航空航天薄壁結(jié)構(gòu)鎢極氬弧焊技術(shù)

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在航空航天及艦船等武器裝備中，大量采用薄壁結(jié)構(gòu)，例如：發(fā)動(dòng)機(jī)的薄壁機(jī)匣結(jié)構(gòu)、飛機(jī)的壁板和蒙皮結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星返回艙、載人航天艙外服殼體結(jié)構(gòu)、先進(jìn)飛機(jī)的進(jìn)氣道、運(yùn)載火箭的儲(chǔ)箱結(jié)構(gòu)、導(dǎo)彈的殼體結(jié)構(gòu)、艦船的上層建筑結(jié)構(gòu)等。作為一種低成本、高效率的焊接技術(shù)，鎢極氬弧焊是薄壁結(jié)構(gòu)的重要制造方法之一，由薄壁結(jié)構(gòu)氬弧焊所帶來(lái)的問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的關(guān)注。

航空航天薄壁構(gòu)件由于其所用材料及結(jié)構(gòu)的特殊性，其焊接技術(shù)難點(diǎn)在于以下三個(gè)方面：

一、焊接應(yīng)力和變形問(wèn)題

薄壁構(gòu)件的焊接應(yīng)力和變形十分復(fù)雜，焊接殘余應(yīng)力主要有縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力，殘余變形可分為橫向收縮、縱向收縮、角變形、失穩(wěn)翹曲變形等。由于薄壁構(gòu)件本身的剛度小、穩(wěn)定性差，甚至在很小的殘余應(yīng)力作用下，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生局部翹曲和扭轉(zhuǎn)等比較明顯的失穩(wěn)變形，因此，失穩(wěn)變形是薄壁焊接構(gòu)件的主要變形形式。焊接殘余應(yīng)力和變形的存在可能導(dǎo)致一系列問(wèn)題，如降低承載、防腐能力和疲勞性能；加快接頭區(qū)氫的擴(kuò)散，導(dǎo)致氫脆破壞；產(chǎn)生新的裝配應(yīng)力變形，導(dǎo)致裂紋；影響下一工序的加工，增大技術(shù)難度等等。在各類(lèi)薄壁結(jié)構(gòu)的焊接制造中，焊接應(yīng)力和變形的控制與消除一直是制造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，也直接影響到結(jié)構(gòu)件的性能及武器裝備的性能。

二、材料焊接性問(wèn)題

航空航天薄壁結(jié)構(gòu)大量采用鈦合金、鋁合金等輕質(zhì)材料，但這些材料通常具有活潑的化學(xué)性質(zhì)。以鈦合金為例，隨著溫度的升高，鈦合金吸收氫、氧、氮的能力逐漸增加，氫、氧、氮對(duì)鈦合金的機(jī)械性能具有嚴(yán)重的影響。因此，必須加強(qiáng)焊接過(guò)程的惰性氣體保護(hù)，預(yù)防氫、氧、氮等氣體進(jìn)入焊縫，避免氣孔、裂紋等缺陷的產(chǎn)生。

三、焊接區(qū)的晶粒粗大問(wèn)題

由于氬弧焊熱輸入較大，在焊接薄壁結(jié)構(gòu)時(shí)，可能導(dǎo)致熔池及熱影響區(qū)的晶粒組織粗大，從而直接影響接頭的性能，尤其是疲勞性能。

針對(duì)航空航天薄壁結(jié)構(gòu)的焊接特點(diǎn)，除了采用工藝參數(shù)優(yōu)化、焊接工裝設(shè)計(jì)、焊后熱處理等方法，還可采用以下新技術(shù)解決上述難題：

（1）低應(yīng)力無(wú)變形焊接方法。

中航工業(yè)制造所提出了薄板構(gòu)件焊接應(yīng)力變形控制專(zhuān)利技術(shù)——低應(yīng)力無(wú)變形（low stress no distortion，LSND）焊接技術(shù)。

LSND焊接技術(shù)包括靜態(tài)控制與動(dòng)態(tài)控制兩種。靜態(tài)LSND的核心原理是在焊接過(guò)程對(duì)焊縫背部通水冷卻的同時(shí)，對(duì)焊縫兩側(cè)實(shí)施加熱，采用雙支點(diǎn)加壓的方法防止工件在焊接溫度場(chǎng)作用下的瞬態(tài)失穩(wěn)變形，保證有效的“溫差拉伸效應(yīng)”始終跟隨焊接熱源。該方法由于受預(yù)置溫度場(chǎng)和專(zhuān)用夾具的限制，只適用于直線(xiàn)焊縫上的靜態(tài)控制。靜態(tài)LSND焊接法能將焊接變形和縱向殘余應(yīng)力應(yīng)變控制在很低的水平，從而減小工件的焊接變形。

在靜態(tài)LSND的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展成為動(dòng)態(tài)控制低應(yīng)力無(wú)變形DC-LSND（Dynamically Controlled Low Stress No Distortion）焊接技術(shù)，其采用緊跟焊接熱源的冷卻裝置（又稱(chēng)“熱沉”）對(duì)焊縫降溫，從而實(shí)現(xiàn)失穩(wěn)變形的控制。這種方法不僅適用于直線(xiàn)焊縫，對(duì)于航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)上常用的非直線(xiàn)（圓形、環(huán)形）和非規(guī)則焊縫也有適用性，而且工藝方法設(shè)備簡(jiǎn)單，效果明顯，減少了工作量，降低了生產(chǎn)成本，因此在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改造現(xiàn)行工藝等方面具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和良好的實(shí)際應(yīng)用前景。DC-LSND技術(shù)對(duì)焊接應(yīng)力和變形控制的效果如圖1所示。

（2）活性焊劑技術(shù)

活性焊劑鎢極氬弧焊接技術(shù)（A-TIG）是飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)等研制應(yīng)具備的關(guān)鍵制造技術(shù)之一，其原理是焊前在工件表面涂上一層焊劑，然后進(jìn)行氬弧焊焊接，圖2為A-TIG焊接過(guò)程示意圖。

A-TIG焊與傳統(tǒng)TIG焊接工藝相比，焊接電弧的穿透能力顯著增強(qiáng)，熱輸入量、焊接變形及應(yīng)力減小，可以使焊縫深寬比達(dá)1∶1；焊接接頭綜合性能顯著提高，尤其對(duì)于鈦合金來(lái)說(shuō)，可以有效防止焊接氣孔；焊接相同規(guī)格的產(chǎn)品構(gòu)件時(shí)，在相同的焊接電流條件下，不用開(kāi)坡口或即使開(kāi)坡口，其堆焊層數(shù)明顯減少，能夠節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)力，焊接生產(chǎn)效率高，綜合性能好，而且不需要額外特殊的專(zhuān)用設(shè)備，可以成倍降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。中航工業(yè)制造所針對(duì)鈦合金、不銹鋼的A-TIG技術(shù)開(kāi)展了大量研究，擁有多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，并已將該技術(shù)成功應(yīng)用于飛機(jī)制造中。

（3）電弧超聲焊接技術(shù)

在保證鎢極氬弧焊質(zhì)量穩(wěn)定可靠的前提下，提高接頭性能的關(guān)鍵之一是有效解決組織粗大和不均勻性，改善焊接區(qū)組織。改善焊接區(qū)組織的途徑主要有：選擇填充材料、變質(zhì)劑、機(jī)械振動(dòng)、擺動(dòng)或振動(dòng)電弧、電磁攪拌、功率超聲、脈沖電流等。其中，在焊接過(guò)程中附加超聲或磁場(chǎng)等是改善焊接區(qū)組織的有效方法。針對(duì)傳統(tǒng)超聲波激發(fā)方式的局限以及焊接過(guò)程中超聲波導(dǎo)入困難，考慮到焊接電弧的變阻性負(fù)載特性，使自由電弧或等離子電弧受到外加高頻調(diào)制，從而激發(fā)電弧超聲，使作為加工熱源的電弧，同時(shí)又成為一種可控的超聲發(fā)射源。

中航工業(yè)制造所采用電弧超聲，成功實(shí)現(xiàn)了鈦合金的焊接，鈦合金電弧超聲TIG焊焊縫區(qū)組織較普通TIG焊焊縫區(qū)組織細(xì)小均勻，晶粒度可提高1級(jí)以上。尤其在采用連續(xù)調(diào)制電弧超聲方式焊接TC4合金時(shí)，焊縫區(qū)組織明顯細(xì)化。疲勞實(shí)驗(yàn)表明電弧超聲TIG焊比常規(guī)TIG焊的疲勞強(qiáng)度提高19%，這說(shuō)明電弧超聲優(yōu)化鈦合金焊接區(qū)組織有利于提高接頭疲勞性能。

接下來(lái)，以航空航天實(shí)際的薄壁構(gòu)件為例，說(shuō)明其焊接控制難點(diǎn)及控制方法等：

A. 鈦合金復(fù)雜薄壁筒形構(gòu)件焊接

復(fù)雜薄壁鈦合金筒形構(gòu)件是航空航天飛行器及其他武器裝備的一種典型構(gòu)件。由于鈦合金彈性模量較小而屈服強(qiáng)度較高，如果焊后殘余應(yīng)力水平相當(dāng)?shù)脑?huà)，鈦合金構(gòu)件的焊接變形會(huì)比一般鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)重些。鈦合金結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力和變形對(duì)結(jié)構(gòu)件的使用性能有非常大的影響。一是在殘余應(yīng)力的作用下，加快接頭區(qū)氫的擴(kuò)散，導(dǎo)致氫脆破壞；二是殘余應(yīng)力水平高，導(dǎo)致承載能力降低。由于焊接區(qū)晶粒組織粗大，殘余應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致接頭疲勞性能的降低和防腐蝕性能的降低。另一方面，焊接應(yīng)力和變形直接影響結(jié)構(gòu)件的下一道工序，如裝配、加工等，同時(shí)產(chǎn)生更大的裝配應(yīng)力使構(gòu)件產(chǎn)生新的應(yīng)力和變形分布，影響結(jié)構(gòu)件的性能。

薄壁筒形構(gòu)件的制造難點(diǎn)是：焊接變形的控制；尤其是殼體的波浪變形和接頭區(qū)的外凸失穩(wěn)變形；焊縫質(zhì)量要求高，航空航天殼體焊縫還要求很高的密封性。

薄壁容器的壁厚與直徑之比很小，壁厚和壁面曲率突變處有局部附加彎矩，造成局部應(yīng)力增高，因此設(shè)計(jì)與制造時(shí)應(yīng)盡量避免封頭與筒體間厚度和曲率突變，以降低應(yīng)力峰值。采用控制焊接工藝參數(shù)、選用合適焊接工裝、低應(yīng)力無(wú)變形焊接方法、焊后超聲等多種方法混合使用控制薄壁筒形構(gòu)件焊接變形、改善焊縫質(zhì)量，獲得合格產(chǎn)品。

B. 鋁合金復(fù)雜薄殼結(jié)構(gòu)焊接

背包、掛包是典型復(fù)雜薄壁鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，局部壁厚只有1.5mm，易變形，加工精度高，焊縫數(shù)量多，主殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制變形要求高，給焊接工裝設(shè)計(jì)和焊接操作帶來(lái)難度大，需采用必要的控制變形的工藝措施，如工藝凸臺(tái)和熱處理、一次裝夾、定位點(diǎn)焊、優(yōu)化焊接順序等措施。焊接背包、掛包滿(mǎn)足使用要求。

鎢極氬弧焊技術(shù)是復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)制造的重要方式之一，更多的航空航天薄壁結(jié)構(gòu)的使用給薄壁結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)提供了更廣闊的應(yīng)用舞臺(tái)，針對(duì)焊接全過(guò)程控制的新技術(shù)新方法仍大有可為。

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