)斷開的情況。但是單純地降低焊接速度、提高單位長度熱輸入，又會造成焊縫成形不良，產(chǎn)生鋸齒波焊縫，嚴(yán)重時其底谷處發(fā)生點孔，甚至?xí)斐珊复僮鬟^程中極難控制。后經(jīng)過分析，提高膜片焊接工裝夾具的裝配精度，消除裝配間隙，對膜片焊接專用精密焊接機(jī)床及相關(guān)工裝夾具及焊接輔機(jī)的壓緊裝置的型面進(jìn)行改進(jìn)、結(jié)合界面進(jìn)行修整，使焊接過程中的焊接熱量輸入和夾具的散熱循環(huán)均勻一致，從而焊縫減少了產(chǎn)生鋸齒波等缺陷。但焊接規(guī)范偏強(qiáng)，焊縫有時會呈現(xiàn)出不太明顯的波浪紋。此不足之處對焊縫強(qiáng)度性能指標(biāo)沒有明顯的影響，能滿足設(shè)計圖樣的要求；對焊接工藝評定試件截面進(jìn)行高、低倍金相檢查和焊接接頭區(qū)未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷；焊接接頭尺寸、焊縫寬度和熔化厚度也符合要求。但是為了進(jìn)一步提高焊縫質(zhì)量，滿足產(chǎn)品性能需要，完善工藝穩(wěn)定性和參數(shù)的再現(xiàn)性，減少操作難度。既要焊縫既成形均勻、光潔、平整、杜絕焊縫出現(xiàn)波浪紋等疵病，同時又要有足夠的焊縫寬度和熔化厚度。在生產(chǎn)研制過程中又不斷改進(jìn)焊接參數(shù)，工藝上力求精益求精，將原來微束等離子弧焊工藝改變?yōu)槊}沖微束等離子弧焊，通過峰值電流、基值電流和脈沖頻率的調(diào)整，取得了穩(wěn)定的焊縫寬度和熔化厚度，消除了焊縫的波浪紋的疵病，其焊接參數(shù)見表3-81。

利用脈沖微束等離子弧焊電弧能量的周期性脈沖變化來控制焊接熔池，改善焊縫成形，減少缺陷。其優(yōu)點有：

   1. 它可以精確地控制膜片焊縫的熱輸入，克服因熔敷金屬表面張力不足難以支持熔池，而造成的焊縫下凹。

   2. 可以調(diào)節(jié)熱輸入及膜片焊縫在高溫停留時間，減小熱裂紋的傾向，同時也能提高膜盒貯箱端接頭焊縫的耐蝕性。

   3. 它對膜片裝配的波動不敏感。能克服膜片裝配帶來的問題，適應(yīng)能力強(qiáng)。

   4. 焊縫表面成形美觀，克服以往焊縫存在鋸齒波、谷處的點孔、焊穿、波浪紋等缺陷。

   5. 焊縫有很好的一致性，重復(fù)再現(xiàn)性好，降低了操作難度，獲得了穩(wěn)定的端接接頭焊縫質(zhì)量，端接接頭焊縫的力學(xué)性能也得到了提高。

  脈沖微束等離子弧焊的焊接參數(shù)主要有焊接電流、峰值電流、基值電流、脈沖頻率、空占比、壓縮氣流量、保護(hù)氣流量、電弧長度、噴嘴直徑、噴嘴通道比和鎢極的內(nèi)縮量等，它們對焊縫的形狀和焊接質(zhì)量都有影響。焊接參數(shù)的選擇是通過正交優(yōu)選試驗得到的，優(yōu)選焊的參數(shù)經(jīng)過小批量工藝試驗再次確認(rèn)，在這個批量中又隨機(jī)抽取樣件做焊接工藝評定試驗來認(rèn)定。

  對焊接工藝評定試件和生產(chǎn)過程中旁證實例截面的端接接頭焊縫的內(nèi)部進(jìn)行高、低倍金相檢查，端接接頭的焊縫區(qū)未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷；端接接頭的焊縫尺寸、焊縫寬度和熔化厚度等均符合要求，見表3-82。最后對評定試件端接接頭焊縫的性能進(jìn)行檢測，見表3-83，完全滿足設(shè)計圖樣的技術(shù)要求。

  采用脈沖微束等離子弧焊焊接工藝，有很高的焊接穩(wěn)定性和參數(shù)的再現(xiàn)性，易操作。產(chǎn)品通過設(shè)計要求的氣密試驗、伸縮試驗和振動試驗，均滿足圖樣的設(shè)計要求，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。