薄壁鋁合金筒體環縫VP-TIG焊接

張國軍 丁 森 曹 忠 管雅娟 馮立杰

?

薄壁鋁合金筒體環縫VP-TIG焊接

張國軍 丁 森 曹 忠 管雅娟 馮立杰

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

介紹了薄壁部件的結構特點、技術要求，分析其焊接性和焊接難點。設計專用的環縫焊接設備，并從焊接流程、焊接方法、工藝參數、焊接變形控制等方面詳細說明了筒體焊接過程和保證焊接質量的方法，試制的產品符合設計要求，該工藝方案完全適合于產品的生產。

薄壁筒體；變極性氬弧焊；鋁合金

1 引言

鋁及鋁合金具有優異的物理性能、化學特性、力學性能及工藝特性，是航天、航空等工業重要的結構材料之一。隨著焊接技術的進步，人們已研制成多種能夠滿足特殊使用要求的鋁合金焊接結構，如某系列防空導彈武器系統的重要結構件貯運發射筒筒體采用薄壁鋁合金結構，承擔著彈體的貯存運輸和發射任務，是關系到導彈發射成功與否的重要部件。

VP-TIG焊接工藝用于焊接波壁鋁合金，是一種高效率、高質量的焊接方法[1]，對于縱縫、環縫等結構的焊接具有較好的適用性，VP-TIG焊接大型鋁合金筒體結構的技術得到廣泛應用。

在航天焊接制造領域，伴隨著產能需求及新型號的發展，產品中需要焊接的部件越來越多，要求也越來越嚴格，追求焊接效率及提高焊接一次成功率是焊接工作者主要考慮的問題之一。近年來，效率高、質量穩定的自動化焊接方法在筒體環縫、縱縫焊接生產中得到廣泛應用，以應對逐年增加的產量需求和彌補焊工數量及操作技能的問題。本文針對鋁合金大型薄壁筒體結構環縫焊接效率，采用自動VP-TIG焊接工藝，生產筒體，并統計了焊接后的質量情況。

2 筒體結構及焊接技術要求

2.1 筒體結構及焊接要求

筒體外徑為706mm，壁厚為3mm，材料為5A06鋁合金，由筒段、前后法蘭、口框和箍體組焊而成，其中筒段與前法蘭、筒段與筒段之間為對接環縫結構，如圖1所示。

圖1 發射筒環縫示意圖

筒體設計要求焊縫內部質量達到QJ2698《鋁及鋁合金熔化焊技術要求》I級焊縫要求，進行100%無損檢測。筒體需要通過氣密試驗，充入(0.02±0.002)MPa的壓力，24h壓降不大于5%。筒體全長為(5300±1)mm以內。

2.2 工藝難點分析及采取措施

經過對產品結構及焊接過程的初步分析，工藝難點主要有以下幾個方面：

a. 手工焊接難以滿足批量化需求，單條環縫周長為2.3m，手工焊接時，操作人員需要持續工作15min以上，疲勞程度的累計影響手勢及送絲的穩定性，難以保證筒體環縫質量的一致性。批量化生產過程容易產生咬邊、未熔合等缺陷，如圖2所示。薄壁結構的操作技能要求較高，焊接時鎢極與工件的距離較短，手工焊接的質量穩定性較差，經常出現碰弧現象，進而產生夾塢等缺陷。

圖2 缺陷示意圖

b. 大直徑薄壁鋁筒的焊接變形非常難控制，主要原因為：筒體長度較大，薄壁結構剛度差，手工焊接引起的焊接變形量大及焊接變形趨勢復雜。并且手工焊接難以保證I級焊縫一次焊成，存在后續補焊引起的二次焊接變形等因素。對密封法蘭而言，影響氣密試驗效果。

c. 薄壁結構裝配難度大，3mm鋁合金的裝配要求錯邊、間隙控制在0.5mm以內。而筒體徑厚比為118?1，具有極高的操作難度。

d. 環縫數量為5條，其中4條為對接，后法蘭與筒段4為鎖底結構，手工焊接的收縮量一致性差，難以滿足總長要求。

針對工藝難點，可初步看出影響最終焊接質量的因素是焊接工藝。采取如下措施：

a. 改進工藝，采用性能穩定性好、操作難度低、上手快的自動焊接工藝。

b. 針對薄壁結構裝配難度大的問題，在設備上添置一套裝配內撐和可前定尾座，控制工件裝配的錯邊和間隙。

c. 控制筒體零件質量，對于筒坯的圓度和直線要求控制在0.8mm以內。兩側環縫對接面和總對接前的筒體部裝件進行端面車削加工。

d. 確定合適的收縮量，滿足最終長度要求。

3 焊接工藝及設備組成

3.1 焊接工藝

鋁合金熔化焊接必須在惰性氣氛或者真空下進行，真空環境需要真空室等硬件，成本高，不適于大直徑長筒體作業。而惰性氣氛一般為Ar、He或Ar/He 混合氣體。Ar氣、He氣均為單原子氣體，在同等電流和電弧長度下，Ar氣的弧壓較低，熱輸入量也較He弧低[2]，說明Ar弧比He弧相比，電弧電壓和能量密度較低、電弧燃燒穩定、飛濺極小具有較好的穩定性，較適宜于薄板焊接，選擇氬弧焊。

3.2 焊接設備組成

該自動焊接系統采用雙工位車床式專機，如圖3所示，整體機構包括雙工位機床、內撐、驅動頭座、剛性導軌、滾輪支撐架、旋轉立柱等。焊槍位于中間旋轉立柱上，具有2個焊接工位的切換與鎖定功能。

為保證產品的直線度，設備機床頭座止口及內撐和尾座止口三者之間的同軸度規定不大于0.3mm，同時頭座跳動不大于0.1mm，尾座跳動不大于0.1mm。內撐撐開后，其截面符合筒體內部的形狀。如圖3所示。焊接電源采用Miller Dynasty700。

圖3 焊接內撐和焊接電源

4 工藝參數及質量控制措施

4.1 工藝參數驗證

每個工位焊接3組試驗件，共進行6組工藝試驗，試驗件全部采用VP-TIG焊接工藝，焊接參數見表1。

表1 筒體環縫焊接參數

試驗件焊縫形式與產品完全相同：焊縫均為I型坡口，裝配時利用尾座前頂，前頂力為0.2MPa，保證裝配間隙為0。利用內撐工裝將工件撐住，內撐壓力為0.45MPa。保證錯邊量不大于0.5mm，每道焊縫完成后進行外觀檢查、X射線探傷，經試驗驗證，全部符合QJ 2698A I級焊縫要求。圖4為焊縫外觀成形和接頭形貌，可以發現焊縫成形良好，未出現未焊透及咬邊等缺陷。

圖4 焊縫形貌

表2 接頭力學性能測試

按照GB/T 2649《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》進行力學性能測試，其抗拉強度和延伸率分別如表2所示。強度范圍在362～374MPa之間，延伸率15.5%～21%，結果表明所有試件的抗拉強度和延伸率均一致性良好，符合QJ 2698 I級接頭的要求。

4.2 焊縫收縮試驗

對6組焊接試驗件收縮量進行測量，焊前兩零件的尺寸和焊后組件的尺寸如表3所示。

表3 環焊縫收縮試驗測試數據

由試驗結果可知，單條環焊縫焊接完成后，焊縫收縮量為0.5～0.8mm。

4.3 質量控制措施

4.3.1 工藝流程

利用自動VP-TIG焊接工藝進行筒體環縫焊接的工藝流程如圖5所示，首先進行筒段1與前法蘭的自動焊接，組成上筒體組件，然后進行車削加工，保證兩端平行度。對于下筒體，首先進行后法蘭與筒段4鎖底焊縫的焊接，然后筒段4與筒段3進行自動焊接，再進行口框的裝焊，然后對下筒體進行車削加工，保證兩端平行度，然后依次進行下筒體與筒段2、筒段2與筒段1的自動化焊接。

圖5 筒體裝焊工藝流程圖

4.4.2 關鍵尺寸的控制

根據鋁筒環焊接收縮試驗可知單條環縫的收縮量為0.5～0.8mm，本產品總對接前有2道環焊縫焊接，因此預留筒體軸向方向焊接收縮余量為1.6mm。按照理論計算，總對接前的上筒體、下筒體和筒段2的總長為5301.6mm。

5 試驗件及產品生產情況

采用新設備和工藝流程試制了筒體組件首批產品，共生產了4件產品。

5.1 焊縫檢測

制備的4個筒體，進行焊縫外觀檢查和內部質量無損檢測，焊縫外觀如圖6所示，全部符合QJ 2698《鋁及鋁合金熔化焊技術要求》I級焊縫要求，無損檢測一次通過。

圖6 產品焊接后的外表面圖

5.2 長度尺寸測量

驗證是否符合設計規定的圖樣的公差要求，每個筒體分別測量8個位置的尺寸，如圖7所示。測量結果如表4所示。

圖7 長度測試位置示意圖

表4 長度測量結果 mm

首件批試驗結果表明，產品長度在5299.6～5300.6mm，符合設計要求。

5.3 強度試驗

對4件產品進行了0.02MPa的氣密試驗，保壓24h后，焊縫不存在滲漏現象，壓降無變化，產品全部合格，具體如表5所示。

表5 氣密試驗統計表

6 結束語

針對貯運發射筒筒體的結構特點，分析大直徑薄壁鋁合金焊接工藝特性和結構要求，在影響產品焊接質量的各個方面采取了有效的措施，在薄壁鋁合金筒體焊接方面取得了有效的效果。所焊接的產品焊縫結構致密，通過了氣密試驗和尺寸精度分析，工藝可行性、協調性和穩定性良好，產品試驗全部合格，滿足了實際生產的需要。

1 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2002

2 常軍. 大型復雜結構鋁筒焊接變形控制的研究[J]. 航天制造技術，2010(2)：32～35，46

VP-TIG Welding for Circumferential Weld of Aluminum Alloy Thin-wall Cylinder

Zhang Guojun Ding Sen Cao Zhong Guan Yajuan Feng Lijie

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

The paper induces the characteristics and technical requirements of thin-wall components, and analyzes the weldability and welding difficulties. It designs the special welding equipment and explicates the welding process of cylinder and the measures to control the quality of welded seams from welding procedure, welding technique, welding parameters, and welding deformation control. The results show that the welding quality of the first batch of cylinder meets design requirements, and this technology project is completely suitable for welding processing of the thin-wall cylinder.

thin-wall cylinder；VP-TIG；aluminum alloy

2018-09-10

張國軍（1984），工程師，材料專業；研究方向：先進焊接工藝與工藝自動化。