薄板鋁合金VPPA焊接工藝及變形控制研究

田志杰，周　慶，杜巖峰，馬　軼，王　偉

(首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

薄板鋁合金VPPA焊接工藝及變形控制研究

田志杰，周慶，杜巖峰，馬軼，王偉

(首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

摘要：探討了3 mm厚5A06鋁合金VPPA的焊接穿孔工藝。通過(guò)試驗(yàn)，獲得了薄板鋁合金VPPA的焊接工藝參數(shù)，焊縫外觀一致性較好。經(jīng)X射線無(wú)損檢測(cè)表明，VPPA接頭無(wú)缺陷，焊接質(zhì)量良好。焊接過(guò)程中，焊縫中心線5 mm外溫度<120 ℃，焊接熱輸入集中。采用VPPA焊接而成的φ2 m筒段，母線直線度均<2 mm，薄板VPPA焊接變形控制效果明顯。

關(guān)鍵詞：5A06鋁合金；VPPA；焊接變形；焊接應(yīng)力

穿孔型變極性等離子弧焊(VPPA)兼有等離子弧和變極性等2個(gè)特征，可減小接頭角變形，改善焊接質(zhì)量。變極性電源既具備陰極清理作用，又能降低鎢極的燒損，可實(shí)現(xiàn)4～16 mm厚鋁合金單面一次焊透，雙面自由成形[1-3]；但是，對(duì)3 mm厚鋁合金進(jìn)行變極性等離子焊接時(shí)，焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響更加明顯，可控性較差。

對(duì)5A06鋁合金薄板采用鎢極氬弧焊(TIG)及電子束焊接時(shí)，焊接接頭強(qiáng)度不高[4-8]。采用VPPA焊接，可以減少5A06鋁合金薄板焊縫氣孔和夾渣及焊接變形。焊接熱輸入對(duì)焊接變形動(dòng)態(tài)過(guò)程及最終殘余變形有很重要的影響，薄板殘余應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，最大應(yīng)力數(shù)值甚至達(dá)到材料的屈服極限，易造成鋁合金薄板的失穩(wěn)變形[9-12]。

1試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)板材為3 mm厚5A06鋁合金；焊絲為5B06光亮焊絲，直徑為1.6 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　5A06鋁合金及5B06的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

1.2試驗(yàn)設(shè)備及儀器

變極性等離子焊接電源采用IGBT雙逆變電路結(jié)構(gòu)，微電腦控制?？色@得正、負(fù)半波電流在額定電流值范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)的變極性電源。電流輸出能力為500 A，100%暫載率。

控制系統(tǒng)基于PLC可編程控制器，與觸摸屏配套，可通過(guò)修改參數(shù)，對(duì)焊接電源進(jìn)行控制。系統(tǒng)主控制器可對(duì)送絲機(jī)、弧高控制器、焊接電源和焊槍行走等機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制。

溫度測(cè)量?jī)x器采用Fluke品牌，MT4型號(hào)紅外點(diǎn)溫儀，該儀器測(cè)溫范圍為-18～400 ℃。

2焊接試驗(yàn)過(guò)程

2.1焊前準(zhǔn)備

將試驗(yàn)材料除去包鋁層，用棉紗浸120#汽油擦拭除油，用剪板機(jī)切割板材成250 mm×150 mm規(guī)格的試板。

采用化學(xué)表面處理方法對(duì)試板表面進(jìn)行清理，化學(xué)介質(zhì)及濃度含量為：1)氫氧化鈉90～220 g/L；2)金屬鋁離子20～80 g/L。

焊接前，佩戴潔凈帆布手套，用刮刀刮去表面氧化膜，露出金屬光澤；焊接時(shí)，其接頭設(shè)計(jì)采用不開(kāi)坡口的對(duì)接形式。

2.2試驗(yàn)參數(shù)

變極性等離子穿孔焊接時(shí)，影響穿孔穩(wěn)定性和焊縫成形的主要參數(shù)有焊接電流、離子氣流量、送絲速度及鎢極類型等。

研究證明，可供工程中使用的參數(shù)取值范圍為電流65～78 A，離子氣流量2.1～2.35 L/min；并遵循反極性電流的幅值=正極性電流幅值+(20～40)A。此情況下，起弧穩(wěn)定，工件背面等離子弧尾焰挺度好，焊接熱輸入量適中，焊縫不會(huì)出現(xiàn)凹凸焊道及塌陷現(xiàn)象。

焊接試驗(yàn)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　焊接參數(shù)

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1焊縫成形外觀

采用表2所示的焊接參數(shù)，焊弧熔池結(jié)構(gòu)理想，穿孔直徑為3.0 mm，大小適中。熄弧時(shí)，熔池周圍無(wú)液化裂紋產(chǎn)生(見(jiàn)圖1)，熔池?zé)崃窟m宜，焊縫沒(méi)有焊瘤、未融合和塌陷等表面缺陷，無(wú)損檢測(cè)底片(見(jiàn)圖2)。焊縫正面寬度為6.5±0.2 mm，背面寬度為3.5±0.2 mm；正面余高為1.0 mm，背面余高為0.7 mm。焊縫外觀一致性較好(見(jiàn)圖3)。

圖1　3 mm厚5A06　　　圖2　3 mm厚5A06　鋁合金VPPA　鋁合金VPPA　焊接穿孔　焊縫底片

圖3　3 mm厚5A06鋁合金VPPA焊縫外觀

3.2焊縫溫度測(cè)量

圖4　2種弧焊工藝溫度分布對(duì)比圖

相比于TIG工藝，VPPA焊接方法的熱輸入量更加集中，焊件受熱面小。2種弧焊工藝溫度分布對(duì)比圖如圖4所示，相應(yīng)的各區(qū)域溫度見(jiàn)表3。

表3　各區(qū)域溫度

鋁合金導(dǎo)熱性較強(qiáng)，VPPA焊接能量集中，焊接溫度變化梯度大。通過(guò)遙控測(cè)溫計(jì)測(cè)量，3 mm厚5A06鋁合金在表2焊接參數(shù)下的溫度實(shí)測(cè)值分布如圖5所示。焊弧熱輸入集中，較高的線能量使焊件熔化，熔池尺寸較小，約為6.5 mm，中心線兩側(cè)5 mm處，溫度即降到120 ℃，焊縫熱影響區(qū)小。焊后焊縫150 mm以外即達(dá)到室溫水平，手觸無(wú)灼熱感。

圖5　3 mm厚5A06鋁合金VPPA溫度實(shí)測(cè)值分布圖

3.3殘余應(yīng)力與變形的控制

板殼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的臨界壓應(yīng)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，且其高溫塑性差，線膨脹系數(shù)大(約為鋼的2倍)；因此，鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，特別是厚度<4 mm的薄壁構(gòu)件，焊接時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力與失穩(wěn)變形問(wèn)題更為突出。由于焊接過(guò)程中構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力—應(yīng)變場(chǎng)取決于焊接區(qū)域溫度場(chǎng)的分布特征，只有合理改變溫度場(chǎng)的演變與分布，才能降低焊接區(qū)域的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，從而有效地控制焊接殘余應(yīng)力與變形。

基于合理的焊接參數(shù)，對(duì)1.2 m長(zhǎng)試板進(jìn)行TIG及VPPA焊接，在保證焊透及成形良好的情況下，兩者焊接變形如圖6所示。采用VPPA工藝比TIG焊接變形量明顯降低。

圖6　長(zhǎng)焊縫焊接變形比較

當(dāng)筒段縱縫拼焊時(shí)，熱源周圍極窄區(qū)域溫度高、梯度大，離開(kāi)熱源后溫度峰值急劇下降；縱向殘余應(yīng)力在焊縫及熱影響區(qū)為拉應(yīng)力，在圓周上表現(xiàn)出拉壓區(qū)交替變化的趨勢(shì)。沿焊縫方向，在焊縫中段殘余應(yīng)力有一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)域，并達(dá)到最大值[13]。利用VPPA工藝，基于表2焊接參數(shù)，焊接3件長(zhǎng)度為1.2 m、直徑為2 m的筒段，對(duì)6條長(zhǎng)焊縫進(jìn)行變形量的測(cè)量，其母線直線度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可以看出，采用VPPA焊接而成的筒段，母線直線度為1.2～1.8 mm，說(shuō)明薄板VPPA焊接變形控制效果理想，滿足產(chǎn)品制造要求。

表4　筒段焊縫區(qū)母線直線度

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出如下結(jié)論。

1)采用合理的焊接參數(shù)，變極性等離子弧可以實(shí)現(xiàn)5A06鋁合金薄板的無(wú)坡口單面焊雙面成形，并且成形良好，焊接內(nèi)部質(zhì)量無(wú)缺陷。

2)焊接電流、離子氣流量和焊接速度的工藝參數(shù)為：焊接電流75 A，離子氣流量2.1 L/min，焊接速度0.18 m/min。

3)對(duì)于5A06鋁合金薄板，在選擇合理的參數(shù)下，焊弧熱輸入集中，較高的線能量使焊件熔化，熔池尺寸較小，約為6.5 mm，中心線兩側(cè)5 mm處，溫度即降到120 ℃，焊縫熱影響區(qū)小。

4)采用VPPA焊接而成的長(zhǎng)度為1.2 m、直徑為2 m的筒段，其母線直線度為1.2～1.8 mm，薄板VPPA焊接變形控制效果明顯。

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責(zé)任編輯鄭練

Study of Weld Process and Distortion Control on Laminose Aluminium Alloy VPPA

TIAN Zhijie, ZHOU Qing, DU Yanfeng, MA Yi, WANG Wei

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076, China)

Abstract：The welding hole technology of 3 mm thickness 5A06 aluminium alloy VPPA welding joint is examined. The weld parameter range is researched by test, and shapely weld is obtained. The fault isn’t found in VPPA weld by X-ray NDT, and weld quality is favorable. In the weld course, the temprature is under 120 ℃ outward in 5 mm weld center field, 2 m diameter cylind is made by VPPA. Its generatrix is under 2 mm, and the distortion control effect of laminose aluminium alloy is evident.

Key words:5A06 aluminium alloy, VPPA, weld distortion, weld stress

收稿日期：2015-05-18

作者簡(jiǎn)介：田志杰(1975-)，男，高級(jí)工程師，碩士,主要從事運(yùn)載火箭貯箱制造及先進(jìn)焊接技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 456.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A