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中国设备
工程
Engineer ing hina C P l ant
中国设备工程 2018.11 （上）1 概述
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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。
生铁铸造另取在不同厚度（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。
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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/cm 2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/cm 2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。座便轮椅
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
铝合金薄壁板中心环缝焊接工艺研究
杨志丹1，顾皞2，倪首军3，刘潇雨3
（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）摘要：针对薄壁板中心环缝焊接时出现翘曲变形、失稳波浪变形问题进行研究，通过2219铝合金薄壁板焊接工艺试验，分析焊接应力导致变形的机理，确定了两层焊接方式和适当的焊接参数能够有效控制焊接应力和焊接变形。
关键词：铝合金薄板；环缝焊接；焊接变形；研究
中图分类号：TG292 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2018）11（上）-0191-02
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研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术
中国设备工程 2018.11 (上)
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 结语固定铁丝网
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。参考文献：
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