鋁合金薄壁板中心環(huán)縫焊接工藝研究

楊志丹，顧皞，倪首軍，劉瀟雨

（1.海軍駐北京地區(qū)特種導(dǎo)彈專業(yè)軍事代表室；2.首都航天機(jī)械公司；3.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

1 概述

在航天產(chǎn)品中經(jīng)常出現(xiàn)鋁合金薄壁板與法蘭盤的焊接過程，屬于薄壁板中心環(huán)縫焊接。此種焊接經(jīng)常導(dǎo)致變形，而且變形的情況復(fù)雜，有翹曲變形、失穩(wěn)波浪變形等，不呈現(xiàn)一定的規(guī)律。通過鋁合金薄壁板焊接工藝的研究，采用直流氦弧焊打底加變極性鎢極氬弧焊（簡稱TIG焊）蓋面的兩層焊接方式，并對起弧、焊接、熄弧電流大小及變化速度等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，控制了熱量輸入和受熱面積，解決了鋁合金板焊接工程中變形的普遍問題。

2 焊接工藝方案

試樣選用2219鋁合金薄壁板進(jìn)行法蘭盤的焊接，焊接區(qū)的直徑為Φ200～350mm（厚度為5.2～10mm）。工藝試驗(yàn)采用單面兩層懸空焊工藝進(jìn)行焊接，即采用直流懸空打底氦弧焊加TIG蓋面焊的兩層焊接。

工藝流程是先按要求完成法蘭盤的裝配。法蘭盤的焊接過程包括定位焊接、直流氦弧打底焊接、變極性TIG蓋面焊接。

焊接操作過程為：首先進(jìn)行定位焊接，防止焊接過程中產(chǎn)生錯(cuò)邊或?qū)娱g隙。定位焊接工藝示于圖1，分別在120°、240°位置處進(jìn)行定位焊。

圖1 法蘭盤定位焊接示意圖

同時(shí)，分析了確定法蘭盤的焊接速度、焊接電流、弧壓、保護(hù)氣流量等各項(xiàng)焊接工藝參數(shù)。

定位焊后起弧進(jìn)行直流氦弧打底焊接。為控制起收弧位置的焊接質(zhì)量及環(huán)縫收弧時(shí)的搭接質(zhì)量，要控制自動(dòng)打底焊接時(shí)起弧、焊接、熄弧的電流大小及變化速度。法蘭盤打底焊接過程自動(dòng)完成，穩(wěn)定焊接過程中不調(diào)整焊接電流的大小。法蘭盤打底焊接后進(jìn)行變極性TIG蓋面焊接，同時(shí)注意熄弧時(shí)的搭接質(zhì)量，防止出現(xiàn)弧坑裂紋等缺陷。法蘭盤焊接完成后冷卻至室溫，拆除壓緊工裝。

另取在不同厚度（4.5、6、8、10mm）的低碳鋼方形壁板（500×500mm）中心處進(jìn)行環(huán)縫焊接試驗(yàn)。

3 焊接變形與焊接應(yīng)力分析

3.1 法蘭盤的焊接變形規(guī)律分析

雖然法蘭盤環(huán)縫焊接過程穩(wěn)定、焊縫均勻，但在鋁合金板、低碳鋼板焊接過程中仍發(fā)現(xiàn)焊接變形。

焊接區(qū)厚度小于6mm的鋁合金板，焊后變形較大。在壓緊狀態(tài)下，直流氦弧打底焊接后鋁合金板已出現(xiàn)明顯的翹曲變形，不貼胎間隙約為4～5mm；變極性TIG蓋面焊接后，翹曲變形進(jìn)一步增大，不貼胎間隙增大為10mm左右。焊接完成后冷卻至室溫，拆除壓緊工裝的過程中，鋁合金板出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)波浪變形。鋁合金板達(dá)到8mm，雖然焊后也出現(xiàn)一定的翹曲變形，但并沒有發(fā)生失穩(wěn)波浪變形。

在不同厚度的低碳鋼壁板的環(huán)縫焊接試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)試件厚度板厚8～10mm時(shí)，失穩(wěn)變形對焊接熱輸入并不敏感；板厚為6mm時(shí)，單位厚度熱輸入大于15kJ/cm2時(shí)，焊后試片的相對撓度顯著增大；而在4.5mm厚的壁板上單位厚度線能量大于8.4kJ/cm2后，焊后相對撓度陡然增大，壁板中心壓屈失穩(wěn)翹曲發(fā)生躍變。

金屬板殼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的臨界壓應(yīng)力與材料的彈性模量、板厚的平方成正比，而鋁合金的彈性模量約為鋼的1/3，且高溫塑性差，線膨脹系數(shù)大（約為鋼的2倍），所以，鋁合金薄板焊接時(shí)對熱輸入更敏感，產(chǎn)生的熱應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力與失穩(wěn)變形的問題更為突出。當(dāng)鋁合金板焊接區(qū)厚度小于6mm，焊后發(fā)生較明顯的壓屈失穩(wěn)，且隨厚度降低，壓屈失穩(wěn)的波浪變形越大。

3.2 法蘭盤的焊接應(yīng)力分析

法蘭盤焊縫屬于封閉焊縫，其接頭的拘束度較大，焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也較大。圖2為法蘭盤焊接時(shí)殘余應(yīng)力的分布情況，圖中sr為徑向殘余應(yīng)力，sq為切向殘余應(yīng)力。由圖中所示的應(yīng)力分布可見，徑向殘余應(yīng)力sr為拉應(yīng)力，切向殘余應(yīng)力sq在法蘭盤一側(cè)為拉應(yīng)力，而且在焊縫附件最大，由焊縫向鋁合金板延伸，逐漸下降為壓應(yīng)力；在法蘭盤一側(cè)，sq與sr近似相等，在瓜瓣尺寸一定的情況下，其數(shù)值與法蘭盤焊接區(qū)的直徑有關(guān)，直徑越小，拘束度越大，瓜瓣中的殘余應(yīng)力也越大。

圖2 法蘭盤環(huán)縫殘余應(yīng)力分布

切向應(yīng)力由兩部分組成，一是由焊縫切向方向收縮引起的切向應(yīng)力sq1，二是由法蘭盤徑向收縮引起的切向應(yīng)力sq2，總的切應(yīng)力sq應(yīng)由sq1和sq2疊加而成。隨著法蘭盤直徑增大，收縮量增大，殘余應(yīng)力也必然隨之增大；當(dāng)法蘭盤直徑增大到一定值后，隨法蘭盤直徑的增加，拘束度逐漸減小，法蘭盤環(huán)縫焊接收縮所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也逐漸減小。在焊接內(nèi)應(yīng)力的作用下，薄壁鋁合金板失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形，壓應(yīng)力越大，就越易失穩(wěn)，壓應(yīng)力隨焊縫尺寸和焊接線能量的增加而增加。

當(dāng)外載的工作應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，與焊縫中的峰值拉應(yīng)力相疊加，會發(fā)生局部的屈服變形，在隨后的卸載過程中，構(gòu)件的回彈量小于加載時(shí)的變形量，構(gòu)件卸載后不能回到初始尺寸。若隨后的加載小于第1次加載，則不再發(fā)生新的殘余變形。當(dāng)承受外載的工作應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加，使薄壁鋁合金板局部區(qū)域的屈服變形較大時(shí)，則影響產(chǎn)品的可靠性。

若構(gòu)件本身剛性（薄壁構(gòu)件）小，且材料韌性好，這種影響對構(gòu)件可靠性的影響可忽略。但鋁合金材料，其焊接接頭的延伸率較小，塑性較低。

4 焊接變形的工藝控制措施

4.1 變形控制的依據(jù)

通過上述分析，針對焊接生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的6mm以下厚度法蘭盤焊后的失穩(wěn)變形，主要應(yīng)從控制焊縫寬度、焊接熱輸入、裝配應(yīng)力及鋁合金板的結(jié)構(gòu)剛性等方面采取措施。

4.2 具體的控制措施

4.2.1 裝配的控制措施

采用小過盈量、手工驗(yàn)合裝配的工藝方法進(jìn)行法蘭盤的焊前裝配，又不能產(chǎn)生過大應(yīng)力。手工裝配前，在薄壁鋁合金板與法蘭盤上手工開坡口，便于手工裝配過程的順利進(jìn)行。裝配過程中，需防止磕碰傷法蘭盤與薄壁鋁合金板待焊區(qū)以外的其他區(qū)域。

4.2.2 環(huán)縫焊接的控制措施

采用兩層焊。與一次焊透工藝相比，兩層焊的熱輸入小、加熱范圍窄、冷卻快，產(chǎn)生的焊接收縮量小。同時(shí)在打底時(shí)，采用直流懸空焊，由于背后無焊漏墊板，可以降低焊接電流，減少熱輸入，減小焊接變形。

焊趾為接頭的薄弱位置，采用單面兩層焊時(shí)，要求打底焊接頭與蓋面焊接頭焊趾區(qū)不能重合在一起，否則接頭性能差，影響產(chǎn)品的可靠性。法蘭盤環(huán)縫焊接時(shí)，一般要求變極性TIG蓋面焊縫比打底焊縫寬度單邊大2～3mm，兩層焊接的焊趾區(qū)不重合，環(huán)縫焊接接頭的性能較好。

4.2.3 起收弧位置的控制措施

針對鋁合金板的剛性，對法蘭盤環(huán)縫焊接后的變形影響較大的情況，通過改變鋁合金板的局部結(jié)構(gòu)來提高焊接區(qū)的剛性。許多生產(chǎn)是在零件狀態(tài)下進(jìn)行薄壁鋁合金板焊接法蘭盤，因此，零件狀態(tài)下，薄壁鋁合金板的結(jié)構(gòu)、形狀導(dǎo)致剛性差別較大，起收弧的位置盡量選擇靠近剛性大的一側(cè)，以減小焊接變形。

5 結(jié)語

采用直流氦弧打底焊加變極性鎢極氬弧蓋面焊的兩層焊，通過優(yōu)化裝配應(yīng)力、焊接參數(shù)及起收弧位置等方法，減小受熱面積，減少熱輸入，降低了焊接應(yīng)力和收縮量，從而達(dá)到減小焊接變形的目的。提高焊接的合格率和質(zhì)量的穩(wěn)定性，控制了焊接變形。