铝合金薄壁板中心环缝焊接工艺研究

杨志丹，顾皞，倪首军，刘潇雨

（1.海军驻北京地区特种导弹专业军事代表室；2.首都航天机械公司；3.北京航天发射技术研究所，北京 100076）

1 概述

在航天产品中经常出现铝合金薄壁板与法兰盘的焊接过程，属于薄壁板中心环缝焊接。此种焊接经常导致变形，而且变形的情况复杂，有翘曲变形、失稳波浪变形等，不呈现一定的规律。通过铝合金薄壁板焊接工艺的研究，采用直流氦弧焊打底加变极性钨极氩弧焊（简称TIG焊）盖面的两层焊接方式，并对起弧、焊接、熄弧电流大小及变化速度等参数进行了优化，控制了热量输入和受热面积，解决了铝合金板焊接工程中变形的普遍问题。

2 焊接工艺方案

试样选用2219铝合金薄壁板进行法兰盘的焊接，焊接区的直径为Φ200～350mm（厚度为5.2～10mm）。工艺试验采用单面两层悬空焊工艺进行焊接，即采用直流悬空打底氦弧焊加TIG盖面焊的两层焊接。

工艺流程是先按要求完成法兰盘的装配。法兰盘的焊接过程包括定位焊接、直流氦弧打底焊接、变极性TIG盖面焊接。

焊接操作过程为：首先进行定位焊接，防止焊接过程中产生错边或对接间隙。定位焊接工艺示于图1，分别在120°、240°位置处进行定位焊。

图1 法兰盘定位焊接示意图

同时，分析了确定法兰盘的焊接速度、焊接电流、弧压、保护气流量等各项焊接工艺参数。

定位焊后起弧进行直流氦弧打底焊接。为控制起收弧位置的焊接质量及环缝收弧时的搭接质量，要控制自动打底焊接时起弧、焊接、熄弧的电流大小及变化速度。法兰盘打底焊接过程自动完成，稳定焊接过程中不调整焊接电流的大小。法兰盘打底焊接后进行变极性TIG盖面焊接，同时注意熄弧时的搭接质量，防止出现弧坑裂纹等缺陷。法兰盘焊接完成后冷却至室温，拆除压紧工装。

另取在不同厚度（4.5、6、8、10mm）的低碳钢方形壁板（500×500mm）中心处进行环缝焊接试验。

3 焊接变形与焊接应力分析

3.1 法兰盘的焊接变形规律分析

虽然法兰盘环缝焊接过程稳定、焊缝均匀，但在铝合金板、低碳钢板焊接过程中仍发现焊接变形。

焊接区厚度小于6mm的铝合金板，焊后变形较大。在压紧状态下，直流氦弧打底焊接后铝合金板已出现明显的翘曲变形，不贴胎间隙约为4～5mm；变极性TIG盖面焊接后，翘曲变形进一步增大，不贴胎间隙增大为10mm左右。焊接完成后冷却至室温，拆除压紧工装的过程中，铝合金板出现明显的失稳波浪变形。铝合金板达到8mm，虽然焊后也出现一定的翘曲变形，但并没有发生失稳波浪变形。

在不同厚度的低碳钢壁板的环缝焊接试验中，发现试件厚度板厚8～10mm时，失稳变形对焊接热输入并不敏感；板厚为6mm时，单位厚度热输入大于15kJ/cm2时，焊后试片的相对挠度显著增大；而在4.5mm厚的壁板上单位厚度线能量大于8.4kJ/cm2后，焊后相对挠度陡然增大，壁板中心压屈失稳翘曲发生跃变。

金属板壳结构发生失稳的临界压应力与材料的弹性模量、板厚的平方成正比，而铝合金的弹性模量约为钢的1/3，且高温塑性差，线膨胀系数大（约为钢的2倍），所以，铝合金薄板焊接时对热输入更敏感，产生的热应力和焊后残余应力与失稳变形的问题更为突出。当铝合金板焊接区厚度小于6mm，焊后发生较明显的压屈失稳，且随厚度降低，压屈失稳的波浪变形越大。

3.2 法兰盘的焊接应力分析

法兰盘焊缝属于封闭焊缝，其接头的拘束度较大，焊后产生的残余应力也较大。图2为法兰盘焊接时残余应力的分布情况，图中sr为径向残余应力，sq为切向残余应力。由图中所示的应力分布可见，径向残余应力sr为拉应力，切向残余应力sq在法兰盘一侧为拉应力，而且在焊缝附件最大，由焊缝向铝合金板延伸，逐渐下降为压应力；在法兰盘一侧，sq与sr近似相等，在瓜瓣尺寸一定的情况下，其数值与法兰盘焊接区的直径有关，直径越小，拘束度越大，瓜瓣中的残余应力也越大。

图2 法兰盘环缝残余应力分布

切向应力由两部分组成，一是由焊缝切向方向收缩引起的切向应力sq1，二是由法兰盘径向收缩引起的切向应力sq2，总的切应力sq应由sq1和sq2叠加而成。随着法兰盘直径增大，收缩量增大，残余应力也必然随之增大；当法兰盘直径增大到一定值后，随法兰盘直径的增加，拘束度逐渐减小，法兰盘环缝焊接收缩所产生的残余应力也逐渐减小。在焊接内应力的作用下，薄壁铝合金板失稳，产生波浪变形，压应力越大，就越易失稳，压应力随焊缝尺寸和焊接线能量的增加而增加。

当外载的工作应力为拉应力时，与焊缝中的峰值拉应力相叠加，会发生局部的屈服变形，在随后的卸载过程中，构件的回弹量小于加载时的变形量，构件卸载后不能回到初始尺寸。若随后的加载小于第1次加载，则不再发生新的残余变形。当承受外载的工作应力与焊接残余应力叠加，使薄壁铝合金板局部区域的屈服变形较大时，则影响产品的可靠性。

若构件本身刚性（薄壁构件）小，且材料韧性好，这种影响对构件可靠性的影响可忽略。但铝合金材料，其焊接接头的延伸率较小，塑性较低。

4 焊接变形的工艺控制措施

4.1 变形控制的依据

通过上述分析，针对焊接生产过程中出现的6mm以下厚度法兰盘焊后的失稳变形，主要应从控制焊缝宽度、焊接热输入、装配应力及铝合金板的结构刚性等方面采取措施。

4.2 具体的控制措施

4.2.1 装配的控制措施

采用小过盈量、手工验合装配的工艺方法进行法兰盘的焊前装配，又不能产生过大应力。手工装配前，在薄壁铝合金板与法兰盘上手工开坡口，便于手工装配过程的顺利进行。装配过程中，需防止磕碰伤法兰盘与薄壁铝合金板待焊区以外的其他区域。

4.2.2 环缝焊接的控制措施

采用两层焊。与一次焊透工艺相比，两层焊的热输入小、加热范围窄、冷却快，产生的焊接收缩量小。同时在打底时，采用直流悬空焊，由于背后无焊漏垫板，可以降低焊接电流，减少热输入，减小焊接变形。

焊趾为接头的薄弱位置，采用单面两层焊时，要求打底焊接头与盖面焊接头焊趾区不能重合在一起，否则接头性能差，影响产品的可靠性。法兰盘环缝焊接时，一般要求变极性TIG盖面焊缝比打底焊缝宽度单边大2～3mm，两层焊接的焊趾区不重合，环缝焊接接头的性能较好。

4.2.3 起收弧位置的控制措施

针对铝合金板的刚性，对法兰盘环缝焊接后的变形影响较大的情况，通过改变铝合金板的局部结构来提高焊接区的刚性。许多生产是在零件状态下进行薄壁铝合金板焊接法兰盘，因此，零件状态下，薄壁铝合金板的结构、形状导致刚性差别较大，起收弧的位置尽量选择靠近刚性大的一侧，以减小焊接变形。

5 结语

采用直流氦弧打底焊加变极性钨极氩弧盖面焊的两层焊，通过优化装配应力、焊接参数及起收弧位置等方法，减小受热面积，减少热输入，降低了焊接应力和收缩量，从而达到减小焊接变形的目的。提高焊接的合格率和质量的稳定性，控制了焊接变形。