本发明涉及一种狭窄内腔球壳铸件缺陷修复的方法，特别涉及一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
液体火箭发动机液氧主阀主要为发生器液氧进入发生器后与煤油燃烧后形成富氧燃气驱动涡轮做功，是发动机驱动燃料的主要来源。其工作压力高达65mpa，工作温度为-196℃。对于材料常温、低温性能，尤其是抗拉强度、低温冲击韧性提出更高要求。目前液氧主阀壳体采用北京钢铁研究总院研制的zg06cr14ni7mo马氏体不锈钢，添加ni、mo、cr等强化元素，且国内无相关材料应用单位，铸造工艺难度大。该壳体为带筋板的球型壳体，由出口法兰、入口法兰、球壳及中柱组成，中间导向套与壳体之间存在极为狭窄的间隙区域，且为铸造热节部位，易产生铸造缺陷。
铸造缺陷修复一般采用钨极氩弧焊(tig)，这是一种在非消耗性电极和工作物之间产生热量的电弧焊接方式。该焊接工艺将惰性气体以一定流量从焊枪喷嘴中喷出，在电弧周围形成气体保护层将空气隔绝，以防止大气中氧、氮等对熔池及焊接热影响区金属的氧化。焊接保护方式分为氩气保护箱整体保护与局部气体保护两种。
氩气保护箱整体保护方式是借助氩气保护箱制造惰性气体气氛，具体实施方式是焊接前先抽真空，然后充ar或ar he混合气体。该方法仅适用于结构简单铸件，焊接角度调整范围窄，且需要专用设备，成本高，不适用于狭窄内腔壳体。
局部气体保护是在在大气环境中施焊，利用焊枪喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当流量的氩气，把焊接高温区与空气隔开，以防止空气侵入而沾污焊接区的金属。对于狭小内腔结构零件，受制于产品结构限制，与中柱连接球壳内腔狭窄，存在结构干涉，导致焊枪喷嘴无法进入。而简单通过延长钨极补焊方式，喷嘴无法实现有效气体保护，补焊部位极易氧化产生缺陷，补焊合格率低。实际生产中，只能通过从缺陷所对应的球壳外侧开设通孔进行补焊，但是存在补焊面积大、工作量大、补焊效率低问题。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法。
本发明的技术解决方案是：
一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，包括如下步骤：
步骤1、基于产品的图纸和三维模型，分析产品结构，识别产品所有通道和产品铸造工艺性，获得热节部位，以焊枪伸出长度为5mm作为局部气体有效保护距离，确定热节部位因结构限制而无法补焊部位；
步骤2、针对步骤1识别的通道，在通道出口和入口处安装挡板，以封闭空间。以焊枪可达性为原则，针对步骤1识别的无法补焊部位，在最佳焊接位置，开设焊枪入口；随后，设计氩气通道，氩气从位置最低的通道进入，从位置最高的通道排出；在最有利于观察补焊过程的位置开设观测口和填丝口；
步骤3、通道出入口处的挡板与铸件之间通过密封环密封；
步骤4、按照铸件设计要求，进行内部无损检查，定位缺陷位置及缺陷大小。
步骤5、采用打磨工具排除缺陷，并开设坡口；
步骤6、充入氩气，t时间后，待焊区域氩气实测浓度小于90ppm，开始补焊，补焊时仍需充入氩气，充入氩气速度为v3；
步骤7、补焊完成后，继续充入氩气，充入氩气速度为v4，等待t1时间后，待焊部位温度小于600℃，停止充入氩气；
步骤8、拆卸挡板和密封环，对补焊区域进行吹砂处理，进行表面质量的无损检查，同时检查接头焊接的力学性能，如果满足要求，则结束，如果不满足要求，进入步骤9；步骤9、重复步骤2-8，直到满足要求。
所述步骤2中，焊枪入口直径应大于焊枪直径3～5mm。
所述步骤2中，观测口应处于零件最高位置，若无法置于零件最高位置，从氩气入口深入内窥镜探头，随时观察焊接状态。
所述步骤2中，挡板材料为铸造铝合金、锻造铝合金。
所述步骤3中，密封环使用棉花、棉绳或橡胶软性材料制成。
所述步骤6中，
v3＝a×v1，a为常数，一般选择0.1-0.5。
所述步骤7中，v4＝v3。
补焊面积与t1关系如下：
a.补焊区域直径＞50mm时，t1应不低于8min；
b.补焊区域直径为20mm～50mm时，t1应不低于3min；
c.补焊区域直径＜20mm时，t1应不低于1min。
所述步骤4和步骤8中，无损检查为荧光检查、x光透视检查或着色检查。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种使用了狭窄结构的整体式气体保护焊接修复的方法，基于产品结构分析，采用挡板物理隔离内腔通道，结合合理的设计气体流通通道，构造了惰性气体保护空间，采用柔性密封环避免铸造尺寸波动对于挡板密封的影响，解决了特殊结构铸件补焊难题。
(2)与背面传统扩孔法相比，本发明所述方法将补焊合格率由40％提升到95％，补焊时间由60min缩短至5min，补焊面积仅比缺陷面积大10％，提高了发动机可靠性。
(3)与氩气保护箱相比，本发明无需复杂设备，仅利用普通钨极氩弧焊枪佩戴的氩气装置以及简单封堵工装，实测补焊区域氧气浓度小于90ppm，低于该合金铸造母合金的氧气含量，满足合金焊接修复要求，实现了氩气保护箱所达到的功能，并具有良好的焊枪可达性，对于特殊结构的适应性更强，具有成本低、操作简单等特点，是氩气保护箱整体保护方式在特殊结构领域的技术延伸。
(4)本发明所得zg03cr13ni5co9mo5焊缝接头在室温抗拉强度大于1070mpa(基体强度不低于1180mpa)，延伸率不低于15％，-196℃温度下的低温冲击韧性不小于39j，zg06cr14ni7mo焊缝接头在室温抗拉强度大于900mpa(基体强度不低于980mpa)，延伸率不低于12％，-196℃温度下的低温冲击韧性不小于31j。且焊缝接头内部质量、表面质量均合格，符合i级焊缝标准，可满足航天产品对焊缝接头使用要求。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是本发明实施例下壳体结构示意图；
图3是本发明实施例气体流通通道；
图4是挡板图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明提出了一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，包括如下步骤：
步骤1、基于产品的图纸和三维模型等，分析产品结构，识别产品所有通道和产品铸造工艺性，获得热节部位，以焊枪伸出长度为5mm作为局部气体有效保护距离，确定热节部位因结构限制而无法补焊部位。
所有通道包括流体入口、出口；压力、流速等功能接口以及所有与内腔流通的接口。
步骤2、针对步骤1识别的通道，在通道出口和入口处安装挡板，以封闭空间。以焊枪可达性为原则，针对步骤1识别的无法补焊部位，在最佳焊接位置即操作最有利的部位，开设焊枪入口，焊枪入口直径应大于焊枪直径3～5mm；随后，设计氩气通道，因为氩气密度高于空气，氩气从位置最低的通道进入，从位置最高的通道排出；在最有利于观察补焊过程的位置开设观测口，观测口应处于零件最高位置，若无法置于零件最高位置，从氩气入口深入内窥镜探头，随时观察焊接状态。
挡板可以选择铸造铝合金、锻造铝合金。
步骤3、通道出入口处的挡板与铸件之间通过密封环密封。密封环使用棉花、棉绳或橡胶软性材料制成，适应铸件尺寸公差对于封堵尺寸的影响。
步骤4、按照铸件设计要求，进行内部无损检查，定位缺陷位置及缺陷大小。无损检查包括荧光检查、x光透视检查或着色检查。
步骤5、采用打磨工具排除缺陷，并开设剖口。
步骤6、从氩气入口通入氩气，按照通道实际体积、冲入氩气速度v1及空气排出速度v2，计算充氩气所需的时间t。充氩时间满足要求后，即当待焊区域氩气实测浓度小于90ppm时，开始焊接，后续仍需从氩气口充气，充气速度v3。
步骤7、焊接完成后，仍需继续通氩气，充氩速度v4，等待时间t1后，待焊部位温度小于600℃，停止通气。v4＝v3。
补焊面积与t1关系如下：
a.补焊区域直径＞50mm时，t1应不低于8min；
b.补焊区域直径为20mm～50mm时，t1应不低于3min；
c.补焊区域直径＜20mm时，t1应不低于1min。
步骤8、拆卸挡板和密封环，对补焊区域进行吹砂处理，进行表面质量的无损检查，同时检查接头焊接的力学性能，采用旁证试板进行检查，如果满足要求，则结束，如果不满足要求，进入步骤9。
无损检查包括荧光检查、x光透视检查、着色检查，检查标准、级别与铸件检查一致。
步骤9、重复步骤2-8，直到满足要求。
实施例：
本发明实施例为某型号液氧主阀壳体，如图1所示，材料为zg03cr13ni5co9mo5，主要由入口法兰1、出口法兰2、中柱3、球壳外壁4及排放嘴5。中柱、入口法兰、出口法兰、排放嘴与球壳外壁分别连接，中柱与入口法兰垂直，与出口法兰平行。排放嘴与入口法兰平行。
步骤1、基于产品图纸、三维模型等，分析产品结构，识别产品所有通道，主要有入口6、出口7、对接接口8，分析产品铸造工艺性，识别热节部位主要为中柱与球壳外壁交接部位9、入口法兰、出口法兰厚壁位置10。其中中柱与球壳外壁交接部位9空间位置狭小，以焊枪伸出长度为5mm作为局部气体保护有效保护距离，存在结构干涉，无法补焊。
步骤2、针对步骤1识别的通道，在入口及出口法兰上安装挡板，以封闭空间。针对步骤1识别的无法补焊部位，从焊接可操作性、氩气通道合理选择两个角度，确定最佳焊接部位。入口法兰、出口法兰均可作为焊枪入口，分别对于待焊接区域11、12(其中11、12为9部位的两半部分)的施焊，焊枪入口直径比焊枪直径大3～5mm。采用倒立放置，即出口法兰朝上。。出口法兰的挡板开设专用的观测口以及填丝口，以实时观测焊接状态以及保证焊接操作便捷性。随后，设计氩气通道，因为氩气密度高于空气，氩气从位置最低的通道进入，从位置最高的通道排出，如图2所示。
挡板的外径较入口法兰1、出口法兰2大2～3mm。
挡板的制备：采用铝合金熔炼浇注制备毛坯件，在通过车、铣加工制作而成，材料采用zl104。挡板如图3所示。
氩气进口面积(s1)为804mm2，氩气出口面积为(s2)为1114mm2。
步骤3、通道出入口处的挡板与铸件之间通过密封环密封。密封环使用棉花、棉绳或橡胶软性材料制成，适应铸件尺寸公差对于封堵尺寸的影响。
步骤4、本实施例内部质量检查方法为x射线检验，表面质量检查方法为荧光检查，检测级别为i类b级，允许存在的缺陷应符合表2、表3规定。超出表2、表3的缺陷在铸件上注明。
表2铸件的x射线检验
表3铸件荧光检验标准
步骤5、采用打磨工具排除缺陷，并开设剖口。
步骤6、从氩气入口通入氩气，按照通道实际体积、冲入氩气速度v1及空气排出速度v2，计算充氩所需的时间t。充氩时间满足要求后，即当待焊区域氩气实测浓度小于90ppm时，开始焊接，后续仍需从氩气口充气，充气速度v3。
本实施例中，v1为7～8l/min，v2为5～6l/min，v3为3～4l/min，t不小于5min。
步骤7、焊接完成后，仍需继续通氩气，充氩速度v4，待焊部位温度小于600℃时，停止通气。
v4为3～4l/min，补焊面积与等待时间关系：a.补焊区域直径＞ф50mm，补焊后等待时间应不低于8min；b.补焊区域直径ф20mm～ф50mm，补焊后等待时间应不低于3min；c.补焊区域直径＜ф20mm，补焊后等待时间应不低于1min。
步骤10、拆卸挡板和密封环，对补焊区域进行吹砂处理，通过无损检测、荧光检查(或磁粉检查)及目视检查，确认步骤9处理的焊缝及基体表面质量、内部质量满足设计文件要求，检查标准与铸件保持一致。通过试样，测得所得zg03cr13ni5co9mo5焊缝接头在室温抗拉强度大于1070mpa(基体强度不低于1180mpa)，延伸率不低于15％，-196℃温度下的低温冲击韧性不小于39j，zg06cr14ni7mo焊缝接头在室温抗拉强度大于900mpa(基体强度不低于980mpa)，延伸率不低于12％，-196℃温度下的低温冲击韧性不小于31j。
本发明基于产品结构特征，在法兰处设置挡板，通过物理隔离的方式，实现内腔空间封闭；利用氩气密度高于空气，构造合理的通气、排气通道，实现惰性气体的有效充填；提出了柔性匹配密封环，解决了铸造尺寸公差对于工装可靠密封的影响。当补焊区域氧气浓度小于90ppm，即低于该合金铸造母合金的氧气浓度时，进行壳体焊接修复，解决了狭窄内腔结构的补焊难题。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。所述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的人员可以对所述的具体实施例做不同的修改或补充或采用类似的方式代替，但不偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
1.一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、基于产品的图纸和三维模型，分析产品结构，识别产品所有通道和产品铸造工艺性，获得热节部位，以焊枪伸出长度为5mm作为局部气体有效保护距离，确定热节部位因结构限制而无法补焊部位；
步骤2、针对步骤1识别的通道，在通道出口和入口处安装挡板，以封闭空间。以焊枪可达性为原则，针对步骤1识别的无法补焊部位，在最佳焊接位置，开设焊枪入口；随后，设计氩气通道，氩气从位置最低的通道进入，从位置最高的通道排出；在最有利于观察补焊过程的位置开设观测口和填丝口；
步骤3、通道出入口处的挡板与铸件之间通过密封环密封；
步骤4、按照铸件设计要求，进行内部无损检查，定位缺陷位置及缺陷大小。
步骤5、采用打磨工具排除缺陷，并开设坡口；
步骤6、充入氩气，t时间后，待焊区域氩气实测浓度小于90ppm，开始补焊，补焊时仍需充入氩气，充入氩气速度为v3；
步骤7、补焊完成后，继续充入氩气，充入氩气速度为v4，等待t1时间后，待焊部位温度小于600℃，停止充入氩气；
步骤8、拆卸挡板和密封环，对补焊区域进行吹砂处理，进行表面质量的无损检查，同时检查接头焊接的力学性能，如果满足要求，则结束，如果不满足要求，进入步骤9；步骤9、重复步骤2-8，直到满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：所述步骤2中，焊枪入口直径应大于焊枪直径3～5mm。
3.根据权利要求1所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：所述步骤2中，观测口应处于零件最高位置，若无法置于零件最高位置，从氩气入口深入内窥镜探头，随时观察焊接状态。
4.根据权利要求1所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：所述步骤2中，挡板材料为铸造铝合金、锻造铝合金。
5.根据权利要求1所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：所述步骤3中，密封环使用棉花、棉绳或橡胶软性材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：所述步骤6中，
7.根据权利要求6所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：v3＝a×v1，a为常数，一般选择0.1-0.5。
8.根据权利要求6所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：所述步骤7中，v4＝v3。
9.根据权利要求8所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：补焊面积与t1关系如下：
a.补焊区域直径＞50mm时，t1应不低于8min；
b.补焊区域直径为20mm～50mm时，t1应不低于3min；
c.补焊区域直径＜20mm时，t1应不低于1min。
10.根据权利要求1所述的一种狭窄内腔球壳整体式气体保护方法，其特征在于：所述步骤4和步骤8中，无损检查为荧光检查、x光透视检查或着色检查。
技术总结