基于超聲滾焊的壓力容器鋁箔內(nèi)壁焊接技術(shù)研究

賈力偉

【摘 要】為解決壓力容器防腐內(nèi)壁層封口強(qiáng)度低的問題，開展了超聲波連續(xù)滾動(dòng)焊接鋁箔技術(shù)研究。綜合分析了影響焊接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)，對焊接過程中鋁箔及焊頭的應(yīng)力場和溫度場分布進(jìn)行有限元仿真;重點(diǎn)研究了焊接壓力、鋁箔厚度等重要工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。通過正交試驗(yàn)進(jìn)一步討論了焊接速度、焊接壓力、鋁箔厚度等關(guān)鍵工藝參數(shù)的最優(yōu)組合。結(jié)果表明，執(zhí)行選定參數(shù)后，焊縫處剝離破壞強(qiáng)度可達(dá)鋁箔母材抗拉強(qiáng)度，內(nèi)壁層封口焊接強(qiáng)度取得顯著改善，滿足運(yùn)行工況設(shè)計(jì)預(yù)期。

【關(guān)鍵詞】鋁箔;壓力容器;超聲波;焊接;有限元

中圖分類號(hào)： TG663 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）07-0190-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.079

【Abstract】For solving the problems of low bonding strength of anticorrosion inside the pressure vessel， Technology of ultrasonic continuous welding used in aluminum alloy foil is researched in this paper. It analyses the technological parameters which affect the welding quality most. Through the finite element simulation it analyses the stress and temperature distribution of metal layer and welding head during the welding process. The influence of important parameters such as welding pressure and thickness of metal layer on welding quality is studied. The optimal combination of key process parameters such as welding speed， welding pressure and thickness of metal layer is discussed by orthogonal test. The results show that the bonding strength at the weld can reach the tensile strength of the metal itself， and can also meet to the design expectation.

【Key words】Aluminum foil; Pressure vessel; Ultrasonic; Weld; finite element

復(fù)合材料壓力容器在石油化工、航空航天，核工業(yè)等多領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，容器內(nèi)壁防腐問題不容忽視。特別是在某些特殊應(yīng)用場合，內(nèi)部酸性工作介質(zhì)對樹脂基體具有較強(qiáng)腐蝕性，容器內(nèi)壁防腐問題顯得尤為突出。鋁箔防腐層具有附加質(zhì)量小、成型工藝簡單、成本低廉、適合工業(yè)化應(yīng)用等獨(dú)特優(yōu)勢。鋁箔焊接封口技術(shù)是該工藝的核心難點(diǎn)，超聲波焊接對鋁箔有較好的焊接性能，超聲波滾焊技術(shù)則更是專用于薄質(zhì)鋁箔材料的長距離直線焊接工藝[1]。

該技術(shù)在國內(nèi)主要應(yīng)用于塑料焊接工藝[2]，國外及部分國內(nèi)廠家將該技術(shù)引進(jìn)于鋁箔箔生產(chǎn)線，用于斷口拼接[3]，焊接技術(shù)要求相對寬松。國內(nèi)最新研制中的新一代專用超高速旋轉(zhuǎn)壓力容器內(nèi)壁的鋁箔焊縫具有寬度小，距離長，厚度薄，圓弧面（Φ160mm圓?。┑奶攸c(diǎn)，焊接條件極其特殊，極大地增加了焊接工藝增大難度;焊接工藝參數(shù)復(fù)雜多樣，焊接頻率、焊接振幅、焊接功率、焊接壓力、焊接速度等。參數(shù)需進(jìn)行匹配控制，任何參數(shù)出現(xiàn)微小偏差都會(huì)對焊接質(zhì)量產(chǎn)生極大影響[4]，焊接難度可想而知。文章采用有限單元法對焊接過程的應(yīng)力場和溫度場分布進(jìn)行仿真，分析了焊接壓力、鋁箔厚度等主要參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響;結(jié)合仿真正交試驗(yàn)[5]，對主要工藝參數(shù)的最優(yōu)組合進(jìn)行驗(yàn)證說明，防腐層搭接封口問題得到初步解決。

1 鋁箔超聲焊接過程有限元仿真分析

1.1 焊接模型有限元建立

超聲波焊接鋁箔過程中的溫度場和應(yīng)力場對其焊接質(zhì)量和確定最優(yōu)焊接工藝參數(shù)具有非常重要的意義[6-7]。通過有限單元法數(shù)值模擬焊接過程，可得到焊接界面、焊頭與底模的溫度場分布，以及焊頭和鋁箔的應(yīng)力場分布。焊接過程中焊頭及鋁箔內(nèi)部的溫度場與應(yīng)力、應(yīng)變場是雙向耦合的[10]。在模擬計(jì)算時(shí)，通過ANSYS-Workbench多物理場模塊的熱-結(jié)構(gòu)耦合功能，進(jìn)行溫度場和應(yīng)力、應(yīng)變場的耦合計(jì)算并做以下假設(shè)：（1）鋁箔之間沒有間隙（完全接觸）;（2）焊頭與上層鋁箔層，底模與下層鋁箔層之間沒有相對滑動(dòng)（固定約束）;（3）焊接過程中室溫恒定在22℃（環(huán)境溫度恒定）。

對實(shí)際物理模型進(jìn)行簡化處理，沿底模長度方向截取一定長度后，所建立三維有限元模型如圖1所示，其中模型由超聲波焊頭、上下層鋁箔及底模組成。選擇三維8節(jié)點(diǎn)熱分析單元（Quad77）進(jìn)行熱分析，選擇三維8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)單元（Brick185）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析;焊頭與鋁箔、鋁箔與底模以及鋁箔間的接觸均采用面-面接觸方式，用三維接觸單元（Contact174）代表接觸面。塑性變形及摩擦所產(chǎn)生的熱流量QFlow施加到焊接區(qū)域，在焊頭和鋁箔邊界及底模上施加對流熱量QConvection;對底模進(jìn)行全位移約束，焊接壓力施加于焊頭與上層鋁箔的接觸面上，對焊頭施加頻率為35KHz，振幅為25μm位移載荷。

1.2 仿真結(jié)果分析

在焊接壓力300N、焊接時(shí)間0.1s、焊頭振幅25μm、工作頻率35KHz條件下模擬的溫度場如圖2-a所示。熱影響區(qū)多集中于焊頭下方的塑性變形區(qū)域，焊接界面最高溫度達(dá)383℃，尚未達(dá)到鋁箔熔點(diǎn)（660℃），且沿豎直方向快速遞減。應(yīng)力場如圖2-b所示，應(yīng)力集中同樣主要出現(xiàn)在焊頭下方與鋁箔接觸部位，焊頭的最大應(yīng)力為57MPa，鋁箔的最大應(yīng)力為40MPa，低于其最大破壞應(yīng)力55MPa，焊接過程鋁箔發(fā)生了塑性變形。超聲焊接過程鋁箔在摩擦壓力和熱場共同作用下發(fā)生冷態(tài)非熔化的焊接，與超聲焊接機(jī)理分析[2]吻合。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化選型

2.1 試驗(yàn)方法及結(jié)果

最優(yōu)工藝參數(shù)對實(shí)際焊接具有指導(dǎo)作用，對提高焊接強(qiáng)度和焊接精度具有決定性作用。實(shí)際工作中可調(diào)參數(shù)往往只有焊接壓力、焊接速度以及所選用鋁箔原材料的熱處理狀態(tài)。文章采用通用的正交試驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化選型，不考慮三因素間交互作用，每個(gè)因素取三個(gè)水平，設(shè)計(jì)成三因素三水平的仿真正交試驗(yàn)，并分別測試其剝離破壞強(qiáng)度。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可進(jìn)行極差計(jì)算分析。對焊接強(qiáng)度影響程度大小依次為：焊接速度、焊接壓力、鋁箔熱處理狀態(tài)?？蛇x擇焊接壓力在第三水平，焊接速度在第三水平，鋁箔狀態(tài)第一水平作為初選的優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。

圖3表征了各因素水平與焊接剝離強(qiáng)度的關(guān)系，焊接速度和焊接壓力尚未達(dá)到使焊縫剝離強(qiáng)度最大的值?？晒潭ㄤX箔類型，調(diào)整焊接速度及焊接壓力做進(jìn)一步試驗(yàn)，但進(jìn)一步增大焊接速度時(shí)容易出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，增大焊接壓力時(shí)又容易出現(xiàn)過焊現(xiàn)象。因此最終得到的最佳參數(shù)組合為焊接速度為6mm/s，焊接壓力為2.2MPa，鋁箔狀態(tài)為O1態(tài)。

執(zhí)行上述參數(shù)完成的鋁箔焊接試驗(yàn)件焊縫外觀平整，連續(xù)均勻，無虛焊、過焊等焊接缺陷。采用通用國標(biāo)對焊縫進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，結(jié)果表明其剪切強(qiáng)度為55±2.2MPa，且破壞并未出現(xiàn)在焊縫處，焊接強(qiáng)度已達(dá)到母材自身抗拉強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

3 結(jié)論

文章針對專用超高速旋轉(zhuǎn)壓力容器內(nèi)壁鋁箔防腐層焊接封口技術(shù)進(jìn)行研究。通過有限單元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證確定了最終的焊接工藝參數(shù)，并得到試驗(yàn)應(yīng)用。結(jié)論如下：

a.建立了鋁箔超聲焊接有限元仿真模型，對焊接過程中焊頭及鋁箔的應(yīng)力場及溫度場進(jìn)行仿真;

b.采用仿真正交試驗(yàn)法對焊接速度、焊接壓力及鋁箔熱處理狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化選型，并優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)組合;執(zhí)行該參數(shù)得到的焊接試驗(yàn)件整體情況良好;

c.該項(xiàng)研究為鋁箔超聲焊接工藝的有限元仿真分析及具體參數(shù)選型提供參考依據(jù)，具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

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