某型機發動機APU系統進氣道殼體組件焊接技術研究

高婷婷

摘 要：某型機發動機輔助動力系統APU進氣道殼體組件為焊接零件。該組件結構復雜，由殼體壁板、法蘭、襯板、角筋、加強筋等43項零件組合焊接而成，基體材料為TC4鈦合金，屬于復雜構型熔焊和電阻焊組合焊接裝配件。為解決此種特型結構復雜焊接體零件，減少焊接操作難度，進行了特型電極及氬弧焊背面保護夾具的設計、制造和試驗，通過試驗和成功應用，總結出發動機輔助動力系統APU進氣道殼體組件焊接工藝方案及氬弧焊背面保護夾具，解決了焊機結構與零件結構相互干涉無法焊接的問題，零件焊縫達到設計和質量要求。

關鍵詞：TC4 特型電極 氬弧焊保護 焊接夾具

中圖分類號：V463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0087-02

鈦合金具有比強度高，耐腐蝕、耐低溫以及高溫下具有高的疲勞強度，低的膨脹系數，良好的可加工性等優點。鈦合金制作的零件性能不受環境限制，在航空工業中廣泛應用。

該組件焊接工藝共涉及1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm 3種厚度鈦合金材料、5種結合形式，其中電阻焊所占焊接量比重最大。電阻焊是通過電阻熱使工件結合面熔化，在下壓力作用下形成熔核，產生牢固接頭的一種焊接工藝。氬弧焊是利用氬氣對金屬材料的保護，通過高電流產生的電弧熱使被焊材料與焊絲達到冶金結合的一種焊接工藝。

1 APU進氣道殼體組件焊接特性

該組件結構復雜，由殼體壁板、法蘭、襯板、角筋、加強筋等43項零件組合焊接而成，屬于復雜構型熔焊和電阻焊組合焊接裝配件，焊接過程中發現，由于組成進氣道殼體的壁板為雙曲面結構，其曲度變化導致各結構件間夾角差異極大，且密封法蘭與對接法蘭“V”型結構交匯處距離狹小，部分位置的焊點受板材夾角與設備結構尺寸的限制無法焊接。全組件有1 000余處電阻焊焊點，近1/3焊點利用現有的電阻焊設備無法焊接。其次，全組件有14處焊縫由氬弧焊焊接，由于組件空間尺寸較大、結構開敞，焊縫反面通氬保護困難，焊接質量無法保證。

2 APU進氣道殼體組件焊接特型電極的設計

2.1 電阻焊焊機的結構特點

電阻焊焊機含上電極、下電極及電極座等部分，常規上、下電極分別裝卡于上、下電極座上。焊接時上電極下壓，下電極支撐，共同作用。由于下電極需承受極大下壓力（具體壓力以工件結合厚度選擇，通常以MPa計算），因此承力部位基體較粗，要求具有足夠的剛度。另外，焊接時要求工件待焊平面水平放置，與上、下電極間保持垂直，如傾斜則無法形成完好的焊點。

該組件因焊機結構與零件結構干涉無法焊接的區域主要有6部分，由此產生的裝卡不到位（工件待焊區不水平）、電極接觸不到工件表面和上電極無位移空間等問題使制造過程無法進行。

2.2 APU進氣道殼體組件焊接特型電極的設計

針對不同干涉區域的尺寸差異和焊機結構特點，需設計特型電極，完成該組件的電阻焊制造部分。上、下電極共設計6個型號。電極材料為紫銅，尺寸由裝卡狀態確定。通過彎曲、加長、降低、偏心等方式，形成電極作用點中心位置的移動，以適應焊點位置。同時，在允許范圍內調節上、下電極支座，以達到最佳焊接狀態，且焊接前均進行試片焊接，通過撕破檢驗與拉力檢驗等方式進行驗證，以保證焊點質量。

2.3 焊接工藝流程的設計

焊接過程中干涉區域應遵循一定的焊接順序，需設計完善的工藝流程，焊接時特型電極分別組合使用，配合殼體組件的旋轉擺放，才能完成焊接。每次電極更換需重新調試設備，做焊接試片檢驗，耗時費力，焊接時應遵循一定的焊接順序，在盡可能少換電極的前提下完成焊接。焊接流程設計已在裝配制造指令中完整體現，經實際驗證后已確定焊接順序，并已在工藝流程中完善工序安排，能夠順利地焊接出合格產品。

2.4 背面保護

氬弧焊焊接區域共14處，鈦合金氬弧焊要求對焊縫正反面均需通氬氣進行保護，防止氫、氧等有害元素對焊縫的侵蝕和損害。針對氬弧焊焊接區域焊縫較短，基本分布于直角角接處的特點，設計背面保護焊夾具以保證焊接質量。

焊接時，操作者持焊槍于焊縫正面操作，焊槍自帶保護氣裝置可對槍頭施焊區域進行通氬保護，焊縫背部則放置背面保護焊夾具并用弓形夾夾緊。此背面保護夾具按照焊縫背面零件結構尺寸設計，夾具體上密布φ1.0 mm通氣孔。保護氣體（氬氣）由前端導管通入夾具體內，經密布的通氣孔在需保護位置形成穩定均勻的氣體層，達到保護效果。

在實際制造過程中，新設計的特型電極與背面保護夾具均產生了最初預期的使用效果，在對焊點焊縫進行質量監測后，驗證了特型電極與背面保護夾具的可靠性與穩定性。最終，順利完成對該復雜構形零件的所有焊接部分的制造工作。

2.5 焊接方法

（1）焊前預先通氬氣一段時間，然后起弧焊接。

（2）采用較大口徑的噴嘴。噴嘴與工件間的距離適當縮小以加強保護。鎢絲伸出噴嘴的長度宜短，以不妨礙觀察到熔池為限。

（3）采用短弧焊，不擺動焊槍。

（4）焊絲熱端在焊接過程中不能脫離保護范圍，防止氧化。

（5）停焊時要滯后送氣15～30 s，直至焊接區域溫度降至250 ℃以下。

2.6 注意事項

（1）焊接操作者應戴潔凈的白細紗布手套。

（2）經處理的焊區嚴禁用手觸摸和接觸鐵質物品。

（3）焊接操作盡可能在室內進行，環境風速應不大于0.5 m/s，避免穿堂風影響。

（4）采用小的焊接線能量，噴嘴與焊件的夾角保持70°～80°。

3 結論

（1）該復雜構形焊接類零件，通過對現有設備的改造和創新及改變電阻焊電極以滿足零件結構的變化，設計出合理的焊接方案，符合產品設計和制造要求。

（2）氬弧焊焊接保護工藝方案有效解決了焊縫背面保護的問題，保護下的焊縫呈銀白色或淡黃色，符合產品設計和制造要求。

（3）按照焊接工藝的要求對產品進行有效控制，產品質量和焊縫質量比無有效控制有很大提升。

（4）APU進氣道殼體組件焊接工藝研究的成果得到了工程化應用的充分驗證，特型電極的設計方案及焊縫正、反面保護裝置簡單實用、快速便捷。目前，此套保護方案已經廣泛應用于生產實際。

參考文獻

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