密封蓋板焊接裂紋分析

張 森，代仁文

(海裝重慶局，重慶 401120)

焊接工藝屬特殊過程，是生產(chǎn)過程中著重關(guān)注的工藝，但焊接工藝常因?yàn)楣に囋O(shè)計(jì)、選材等方面的原因會影響焊接效果，有時會產(chǎn)生裂紋等非預(yù)期現(xiàn)象。文獻(xiàn)［1 -4］中分析了焊接工藝中常遇到的疑難問題及現(xiàn)在采用的焊接工藝，本研究在此基礎(chǔ)上針對某型艦炮的密封蓋在焊接中出現(xiàn)的裂紋，從材料的焊接性能、零件狀態(tài)和焊接流程等方面分析裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，并提出了改進(jìn)要求，對以后的生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義，也為其他焊接件的生產(chǎn)提供借鑒。

某型艦炮自動機(jī)采用管后坐的自動方式，電底火彈藥，為防止自動機(jī)及彈藥在使用過程中，因海水或夾渣等因素可能導(dǎo)致的短路及動作不可靠，設(shè)計(jì)了密封蓋等裝置進(jìn)行密封和防護(hù)。密封蓋主要采用焊接的方式進(jìn)行連接密封蓋由搖架蓋板、底座和窗蓋等零件焊接裝配而成，其裝配方式如圖1所示。

圖1 密封蓋相關(guān)零件裝配位置示意圖

在艦炮使用過程中，密封蓋主要起密封和觀察作用，但在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，密封蓋出現(xiàn)了焊接裂紋，直接影響到了密封性能。焊接裂紋如圖2 所示。

圖2 焊縫裂紋位置示意圖

1 機(jī)理分析

密封蓋焊接處裂紋外側(cè)長度約為40 mm，內(nèi)側(cè)長度約為6 mm，均為貫穿性裂紋(搖架蓋板厚度3.5 ～4 mm)，裂紋距離焊縫距離約為10 mm。本研究針對焊接所選用零件材料、焊絲性能、零件實(shí)物狀態(tài)和焊接流程等方面進(jìn)行分析。

1.1 零件材料性能分析

搖架蓋板本體材料為ZL101A，為鋁硅系列鑄造合金，是以ZL101 合金為基礎(chǔ)嚴(yán)格控制雜質(zhì)的合金，具有良好的鑄造、焊接和耐腐蝕性能，其強(qiáng)度為σb≥235 MPa，伸長率為2～5%，詳見表1、表2 所示［5-8］。底座的材料為5A06，材料狀態(tài)為H112，厚度為12 mm，具有較好的焊接和耐腐蝕性能，其抗拉強(qiáng)度σb≥305 MPa，伸長率≥12%［2］。

表1 Al-Si 系合金的鑄造性能

表2 鑄造鋁硅合金的和機(jī)加工特性

通過表1 和表2 可知，ZL101A 材料的鑄造性較好，選擇較好的鑄造工藝，可避免較多的鑄造缺陷的產(chǎn)生，同時其采用氬弧焊的焊接性能也較好。因此，在搖架蓋板上焊接另外一個焊接性也較好的零件，是可行的。

1.2 焊絲選擇及性能

焊接時，在工藝上采用SAlSi -1 焊絲，通常用于焊接鋁板、鋁硅鑄件、一般鋁合金、鍛鋁和硬鋁。由于零件本體材料為鋁硅鑄件和一般鋁合金，因此具有良好的融合性能，合適作為ZL101A 和5A06 材料間的焊絲材料。焊絲化學(xué)成分見表3，焊接接頭力學(xué)性能見表4 所示。

表3 焊絲化學(xué)成分

表4 焊接接頭力學(xué)性能

1.3 焊接前零件狀態(tài)

搖架蓋板零件在實(shí)際加工過程中，由于鑄造余量的差異導(dǎo)致加工后，零件的厚度小于資料規(guī)定為尺寸5 mm(局部只有3.5 mm)。同時，由于機(jī)加后斜面厚度較薄，加之斜面的平面度由于機(jī)加熱變形較差，零件中間表面會凹下去，平面度達(dá)到4 ～5 mm。而底座平面度較好，當(dāng)兩個零件貼合在一起焊接時，為消除貼合面之間縫隙及焊接需要，會使用夾具將兩個零件貼合在一起，首先就會在強(qiáng)度較差的一個零件上產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力。

1.4 焊接流程

搖架蓋板和底座焊接前，首先進(jìn)行了吹砂和表面清潔工作，焊接前均進(jìn)行了預(yù)熱處理。焊接方法采用氬弧焊，焊縫類型為角焊縫，焊接時沿底座四邊焊接，四周焊縫長度約為750 mm，工作量較大，工人實(shí)際操作時焊角高度也不容易保證，資料要求焊縫高度為4 mm，而實(shí)際焊縫高大部分達(dá)到了6 mm。當(dāng)焊縫越高，焊接時零件產(chǎn)生的熱容量就更大，產(chǎn)生的應(yīng)力也就越大。

綜上所述，在搖架蓋板上產(chǎn)生的裂紋原因主要有兩個:搖架蓋板的零件狀態(tài)未能滿足產(chǎn)品要求，導(dǎo)致在焊接時，在夾具的作用下，會在其上面產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力; 焊縫實(shí)際焊接結(jié)果比產(chǎn)品資料要求較高，導(dǎo)致焊接時產(chǎn)生的熱容量較大，從而也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力。由于搖架蓋板材料的強(qiáng)度和伸長率低于底座的材料強(qiáng)度和伸長率，當(dāng)兩個零件相互作用時，造成在搖架本體焊縫附近熱應(yīng)力區(qū)的本體被撕裂，從而產(chǎn)生焊接裂紋。

2 制定措施

密封蓋的主要起密封和觀察作用，直接受力較小，因此針對密封蓋的焊接裂紋的采取的解決措施就是消除焊縫裂紋，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，具體解決措施如下。

2.1 裂紋解決措施

針對在生產(chǎn)過程中兩件已經(jīng)出現(xiàn)的密封蓋裂紋情況，首先對裂紋部分進(jìn)行打磨，然后補(bǔ)焊。同時從以下幾個方面進(jìn)行工藝優(yōu)化和嚴(yán)格的過程控制:焊前和焊后進(jìn)行預(yù)熱和緩冷措施，減小應(yīng)力;提醒操作者嚴(yán)格控制焊縫高度;密封蓋焊接完成后，增加回火去應(yīng)力工序，以減少殘余應(yīng)力。最后對補(bǔ)焊后的密封蓋進(jìn)行探傷檢查。

2.2 優(yōu)化改進(jìn)措施

搖架本體作為鑄造件，其本意就是盡可能多的將需要的形狀直接通過鑄造成型。因此為避免因焊接可能產(chǎn)生的裂紋，后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)時，取消零件底座和焊接，直接在搖架蓋板坯件鑄造時，將底座的形狀鑄造上去，預(yù)留機(jī)加余量，然后整體機(jī)加成型，如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的搖架蓋板局部示意圖

3 結(jié)論

密封蓋補(bǔ)焊后，首先進(jìn)行探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)有裂紋，隨后，又進(jìn)行了艦炮小型交驗(yàn)試驗(yàn)，再次對密封蓋進(jìn)行了探傷檢查，也未發(fā)現(xiàn)有新的裂紋產(chǎn)生。因此可以得出，補(bǔ)焊后的密封蓋仍然滿足產(chǎn)品的使用要求。通過對該密封蓋的裂紋分析，得出結(jié)論如下:

1)在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，檢驗(yàn)部門要嚴(yán)格控制產(chǎn)品零件的狀態(tài)，切實(shí)做到圖物一致性，確保產(chǎn)品質(zhì)量，這是生產(chǎn)的首要保證。

2)在編制焊接工藝過程中，涉及焊接前預(yù)處理和焊后回火等工序很多，工藝部門需細(xì)化工序，以便指導(dǎo)操作者按步驟執(zhí)行，避免疏漏，從而影響到焊接質(zhì)量。

3)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，針對鑄造的零部件，在滿足剛強(qiáng)度和性能的情況下，選用鑄造性較好的材料，同時因盡可能的在鑄件上，把結(jié)構(gòu)需要的形狀直接鑄造出來，減少后續(xù)還需要在鑄件上進(jìn)行的各種處理。

［1］邱葭菲.焊接工藝疑難問題解析［J］.熱加工工藝，2003(1):56-57.

［2］王耀，李志勇.焊接工藝制定及評定系統(tǒng)［J］.電焊機(jī)，2010(4):43-47.

［3］尹長華，閆臣，崔相國.國內(nèi)外長輸管道常用焊接工藝［J］.電焊機(jī)，2009(5):22-31.

［4］劉立鵬，魏艷紅，梁寧，等.不銹鋼焊接性分析與焊接工藝設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)［J］.焊接技術(shù)，2009(7):30-34.

［5］中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［6］吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊［M］.3 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［7］中國焊接學(xué)會.焊接標(biāo)準(zhǔn)匯編［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

［8］田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.