基于超聲滾焊的壓力容器鋁箔內壁焊接技術研究

賈力偉

【摘 要】為解決壓力容器防腐內壁層封口強度低的問題，開展了超聲波連續滾動焊接鋁箔技術研究。綜合分析了影響焊接質量的主要工藝參數，對焊接過程中鋁箔及焊頭的應力場和溫度場分布進行有限元仿真;重點研究了焊接壓力、鋁箔厚度等重要工藝參數對焊接質量的影響。通過正交試驗進一步討論了焊接速度、焊接壓力、鋁箔厚度等關鍵工藝參數的最優組合。結果表明，執行選定參數后，焊縫處剝離破壞強度可達鋁箔母材抗拉強度，內壁層封口焊接強度取得顯著改善，滿足運行工況設計預期。

【關鍵詞】鋁箔;壓力容器;超聲波;焊接;有限元

中圖分類號： TG663 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）07-0190-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.079

【Abstract】For solving the problems of low bonding strength of anticorrosion inside the pressure vessel， Technology of ultrasonic continuous welding used in aluminum alloy foil is researched in this paper. It analyses the technological parameters which affect the welding quality most. Through the finite element simulation it analyses the stress and temperature distribution of metal layer and welding head during the welding process. The influence of important parameters such as welding pressure and thickness of metal layer on welding quality is studied. The optimal combination of key process parameters such as welding speed， welding pressure and thickness of metal layer is discussed by orthogonal test. The results show that the bonding strength at the weld can reach the tensile strength of the metal itself， and can also meet to the design expectation.

【Key words】Aluminum foil; Pressure vessel; Ultrasonic; Weld; finite element

復合材料壓力容器在石油化工、航空航天，核工業等多領域取得廣泛應用，容器內壁防腐問題不容忽視。特別是在某些特殊應用場合，內部酸性工作介質對樹脂基體具有較強腐蝕性，容器內壁防腐問題顯得尤為突出。鋁箔防腐層具有附加質量小、成型工藝簡單、成本低廉、適合工業化應用等獨特優勢。鋁箔焊接封口技術是該工藝的核心難點，超聲波焊接對鋁箔有較好的焊接性能，超聲波滾焊技術則更是專用于薄質鋁箔材料的長距離直線焊接工藝[1]。

該技術在國內主要應用于塑料焊接工藝[2]，國外及部分國內廠家將該技術引進于鋁箔箔生產線，用于斷口拼接[3]，焊接技術要求相對寬松。國內最新研制中的新一代專用超高速旋轉壓力容器內壁的鋁箔焊縫具有寬度小，距離長，厚度薄，圓弧面（Φ160mm圓弧）的特點，焊接條件極其特殊，極大地增加了焊接工藝增大難度;焊接工藝參數復雜多樣，焊接頻率、焊接振幅、焊接功率、焊接壓力、焊接速度等。參數需進行匹配控制，任何參數出現微小偏差都會對焊接質量產生極大影響[4]，焊接難度可想而知。文章采用有限單元法對焊接過程的應力場和溫度場分布進行仿真，分析了焊接壓力、鋁箔厚度等主要參數對焊接質量的影響;結合仿真正交試驗[5]，對主要工藝參數的最優組合進行驗證說明，防腐層搭接封口問題得到初步解決。

1 鋁箔超聲焊接過程有限元仿真分析

1.1 焊接模型有限元建立

超聲波焊接鋁箔過程中的溫度場和應力場對其焊接質量和確定最優焊接工藝參數具有非常重要的意義[6-7]。通過有限單元法數值模擬焊接過程，可得到焊接界面、焊頭與底模的溫度場分布，以及焊頭和鋁箔的應力場分布。焊接過程中焊頭及鋁箔內部的溫度場與應力、應變場是雙向耦合的[10]。在模擬計算時，通過ANSYS-Workbench多物理場模塊的熱-結構耦合功能，進行溫度場和應力、應變場的耦合計算并做以下假設：（1）鋁箔之間沒有間隙（完全接觸）;（2）焊頭與上層鋁箔層，底模與下層鋁箔層之間沒有相對滑動（固定約束）;（3）焊接過程中室溫恒定在22℃（環境溫度恒定）。

對實際物理模型進行簡化處理，沿底模長度方向截取一定長度后，所建立三維有限元模型如圖1所示，其中模型由超聲波焊頭、上下層鋁箔及底模組成。選擇三維8節點熱分析單元（Quad77）進行熱分析，選擇三維8節點結構單元（Brick185）進行結構分析;焊頭與鋁箔、鋁箔與底模以及鋁箔間的接觸均采用面-面接觸方式，用三維接觸單元（Contact174）代表接觸面。塑性變形及摩擦所產生的熱流量QFlow施加到焊接區域，在焊頭和鋁箔邊界及底模上施加對流熱量QConvection;對底模進行全位移約束，焊接壓力施加于焊頭與上層鋁箔的接觸面上，對焊頭施加頻率為35KHz，振幅為25μm位移載荷。

1.2 仿真結果分析

在焊接壓力300N、焊接時間0.1s、焊頭振幅25μm、工作頻率35KHz條件下模擬的溫度場如圖2-a所示。熱影響區多集中于焊頭下方的塑性變形區域，焊接界面最高溫度達383℃，尚未達到鋁箔熔點（660℃），且沿豎直方向快速遞減。應力場如圖2-b所示，應力集中同樣主要出現在焊頭下方與鋁箔接觸部位，焊頭的最大應力為57MPa，鋁箔的最大應力為40MPa，低于其最大破壞應力55MPa，焊接過程鋁箔發生了塑性變形。超聲焊接過程鋁箔在摩擦壓力和熱場共同作用下發生冷態非熔化的焊接，與超聲焊接機理分析[2]吻合。

2 工藝參數優化選型

2.1 試驗方法及結果

最優工藝參數對實際焊接具有指導作用，對提高焊接強度和焊接精度具有決定性作用。實際工作中可調參數往往只有焊接壓力、焊接速度以及所選用鋁箔原材料的熱處理狀態。文章采用通用的正交試驗法進行參數的優化選型，不考慮三因素間交互作用，每個因素取三個水平，設計成三因素三水平的仿真正交試驗，并分別測試其剝離破壞強度。

2.2 試驗結果分析

試驗數據服從正態分布，可進行極差計算分析。對焊接強度影響程度大小依次為：焊接速度、焊接壓力、鋁箔熱處理狀態。可選擇焊接壓力在第三水平，焊接速度在第三水平，鋁箔狀態第一水平作為初選的優化焊接工藝參數。

圖3表征了各因素水平與焊接剝離強度的關系，焊接速度和焊接壓力尚未達到使焊縫剝離強度最大的值?？晒潭ㄤX箔類型，調整焊接速度及焊接壓力做進一步試驗，但進一步增大焊接速度時容易出現虛焊現象，增大焊接壓力時又容易出現過焊現象。因此最終得到的最佳參數組合為焊接速度為6mm/s，焊接壓力為2.2MPa，鋁箔狀態為O1態。

執行上述參數完成的鋁箔焊接試驗件焊縫外觀平整，連續均勻，無虛焊、過焊等焊接缺陷。采用通用國標對焊縫進行剪切強度測試，結果表明其剪切強度為55±2.2MPa，且破壞并未出現在焊縫處，焊接強度已達到母材自身抗拉強度，符合設計預期。

3 結論

文章針對專用超高速旋轉壓力容器內壁鋁箔防腐層焊接封口技術進行研究。通過有限單元仿真和試驗驗證確定了最終的焊接工藝參數，并得到試驗應用。結論如下：

a.建立了鋁箔超聲焊接有限元仿真模型，對焊接過程中焊頭及鋁箔的應力場及溫度場進行仿真;

b.采用仿真正交試驗法對焊接速度、焊接壓力及鋁箔熱處理狀態等關鍵參數進一步優化選型，并優化了焊接工藝參數組合;執行該參數得到的焊接試驗件整體情況良好;

c.該項研究為鋁箔超聲焊接工藝的有限元仿真分析及具體參數選型提供參考依據，具有一定工程應用價值。

【參考文獻】

[1]涂益民，等. 輕鋁箔材料超聲波焊接的研究現狀[J]. 輕合金加工技術，2011（39）：16～20.

[2]高陽，陳風波，等. 塑料超聲波焊接質量影響因素的研究進展[J]. 宇航材料工藝，2006（6）：9～13.

[3]張衛東. 鋁箔分切機的超聲波焊接應用[J]. 有色設備，2013（5）：47～50.

[4]譚險峰. 焊接工藝參數對溫度場影響的試驗與數值模擬研究[J]. 中國機械工程，2005，16（7）：641～644.

[5]曹軍. 正交試驗在焊接工藝評定中的應用[J].生產應用-焊接，2007（12）：47～59.

[6]曾純，等.超聲波鋁箔焊接中的溫度與應力分布[J]. 上海交通大學學報，2010（44）：54～57.

[7]申杰，金先龍，郭毅之.超聲波焊接振動問題的數值仿真方法[J].焊接學報2006，27（3）：13～16.