密封蓋板焊接裂紋分析

張 森，代仁文

(海裝重慶局，重慶 401120)

焊接工藝屬特殊過程，是生產過程中著重關注的工藝，但焊接工藝常因為工藝設計、選材等方面的原因會影響焊接效果，有時會產生裂紋等非預期現象。文獻［1 -4］中分析了焊接工藝中常遇到的疑難問題及現在采用的焊接工藝，本研究在此基礎上針對某型艦炮的密封蓋在焊接中出現的裂紋，從材料的焊接性能、零件狀態和焊接流程等方面分析裂紋產生的機理，并提出了改進要求，對以后的生產具有一定的指導意義，也為其他焊接件的生產提供借鑒。

某型艦炮自動機采用管后坐的自動方式，電底火彈藥，為防止自動機及彈藥在使用過程中，因海水或夾渣等因素可能導致的短路及動作不可靠，設計了密封蓋等裝置進行密封和防護。密封蓋主要采用焊接的方式進行連接密封蓋由搖架蓋板、底座和窗蓋等零件焊接裝配而成，其裝配方式如圖1所示。

圖1 密封蓋相關零件裝配位置示意圖

在艦炮使用過程中，密封蓋主要起密封和觀察作用，但在產品生產過程中，密封蓋出現了焊接裂紋，直接影響到了密封性能。焊接裂紋如圖2 所示。

圖2 焊縫裂紋位置示意圖

1 機理分析

密封蓋焊接處裂紋外側長度約為40 mm，內側長度約為6 mm，均為貫穿性裂紋(搖架蓋板厚度3.5 ～4 mm)，裂紋距離焊縫距離約為10 mm。本研究針對焊接所選用零件材料、焊絲性能、零件實物狀態和焊接流程等方面進行分析。

1.1 零件材料性能分析

搖架蓋板本體材料為ZL101A，為鋁硅系列鑄造合金，是以ZL101 合金為基礎嚴格控制雜質的合金，具有良好的鑄造、焊接和耐腐蝕性能，其強度為σb≥235 MPa，伸長率為2～5%，詳見表1、表2 所示［5-8］。底座的材料為5A06，材料狀態為H112，厚度為12 mm，具有較好的焊接和耐腐蝕性能，其抗拉強度σb≥305 MPa，伸長率≥12%［2］。

表1 Al-Si 系合金的鑄造性能

表2 鑄造鋁硅合金的和機加工特性

通過表1 和表2 可知，ZL101A 材料的鑄造性較好，選擇較好的鑄造工藝，可避免較多的鑄造缺陷的產生，同時其采用氬弧焊的焊接性能也較好。因此，在搖架蓋板上焊接另外一個焊接性也較好的零件，是可行的。

1.2 焊絲選擇及性能

焊接時，在工藝上采用SAlSi -1 焊絲，通常用于焊接鋁板、鋁硅鑄件、一般鋁合金、鍛鋁和硬鋁。由于零件本體材料為鋁硅鑄件和一般鋁合金，因此具有良好的融合性能，合適作為ZL101A 和5A06 材料間的焊絲材料。焊絲化學成分見表3，焊接接頭力學性能見表4 所示。

表3 焊絲化學成分

表4 焊接接頭力學性能

1.3 焊接前零件狀態

搖架蓋板零件在實際加工過程中，由于鑄造余量的差異導致加工后，零件的厚度小于資料規定為尺寸5 mm(局部只有3.5 mm)。同時，由于機加后斜面厚度較薄，加之斜面的平面度由于機加熱變形較差，零件中間表面會凹下去，平面度達到4 ～5 mm。而底座平面度較好，當兩個零件貼合在一起焊接時，為消除貼合面之間縫隙及焊接需要，會使用夾具將兩個零件貼合在一起，首先就會在強度較差的一個零件上產生較大的預應力。

1.4 焊接流程

搖架蓋板和底座焊接前，首先進行了吹砂和表面清潔工作，焊接前均進行了預熱處理。焊接方法采用氬弧焊，焊縫類型為角焊縫，焊接時沿底座四邊焊接，四周焊縫長度約為750 mm，工作量較大，工人實際操作時焊角高度也不容易保證，資料要求焊縫高度為4 mm，而實際焊縫高大部分達到了6 mm。當焊縫越高，焊接時零件產生的熱容量就更大，產生的應力也就越大。

綜上所述，在搖架蓋板上產生的裂紋原因主要有兩個:搖架蓋板的零件狀態未能滿足產品要求，導致在焊接時，在夾具的作用下，會在其上面產生較大的預應力; 焊縫實際焊接結果比產品資料要求較高，導致焊接時產生的熱容量較大，從而也產生了較大的應力。由于搖架蓋板材料的強度和伸長率低于底座的材料強度和伸長率，當兩個零件相互作用時，造成在搖架本體焊縫附近熱應力區的本體被撕裂，從而產生焊接裂紋。

2 制定措施

密封蓋的主要起密封和觀察作用，直接受力較小，因此針對密封蓋的焊接裂紋的采取的解決措施就是消除焊縫裂紋，然后優化設計結構，具體解決措施如下。

2.1 裂紋解決措施

針對在生產過程中兩件已經出現的密封蓋裂紋情況，首先對裂紋部分進行打磨，然后補焊。同時從以下幾個方面進行工藝優化和嚴格的過程控制:焊前和焊后進行預熱和緩冷措施，減小應力;提醒操作者嚴格控制焊縫高度;密封蓋焊接完成后，增加回火去應力工序，以減少殘余應力。最后對補焊后的密封蓋進行探傷檢查。

2.2 優化改進措施

搖架本體作為鑄造件，其本意就是盡可能多的將需要的形狀直接通過鑄造成型。因此為避免因焊接可能產生的裂紋，后續優化改進設計時，取消零件底座和焊接，直接在搖架蓋板坯件鑄造時，將底座的形狀鑄造上去，預留機加余量，然后整體機加成型，如圖3 所示。

圖3 優化設計的搖架蓋板局部示意圖

3 結論

密封蓋補焊后，首先進行探傷檢查，未發現有裂紋，隨后，又進行了艦炮小型交驗試驗，再次對密封蓋進行了探傷檢查，也未發現有新的裂紋產生。因此可以得出，補焊后的密封蓋仍然滿足產品的使用要求。通過對該密封蓋的裂紋分析，得出結論如下:

1)在產品生產過程中，檢驗部門要嚴格控制產品零件的狀態，切實做到圖物一致性，確保產品質量，這是生產的首要保證。

2)在編制焊接工藝過程中，涉及焊接前預處理和焊后回火等工序很多，工藝部門需細化工序，以便指導操作者按步驟執行，避免疏漏，從而影響到焊接質量。

3)在產品設計時，針對鑄造的零部件，在滿足剛強度和性能的情況下，選用鑄造性較好的材料，同時因盡可能的在鑄件上，把結構需要的形狀直接鑄造出來，減少后續還需要在鑄件上進行的各種處理。

［1］邱葭菲.焊接工藝疑難問題解析［J］.熱加工工藝，2003(1):56-57.

［2］王耀，李志勇.焊接工藝制定及評定系統［J］.電焊機，2010(4):43-47.

［3］尹長華，閆臣，崔相國.國內外長輸管道常用焊接工藝［J］.電焊機，2009(5):22-31.

［4］劉立鵬，魏艷紅，梁寧，等.不銹鋼焊接性分析與焊接工藝設計專家系統［J］.焊接技術，2009(7):30-34.

［5］中國機械工程學會鑄造專業學會.鑄造手冊［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［6］吳宗澤.機械設計實用手冊［M］.3 版.北京:化學工業出版社，2003.

［7］中國焊接學會.焊接標準匯編［M］.北京:中國標準出版社，1996.

［8］田錫唐.焊接結構［M］. 北京:機械工業出版社，1982.