差压传感器氩弧焊接焊缝偏移问题分析与控制

0引言

差压传感器是压力传感器的核心元件,由烧结座、压环、两个金属隔离膜片和中心感测芯片组成,内部充填硅油,形成精密压力传感元件。烧结座与压环之间的环形焊缝必须保证极高的气密性和几何精度,任何微小偏移都会导致传感器初始应力增大、气密性下降,从而导致测量精度劣化甚至报废等严重后果[1]。

在如今的工业生产中,钨极氩弧焊因热影响区小、焊缝成形美观等优点,成为差压传感器封装焊接的首选工艺。但在精密焊接场景中,差压传感器对焊接热输入极为敏感,在焊接过程中易出现焊缝偏移问题[2]。这种现象表现为焊缝中心与理论中心不重合,从而引起错边、焊缝轮廓超差等缺陷[3] ,如图1所示。

针对这一问题,基于焊接物理机理与工程实践,从装配、工艺、设备及检测等多维度综合分析焊缝偏移成因,并提出一套综合控制措施,对提升差压传感器制造水平具有重要意义。

1焊缝偏移问题成因分析

1.1焊前装配偏差

装配质量是影响焊缝偏移的最直接因素。差压烧结座与压环的配合精度要求极高,任何微小的偏差都会在焊接过程中被放大。

1)同心度偏差:当烧结座与压环轴线不重合时,会产生初始错边,研究表明,0.05 mm的初始错边在焊接后可能扩大到0.15 mm以上[2]。这主要是因为电弧总是偏向导电性能更好或间隙更小的一侧,所以熔池也向该方向偏移。

2)间隙不均匀:沿圆周方向的装配间隙不一致会导致焊接时热输入分布不均。间隙较大处熔化的金属更多,而熔化的金属会将焊缝拉向一侧[4]。特别是在薄壁件焊接中,这种效果更为显著。

3)端面不平行:配合端面的倾斜会使得整个焊接热截面上的热容量和散热条件发生变化,熔池自然偏向热容量较小的一侧[5]。

1.2焊接热输入与变形控制不足

1)不对称热输入:焊枪角度不正确、钨极磨削不对或保护气体流场不稳定会导致热量不对称分布。钨极磨削不对如图2所示,钨极磨削不对焊缝形态如图3所示。研究表明,双钨极氩弧焊两个电弧间存在相互吸引作用,会导致电弧偏转,进而引起熔池偏移[6]。

2)顺序焊接变形:采用单一方向连续焊接时,先焊部分的收缩会对未焊部分产生累积性变形。特别是在环焊缝焊接中,这种变形在收弧位置最为明显,会导致接头错位[2]。

3)热影响区软化:薄壁材料在热影响区强度下降,更易在热应力下发生塑性变形。脉冲电流研究表明,传统直流氩弧焊热输入过大,是导致变形的主要原因[7]。

1.3工装夹具的定位精度与约束能力不足

工装夹具是保证焊接精度的关键,其缺陷常被忽视:

1)定位元件磨损:长期使用导致夹具工装磨损,产生毫米级间隙,无法精确重复定位,在实际生产中,是导致批次性焊缝偏移的主要原因之一。

2)顶紧力不合理:过大的顶紧力会使薄壁件发生弹性变形,夹具解除后变形恢复导致偏移;顶紧力不足则无法有效抵抗焊接变形[3]。

3)散热效果不佳:焊接工装的设计导致散热不均匀,散热效果差的位置焊接热量积聚导致局部过热变形。研究显示,焊接温度超过300℃时,不锈钢的屈服强度下降约40%,更易变形[2]。

2焊缝偏移的控制与解决方案

针对上述成因,需采取系统性控制措施,从事前预防、事中控制、事后检验三个环节进行全面控制。

2.1优化焊前准备与装配工艺

1)提高机加工精度:严格控制烧结座和压环的配合尺寸公差,特别是关键部位的形位公差。建议将圆度、圆柱度控制在0.01 mm以内,端面跳动不大于0.02mm[2]。

2)实施精密装配流程:在洁净工作环境下,使用高精度检具(激光对中仪)进行装配。采用均布三点预压紧技术,确保装配间隙沿圆周方向均匀一致,将错边量控制在0.05 mm以内[1]。

3)增加预点焊工艺:在正式焊之前,采用小电流在圆周均布3~4点进行定位焊。定位点应远离最终起弧和收弧位置,且强度足以抵抗焊接变形[3]。

2.2精确控制焊接工艺参数

1)采用脉冲氩弧焊技术:研究表明,脉冲电流可显著改善电弧挺度。当脉冲频率从50Hz增大到500 Hz时,电弧宽度从8.15 mm减小到5.29 mm,电弧压力从81 PA增大到213 PA,电弧挺度明显提高,有助于减少电弧偏吹,提高焊接稳定性。

2)优化焊接顺序:采用对称跳动焊法打破变形累积。首先点焊定位4点 (0°、90°、180°、270°),然后焊接0°至90°区间,接着跳转焊接180°至270°区间,再焊接90°至180°区间,最后焊接270°至0°区间。这种方法可使变形相互抵消[2]。

3)规范焊接参数:基于差压传感器常用材料(如316L、4J29)的焊接性能试验,推荐参数范围如下:峰值电流30~50 A,基值电流10~20A,脉冲频率100~5000 Hz,焊接速度2~5 mm/s,氩气流量8~15 L/min[7]。差压传感器氩弧焊推荐工艺参数如表1所示。

2.3 改进工装夹具设计

1)提高定位精度:采用硬质合金或陶瓷材质定位元件,提高耐磨性。采用液压或气动精密夹具,确保夹紧力一致且可调[2]。

2)优化散热设计:工装主体采用高导热材料(如紫铜),并在内部设计冷却水道,通水强制冷却,有效控制焊接区域的温度,抑制变形[3]。

3)合理的约束设计:夹具应在非关键区域提供足够的约束以抵抗变形,但在可能产生较大焊接应力的方向预留一定的柔性,避免产生过大的拘束应力[3]。

2.4加强过程检验与反馈

1)焊前百分百检验:使用专业检具对装配好的工件进行同心度、间隙检测,不合格不流转至焊接工序。

2)焊中监控:在自动焊设备上集成激光跟踪系统,通过高精度激光传感器对焊缝轮廓进行实时扫描,提取焊缝中心、角度特征,及时动态调整焊枪轨迹,避免焊缝偏移,实现稳定焊接[3—6]。

3)焊后无损检测:除常规气密性检测外,采用X射线成像或工业CT对焊缝内部质量及整体结构形变进行检测。对于关键产品,可进行剖切金相分析,为工艺优化提供数据支持[1—2]。

3控制效果

上述氩弧焊接控制措施有效改善了焊缝偏移问题,使得焊缝成形在实际焊缝中心。改善后焊缝形态如图4所示,从图中可以看出实际焊缝中心在有效熔深中心。

4结论与展望

本文系统分析了差压传感器氩弧焊接焊缝偏移问题的成因,并提出了综合控制方法。主要结论如下:

1)焊缝偏移是一个多因素耦合问题,涉及装配、工艺和工装等多个环节。解决这一问题需要系统思维,单一措施难以取得理想效果。

2)精密装配是基础,通过严格控制配合公差和形位公差,可从源头上减少初始偏差。预点焊工艺能有效固定工件,防止焊接过程中的错动。

3)热输入控制是关键,脉冲氩弧焊技术能显著提高电弧挺度,对称跳焊工艺可有效分散和抵消焊接变形。

4)高精度工装是保障,优化散热设计和约束方式能显著抑制焊接变形。采用高导热材料并集成冷却系统是工装的设计重点。

5)过程监控是发展方向,激光焊缝跟踪系统能实现焊接过程的实时闭环控制,是解决高精度焊接偏移问题的有效手段。

未来,随着智能传感和自适应控制技术的发展,焊接过程控制将更加精确化和智能化。数字焊接系统可实现参数化与变形预测,进一步减少对操作人员经验的依赖。同时,新型焊接工艺如双钨极氩弧焊、冷金属过渡等技术在控制热输入方面展现出优势,有望为解决差压传感器焊缝偏移问题提供新的途径[6—7]。

最终,通过将先进工艺、高精度装备和智能控制技术有机结合,形成完整的焊接质量保证体系,可从根本上解决差压传感器焊缝偏移问题,提升产品合格率和可靠性,满足日益提高的工业应用需求。

[参考文献]

[1]赵俊岭,周俊俊,王立铮,等.不锈钢氩弧焊焊管焊缝缺陷在线探伤系统研究[J].山西冶金,2024,47(4):203-205.

[2]卫蓉芳.薄壁零件自动氩弧焊焊接工艺分析与优化[J].焊管,2021,44(3):38-42.

[3]李宪臣,蒋应田.细径薄壁不锈钢管的氩弧焊接工艺[J].电焊机,2006,36(6):23.

[4]李勇强.薄壁不锈钢板的氩弧焊焊接[J].黑龙江科技信息,2016(17):110.

[5]邹家齐.薄壁不锈钢管的焊接[J].油气田地面工程,2014,33(6):85.

[6] 张广军,赵琳琳,冷雪松.双钨极氩弧焊焊缝成形的数值模拟[J].焊接学报,2008(8):29—31.

[7]蒋玉霞.脉冲电流钨极氩弧焊电弧行为与焊缝成形研究[D].成都:西华大学,2022.

《机电信息》2025年第22期第13篇