方艙用鋁合金焊接研究

吳 輝，卜李李，鄒文杰

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十八研究所， 江蘇 南京 210007；2.中車西安車輛有限公司， 陜西 西安 710072)

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方艙用鋁合金焊接研究

吳 輝1，卜李李1，鄒文杰2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十八研究所， 江蘇 南京 210007；2.中車西安車輛有限公司， 陜西 西安 710072)

隨著方艙和車載電子設(shè)備輕量化的發(fā)展，鋁合金結(jié)構(gòu)件使用日益增多。研究了熔化極氬弧焊、鎢極氬弧焊、電阻點焊和真空釬焊等適用于方艙的生產(chǎn)制造中，鋁鎂系鋁合金、鋁硅鎂系鋁合金和鋁銅系鋁合金的焊接方法，及焊接過程中焊接參數(shù)控制、焊接缺陷預(yù)防等。介紹了攪拌摩擦焊這種新型的在未來方艙制造生產(chǎn)中有極大潛力的焊接方法。

焊接;方艙;鋁合金

為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭機動性的需求，實現(xiàn)戰(zhàn)場作戰(zhàn)的快速反應(yīng)，越來越多的地面指揮設(shè)備及后勤保障設(shè)備被裝入方艙進(jìn)行運輸，以提高軍隊的戰(zhàn)場生存能力[1]。車載方艙的普及和使用率得到了顯著提高。

在方艙的設(shè)計中，機動性及靈活的轉(zhuǎn)移性是非常重要的技術(shù)指標(biāo)[2]。鑒于鋁及其合金具有質(zhì)量輕，比強度高，成形性和耐腐蝕性能優(yōu)良等特點[3]，被廣泛應(yīng)用于方艙生產(chǎn)制造中。鋁合金的使用，不僅可以減輕方艙質(zhì)量(研究表明，鋁合金結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)減輕自重35%～66%[4])，而且可以顯著提高方艙性能。在方艙的生產(chǎn)制造中，常用鋁合金有鋁鎂系鋁合金，鋁硅鎂系鋁合金和鋁銅系鋁合金等。焊接作為鋁合金結(jié)構(gòu)件連接的主要手段，在方艙的制造生產(chǎn)過程中起著舉足輕重的作用。

1 方艙生產(chǎn)制造常用鋁合金焊接手段

1.1 熔化極氬弧焊(MIG焊)

熔化極氬弧焊以氬氣為保護(hù)氣體，以連續(xù)送進(jìn)的焊絲為電極。在焊接過程中，焊絲引燃電弧，熔化填充熔池。由于熔化極氬弧焊功率大，生產(chǎn)效率高，在鋁及鋁合金的結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，特別是對于厚板及焊接量較大的骨架焊接。在方艙的生產(chǎn)制造中，由于大板骨架焊接量較大，常用熔化極氬弧焊進(jìn)行焊接。某型方艙大板骨架模型圖及工人現(xiàn)場焊接圖如圖1和圖2所示。

圖1 某型方艙大板骨架模型圖

圖2 現(xiàn)場焊接圖

由于鋁合金彈性模量低，剛度差，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中多使用大型帶筋的擠壓型材。方艙大板骨架即是由擠壓型材焊接而成[5]。大板骨架擠壓型材所用原材料為6063鋁合金，是一種可熱處理強化的鋁硅鎂合金；熱處理狀態(tài)為T5態(tài)，即經(jīng)過高溫成型冷卻后人工時效，焊接性能優(yōu)良。

在方艙大板骨架焊接中，考慮到使用環(huán)境對構(gòu)件強度及構(gòu)件的延展性要求較高，選用ER5356焊絲[6]。焊接所用型材壁厚多為2～3 mm，屬于薄板焊接，焊前無需開坡口。焊絲直徑為1.2 mm，焊接電流為90～120 A，焊接速度為0.2～0.7 m/min，氬氣流量為10～15 L/min。

鋁合金熔化極氬弧焊焊縫氣孔的敏感性大，因而焊前應(yīng)做好零件及焊絲表面的清理工作。

1.2 鎢極氬弧焊(TIG焊)

鎢極氬弧焊以氬氣為保護(hù)氣體，以不熔化鎢極與焊接工件為電極，電弧在電極與工件間燃燒實現(xiàn)焊接。手工鎢極氬弧焊操作靈活，使用方便，適用于焊接小尺寸焊件的短焊縫、角焊縫及大尺寸構(gòu)件的形狀不規(guī)則焊縫。在方艙的生產(chǎn)集成過程中，使用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接的主要是方艙附屬配套結(jié)構(gòu)件，如艙載可搬移等。某型可搬移焊接過程如圖3所示。

圖3 某型可搬移現(xiàn)場焊接圖

鋁合金的鎢極氬弧焊，焊接電源多用交流焊接電源。當(dāng)電極處于電流正半波時，質(zhì)量較大的正離子撞擊工件表面的氧化膜，對焊件熔化表面進(jìn)行清理(陰極清理)；而當(dāng)電極處于電流負(fù)半周時，電極產(chǎn)熱量降低，鎢電極得到冷卻。鋁合金的鎢極氬弧焊過程中，需要控制的焊接參數(shù)主要有電流大小和保護(hù)氣體流量等。

艙載可搬移主要由2 mm厚的5A05(0)鋁板折彎焊接而成。5A05鋁板是一種可形變強化的鋁鎂合金，其焊接性能優(yōu)良。2 mm厚鋁板屬于薄板焊接，焊前無需開坡口。焊接選用ER5356焊絲，焊絲直徑為2.5 mm。焊接電流為90～120 A，氬氣流量為8～12 L/min。

鋁合金鎢極氬弧焊焊縫中常見的缺陷有氣孔和裂紋。氣孔的產(chǎn)生是由于保護(hù)氣體純度較低或焊絲、母材待焊表面焊接前未處理干凈。裂紋產(chǎn)生的主要原因是焊絲選擇不當(dāng)，導(dǎo)致焊縫中鎂含量偏高，使熱影響區(qū)產(chǎn)生了液化裂紋。

1.3 電阻點焊

電阻點焊是將待焊工件夾緊在兩電極之間，利用焊接電流經(jīng)過工件時產(chǎn)生的電阻熱及電極間壓力實現(xiàn)工件冶金結(jié)合的一類焊接方法。由于鋁合金電阻小、導(dǎo)熱快，因而需要采用大功率、強規(guī)范的快速焊接。電阻點焊常被用來進(jìn)行薄板類搭接接頭的焊接。

鋁合金電阻點焊常用焊機為中頻逆變電阻點焊機。中頻逆變焊機控制電源將三相交流電經(jīng)整流電路形成脈動直流電，再經(jīng)由功率開關(guān)器件組成逆變電路變成中頻方波接入變壓器，降壓后整流成脈動較小的直流電供給電極，提高了功率因數(shù)，保證了焊接質(zhì)量[7]。

鋁合金電阻點焊過程中需要控制的參數(shù)有焊接時間、焊接電流以及加壓壓力。在不同板厚板材焊接過程中，應(yīng)設(shè)法增加薄件側(cè)產(chǎn)熱而減小其散熱，以消除焊接過程中的熔核偏移。

鋁合金電阻點焊常見的缺陷有飛濺、裂紋和縮孔以及核心偏移[8]。飛濺多是由于鋁合金表面氧化膜清理不干凈，通電過程中局部電流密度過大，瞬時熔化而導(dǎo)致的。核心偏移多出現(xiàn)于不同板厚的焊接中，由于板厚不同，散熱條件不同，溫度場分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致熔核偏向厚板，焊點強度下降。

1.4 真空釬焊

真空釬焊是在真空環(huán)境下，將熔點低于母材的釬料置于焊縫中，在加熱條件下，釬料熔化，在母材表面潤濕、鋪展、填縫，與母材擴散形成焊接接頭。真空釬焊焊接的接頭外觀美觀，變形小[9]。在方艙的生產(chǎn)集成中，使用真空釬焊進(jìn)行焊接的結(jié)構(gòu)件主要是對外觀要求高的車載設(shè)備外殼體。

設(shè)備外殼體的真空釬焊主要包括如下工序：零件加工、釬焊前處理、零件裝配和固定、釬焊及釬焊后處理等。其中，對焊接質(zhì)量影響最嚴(yán)重的是焊件的裝配與固定。真空釬焊時應(yīng)先將零件裝配到位，保證零件滿足尺寸要求及釬焊所需要的接頭間隙。裝夾工件所用的夾具要求在釬焊溫度下不變形、不喪失強度，且工裝材料不能與焊件發(fā)生冶金反應(yīng)；同時，工裝的熱膨脹系數(shù)要求與工件接近，以保證零件與工裝在釬焊溫度下變形的相互協(xié)調(diào)[10]。常用工裝材料為奧氏體不銹鋼。

鋁合金表面多有一層致密的氧化膜，在真空釬焊過程中，需要使用活化劑來消除氧化膜的影響，增加釬料與母材的潤濕[11-12]。

2 新型焊接手段

攪拌摩擦焊是在1991年由英國焊接研究所TWI發(fā)明的，因其在鋁鎂等合金的焊接方面所具有的優(yōu)勢而廣受關(guān)注。攪拌摩擦焊焊后表面光滑平整，內(nèi)部組織均勻致密，力學(xué)性能較高，已在船舶制造、宇航制造等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

攪拌摩擦焊作為一種固相焊，焊接變形小，可實現(xiàn)在極小變形下的長焊縫焊接；同時，攪拌摩擦焊作為一種固相焊，焊接過程金屬無熔化，焊后焊縫無氣孔、夾雜等缺陷，可實現(xiàn)不同厚度鋁板的焊接。

在方艙制造領(lǐng)域，美國AAR公司已將攪拌摩擦焊應(yīng)用于方艙艙體制造，顯著提高了方艙屏蔽性能。中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于屏蔽方艙艙門的焊接，實現(xiàn)了艙門處屏蔽效能≥60 dB。

攪拌摩擦焊作為一種小變形、無缺陷的焊接手段，可代替鉚接，實現(xiàn)方艙蒙皮與角鋁的焊接，實現(xiàn)方艙外蒙皮的連續(xù)導(dǎo)電，進(jìn)而提高屏蔽效能。

鑒于攪拌摩擦焊在提高方艙屏蔽效能方面的優(yōu)勢，其必將成為引領(lǐng)方艙鋁合金焊接的新方法。

3 結(jié)語

本文對方艙生產(chǎn)集成過程中常用鋁合金的焊接方法做了介紹，包括焊材的選擇、焊接參數(shù)的控制和焊接缺陷的預(yù)防等。同時，結(jié)合國外方艙生產(chǎn)集成技術(shù)，介紹了一種在未來方艙生產(chǎn)中有較大潛力的鋁合金焊接手段——攪拌摩擦焊。

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責(zé)任編輯 馬彤

Research of Welding of Aluminum Alloy in Shelter Production

WU Hui1, BU Lili1, ZOU WenJie2

(1.The 28thResearch Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China；2.China Railway Rolling stock Corporation, Xi’an 710072, China)

Due to the demand for lightweight in shelter and electronic equipment production, the aluminum alloy has been widely used. Study the melting electrode argon arc welding, tungsten argon arc welding, resistance spot welding and welding methods. The welding methods of aluminum alloy are used in shelter production; the control of welding parameters and the protection measures of weld defect is presented. Finally, the friction stir welding which has huge potential in the future shelter production is introduced.

welding, shelter, aluminum alloy

TG 4

A

吳輝(1988-)，男，助理工程師，碩士，主要從事系統(tǒng)集成工藝等方面的研究。

2016-06-24