薄壁鋁合金筒體環(huán)縫VP-TIG焊接

張國(guó)軍 丁 森 曹 忠 管雅娟 馮立杰

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薄壁鋁合金筒體環(huán)縫VP-TIG焊接

張國(guó)軍 丁 森 曹 忠 管雅娟 馮立杰

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

介紹了薄壁部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求，分析其焊接性和焊接難點(diǎn)。設(shè)計(jì)專(zhuān)用的環(huán)縫焊接設(shè)備，并從焊接流程、焊接方法、工藝參數(shù)、焊接變形控制等方面詳細(xì)說(shuō)明了筒體焊接過(guò)程和保證焊接質(zhì)量的方法，試制的產(chǎn)品符合設(shè)計(jì)要求，該工藝方案完全適合于產(chǎn)品的生產(chǎn)。

薄壁筒體；變極性氬弧焊；鋁合金

1 引言

鋁及鋁合金具有優(yōu)異的物理性能、化學(xué)特性、力學(xué)性能及工藝特性，是航天、航空等工業(yè)重要的結(jié)構(gòu)材料之一。隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，人們已研制成多種能夠滿(mǎn)足特殊使用要求的鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，如某系列防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)件貯運(yùn)發(fā)射筒筒體采用薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著彈體的貯存運(yùn)輸和發(fā)射任務(wù)，是關(guān)系到導(dǎo)彈發(fā)射成功與否的重要部件。

VP-TIG焊接工藝用于焊接波壁鋁合金，是一種高效率、高質(zhì)量的焊接方法[1]，對(duì)于縱縫、環(huán)縫等結(jié)構(gòu)的焊接具有較好的適用性，VP-TIG焊接大型鋁合金筒體結(jié)構(gòu)的技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

在航天焊接制造領(lǐng)域，伴隨著產(chǎn)能需求及新型號(hào)的發(fā)展，產(chǎn)品中需要焊接的部件越來(lái)越多，要求也越來(lái)越嚴(yán)格，追求焊接效率及提高焊接一次成功率是焊接工作者主要考慮的問(wèn)題之一。近年來(lái)，效率高、質(zhì)量穩(wěn)定的自動(dòng)化焊接方法在筒體環(huán)縫、縱縫焊接生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，以應(yīng)對(duì)逐年增加的產(chǎn)量需求和彌補(bǔ)焊工數(shù)量及操作技能的問(wèn)題。本文針對(duì)鋁合金大型薄壁筒體結(jié)構(gòu)環(huán)縫焊接效率，采用自動(dòng)VP-TIG焊接工藝，生產(chǎn)筒體，并統(tǒng)計(jì)了焊接后的質(zhì)量情況。

2 筒體結(jié)構(gòu)及焊接技術(shù)要求

2.1 筒體結(jié)構(gòu)及焊接要求

筒體外徑為706mm，壁厚為3mm，材料為5A06鋁合金，由筒段、前后法蘭、口框和箍體組焊而成，其中筒段與前法蘭、筒段與筒段之間為對(duì)接環(huán)縫結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 發(fā)射筒環(huán)縫示意圖

筒體設(shè)計(jì)要求焊縫內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到QJ2698《鋁及鋁合金熔化焊技術(shù)要求》I級(jí)焊縫要求，進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)。筒體需要通過(guò)氣密試驗(yàn)，充入(0.02±0.002)MPa的壓力，24h壓降不大于5%。筒體全長(zhǎng)為(5300±1)mm以?xún)?nèi)。

2.2 工藝難點(diǎn)分析及采取措施

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及焊接過(guò)程的初步分析，工藝難點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

a. 手工焊接難以滿(mǎn)足批量化需求，單條環(huán)縫周長(zhǎng)為2.3m，手工焊接時(shí)，操作人員需要持續(xù)工作15min以上，疲勞程度的累計(jì)影響手勢(shì)及送絲的穩(wěn)定性，難以保證筒體環(huán)縫質(zhì)量的一致性。批量化生產(chǎn)過(guò)程容易產(chǎn)生咬邊、未熔合等缺陷，如圖2所示。薄壁結(jié)構(gòu)的操作技能要求較高，焊接時(shí)鎢極與工件的距離較短，手工焊接的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，經(jīng)常出現(xiàn)碰弧現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生夾塢等缺陷。

圖2 缺陷示意圖

b. 大直徑薄壁鋁筒的焊接變形非常難控制，主要原因?yàn)椋和搀w長(zhǎng)度較大，薄壁結(jié)構(gòu)剛度差，手工焊接引起的焊接變形量大及焊接變形趨勢(shì)復(fù)雜。并且手工焊接難以保證I級(jí)焊縫一次焊成，存在后續(xù)補(bǔ)焊引起的二次焊接變形等因素。對(duì)密封法蘭而言，影響氣密試驗(yàn)效果。

c. 薄壁結(jié)構(gòu)裝配難度大，3mm鋁合金的裝配要求錯(cuò)邊、間隙控制在0.5mm以?xún)?nèi)。而筒體徑厚比為118?1，具有極高的操作難度。

d. 環(huán)縫數(shù)量為5條，其中4條為對(duì)接，后法蘭與筒段4為鎖底結(jié)構(gòu)，手工焊接的收縮量一致性差，難以滿(mǎn)足總長(zhǎng)要求。

針對(duì)工藝難點(diǎn)，可初步看出影響最終焊接質(zhì)量的因素是焊接工藝。采取如下措施：

a. 改進(jìn)工藝，采用性能穩(wěn)定性好、操作難度低、上手快的自動(dòng)焊接工藝。

b. 針對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)裝配難度大的問(wèn)題，在設(shè)備上添置一套裝配內(nèi)撐和可前定尾座，控制工件裝配的錯(cuò)邊和間隙。

c. 控制筒體零件質(zhì)量，對(duì)于筒坯的圓度和直線(xiàn)要求控制在0.8mm以?xún)?nèi)。兩側(cè)環(huán)縫對(duì)接面和總對(duì)接前的筒體部裝件進(jìn)行端面車(chē)削加工。

d. 確定合適的收縮量，滿(mǎn)足最終長(zhǎng)度要求。

3 焊接工藝及設(shè)備組成

3.1 焊接工藝

鋁合金熔化焊接必須在惰性氣氛或者真空下進(jìn)行，真空環(huán)境需要真空室等硬件，成本高，不適于大直徑長(zhǎng)筒體作業(yè)。而惰性氣氛一般為Ar、He或Ar/He 混合氣體。Ar氣、He氣均為單原子氣體，在同等電流和電弧長(zhǎng)度下，Ar氣的弧壓較低，熱輸入量也較He弧低[2]，說(shuō)明Ar弧比He弧相比，電弧電壓和能量密度較低、電弧燃燒穩(wěn)定、飛濺極小具有較好的穩(wěn)定性，較適宜于薄板焊接，選擇氬弧焊。

3.2 焊接設(shè)備組成

該自動(dòng)焊接系統(tǒng)采用雙工位車(chē)床式專(zhuān)機(jī)，如圖3所示，整體機(jī)構(gòu)包括雙工位機(jī)床、內(nèi)撐、驅(qū)動(dòng)頭座、剛性導(dǎo)軌、滾輪支撐架、旋轉(zhuǎn)立柱等。焊槍位于中間旋轉(zhuǎn)立柱上，具有2個(gè)焊接工位的切換與鎖定功能。

為保證產(chǎn)品的直線(xiàn)度，設(shè)備機(jī)床頭座止口及內(nèi)撐和尾座止口三者之間的同軸度規(guī)定不大于0.3mm，同時(shí)頭座跳動(dòng)不大于0.1mm，尾座跳動(dòng)不大于0.1mm。內(nèi)撐撐開(kāi)后，其截面符合筒體內(nèi)部的形狀。如圖3所示。焊接電源采用Miller Dynasty700。

圖3 焊接內(nèi)撐和焊接電源

4 工藝參數(shù)及質(zhì)量控制措施

4.1 工藝參數(shù)驗(yàn)證

每個(gè)工位焊接3組試驗(yàn)件，共進(jìn)行6組工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)件全部采用VP-TIG焊接工藝，焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 筒體環(huán)縫焊接參數(shù)

試驗(yàn)件焊縫形式與產(chǎn)品完全相同：焊縫均為I型坡口，裝配時(shí)利用尾座前頂，前頂力為0.2MPa，保證裝配間隙為0。利用內(nèi)撐工裝將工件撐住，內(nèi)撐壓力為0.45MPa。保證錯(cuò)邊量不大于0.5mm，每道焊縫完成后進(jìn)行外觀檢查、X射線(xiàn)探傷，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，全部符合QJ 2698A I級(jí)焊縫要求。圖4為焊縫外觀成形和接頭形貌，可以發(fā)現(xiàn)焊縫成形良好，未出現(xiàn)未焊透及咬邊等缺陷。

圖4 焊縫形貌

表2 接頭力學(xué)性能測(cè)試

按照GB/T 2649《焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)取樣方法》進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其抗拉強(qiáng)度和延伸率分別如表2所示。強(qiáng)度范圍在362～374MPa之間，延伸率15.5%～21%，結(jié)果表明所有試件的抗拉強(qiáng)度和延伸率均一致性良好，符合QJ 2698 I級(jí)接頭的要求。

4.2 焊縫收縮試驗(yàn)

對(duì)6組焊接試驗(yàn)件收縮量進(jìn)行測(cè)量，焊前兩零件的尺寸和焊后組件的尺寸如表3所示。

表3 環(huán)焊縫收縮試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，單條環(huán)焊縫焊接完成后，焊縫收縮量為0.5～0.8mm。

4.3 質(zhì)量控制措施

4.3.1 工藝流程

利用自動(dòng)VP-TIG焊接工藝進(jìn)行筒體環(huán)縫焊接的工藝流程如圖5所示，首先進(jìn)行筒段1與前法蘭的自動(dòng)焊接，組成上筒體組件，然后進(jìn)行車(chē)削加工，保證兩端平行度。對(duì)于下筒體，首先進(jìn)行后法蘭與筒段4鎖底焊縫的焊接，然后筒段4與筒段3進(jìn)行自動(dòng)焊接，再進(jìn)行口框的裝焊，然后對(duì)下筒體進(jìn)行車(chē)削加工，保證兩端平行度，然后依次進(jìn)行下筒體與筒段2、筒段2與筒段1的自動(dòng)化焊接。

圖5 筒體裝焊工藝流程圖

4.4.2 關(guān)鍵尺寸的控制

根據(jù)鋁筒環(huán)焊接收縮試驗(yàn)可知單條環(huán)縫的收縮量為0.5～0.8mm，本產(chǎn)品總對(duì)接前有2道環(huán)焊縫焊接，因此預(yù)留筒體軸向方向焊接收縮余量為1.6mm。按照理論計(jì)算，總對(duì)接前的上筒體、下筒體和筒段2的總長(zhǎng)為5301.6mm。

5 試驗(yàn)件及產(chǎn)品生產(chǎn)情況

采用新設(shè)備和工藝流程試制了筒體組件首批產(chǎn)品，共生產(chǎn)了4件產(chǎn)品。

5.1 焊縫檢測(cè)

制備的4個(gè)筒體，進(jìn)行焊縫外觀檢查和內(nèi)部質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)，焊縫外觀如圖6所示，全部符合QJ 2698《鋁及鋁合金熔化焊技術(shù)要求》I級(jí)焊縫要求，無(wú)損檢測(cè)一次通過(guò)。

圖6 產(chǎn)品焊接后的外表面圖

5.2 長(zhǎng)度尺寸測(cè)量

驗(yàn)證是否符合設(shè)計(jì)規(guī)定的圖樣的公差要求，每個(gè)筒體分別測(cè)量8個(gè)位置的尺寸，如圖7所示。測(cè)量結(jié)果如表4所示。

圖7 長(zhǎng)度測(cè)試位置示意圖

表4 長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果 mm

首件批試驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)品長(zhǎng)度在5299.6～5300.6mm，符合設(shè)計(jì)要求。

5.3 強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)4件產(chǎn)品進(jìn)行了0.02MPa的氣密試驗(yàn)，保壓24h后，焊縫不存在滲漏現(xiàn)象，壓降無(wú)變化，產(chǎn)品全部合格，具體如表5所示。

表5 氣密試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)貯運(yùn)發(fā)射筒筒體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析大直徑薄壁鋁合金焊接工藝特性和結(jié)構(gòu)要求，在影響產(chǎn)品焊接質(zhì)量的各個(gè)方面采取了有效的措施，在薄壁鋁合金筒體焊接方面取得了有效的效果。所焊接的產(chǎn)品焊縫結(jié)構(gòu)致密，通過(guò)了氣密試驗(yàn)和尺寸精度分析，工藝可行性、協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性良好，產(chǎn)品試驗(yàn)全部合格，滿(mǎn)足了實(shí)際生產(chǎn)的需要。

1 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì). 焊接手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

2 常軍. 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋁筒焊接變形控制的研究[J]. 航天制造技術(shù)，2010(2)：32～35，46

VP-TIG Welding for Circumferential Weld of Aluminum Alloy Thin-wall Cylinder

Zhang Guojun Ding Sen Cao Zhong Guan Yajuan Feng Lijie

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

The paper induces the characteristics and technical requirements of thin-wall components, and analyzes the weldability and welding difficulties. It designs the special welding equipment and explicates the welding process of cylinder and the measures to control the quality of welded seams from welding procedure, welding technique, welding parameters, and welding deformation control. The results show that the welding quality of the first batch of cylinder meets design requirements, and this technology project is completely suitable for welding processing of the thin-wall cylinder.

thin-wall cylinder；VP-TIG；aluminum alloy

2018-09-10

張國(guó)軍（1984），工程師，材料專(zhuān)業(yè)；研究方向：先進(jìn)焊接工藝與工藝自動(dòng)化。