鋁合金薄壁板中心環縫焊接工藝研究

楊志丹，顧皞，倪首軍，劉瀟雨

（1.海軍駐北京地區特種導彈專業軍事代表室；2.首都航天機械公司；3.北京航天發射技術研究所，北京 100076）

1 概述

在航天產品中經常出現鋁合金薄壁板與法蘭盤的焊接過程，屬于薄壁板中心環縫焊接。此種焊接經常導致變形，而且變形的情況復雜，有翹曲變形、失穩波浪變形等，不呈現一定的規律。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進行了優化，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鋁合金薄壁板進行法蘭盤的焊接，焊接區的直徑為Φ200～350mm（厚度為5.2～10mm）。工藝試驗采用單面兩層懸空焊工藝進行焊接，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：首先進行定位焊接，防止焊接過程中產生錯邊或對接間隙。定位焊接工藝示于圖1，分別在120°、240°位置處進行定位焊。

圖1 法蘭盤定位焊接示意圖

同時，分析了確定法蘭盤的焊接速度、焊接電流、弧壓、保護氣流量等各項焊接工藝參數。

定位焊后起弧進行直流氦弧打底焊接。為控制起收弧位置的焊接質量及環縫收弧時的搭接質量，要控制自動打底焊接時起弧、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完成，穩定焊接過程中不調整焊接電流的大小。法蘭盤打底焊接后進行變極性TIG蓋面焊接，同時注意熄弧時的搭接質量，防止出現弧坑裂紋等缺陷。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）中心處進行環縫焊接試驗。

3 焊接變形與焊接應力分析

3.1 法蘭盤的焊接變形規律分析

雖然法蘭盤環縫焊接過程穩定、焊縫均勻，但在鋁合金板、低碳鋼板焊接過程中仍發現焊接變形。

焊接區厚度小于6mm的鋁合金板，焊后變形較大。在壓緊狀態下，直流氦弧打底焊接后鋁合金板已出現明顯的翹曲變形，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，鋁合金板出現明顯的失穩波浪變形。鋁合金板達到8mm，雖然焊后也出現一定的翹曲變形，但并沒有發生失穩波浪變形。

在不同厚度的低碳鋼壁板的環縫焊接試驗中，發現試件厚度板厚8～10mm時，失穩變形對焊接熱輸入并不敏感；板厚為6mm時，單位厚度熱輸入大于15kJ/cm2時，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，壁板中心壓屈失穩翹曲發生躍變。

金屬板殼結構發生失穩的臨界壓應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，線膨脹系數大（約為鋼的2倍），所以，鋁合金薄板焊接時對熱輸入更敏感，產生的熱應力和焊后殘余應力與失穩變形的問題更為突出。當鋁合金板焊接區厚度小于6mm，焊后發生較明顯的壓屈失穩，且隨厚度降低，壓屈失穩的波浪變形越大。

3.2 法蘭盤的焊接應力分析

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

圖2 法蘭盤環縫殘余應力分布

切向應力由兩部分組成，一是由焊縫切向方向收縮引起的切向應力sq1，二是由法蘭盤徑向收縮引起的切向應力sq2，總的切應力sq應由sq1和sq2疊加而成。隨著法蘭盤直徑增大，收縮量增大，殘余應力也必然隨之增大；當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，法蘭盤環縫焊接收縮所產生的殘余應力也逐漸減小。在焊接內應力的作用下，薄壁鋁合金板失穩，產生波浪變形，壓應力越大，就越易失穩，壓應力隨焊縫尺寸和焊接線能量的增加而增加。

當外載的工作應力為拉應力時，與焊縫中的峰值拉應力相疊加，會發生局部的屈服變形，在隨后的卸載過程中，構件的回彈量小于加載時的變形量，構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，則不再發生新的殘余變形。當承受外載的工作應力與焊接殘余應力疊加，使薄壁鋁合金板局部區域的屈服變形較大時，則影響產品的可靠性。

若構件本身剛性（薄壁構件）小，且材料韌性好，這種影響對構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

通過上述分析，針對焊接生產過程中出現的6mm以下厚度法蘭盤焊后的失穩變形，主要應從控制焊縫寬度、焊接熱輸入、裝配應力及鋁合金板的結構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、手工驗合裝配的工藝方法進行法蘭盤的焊前裝配，又不能產生過大應力。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以外的其他區域。

4.2.2 環縫焊接的控制措施

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，產生的焊接收縮量小。同時在打底時，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，要求打底焊接頭與蓋面焊接頭焊趾區不能重合在一起，否則接頭性能差，影響產品的可靠性。法蘭盤環縫焊接時，一般要求變極性TIG蓋面焊縫比打底焊縫寬度單邊大2～3mm，兩層焊接的焊趾區不重合，環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構來提高焊接區的剛性。許多生產是在零件狀態下進行薄壁鋁合金板焊接法蘭盤，因此，零件狀態下，薄壁鋁合金板的結構、形狀導致剛性差別較大，起收弧的位置盡量選擇靠近剛性大的一側，以減小焊接變形。

5 結語

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