目前，節(jié)能、輕量化是工業(yè)生產(chǎn)中一種發(fā)展趨勢(shì)[1]，在航空航天中，減重對(duì)于航天器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用非常重要，而在航天器結(jié)構(gòu)中，金屬結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不等厚板的焊接非常重要。不等厚板焊接過程中，在焊縫部位容易產(chǎn)生剛度變化和變形不協(xié)調(diào)，從而容易出現(xiàn)應(yīng)力集中[2];焊接接頭的強(qiáng)度取決于焊縫形式和焊接工藝，影響焊接接頭質(zhì)量好壞，主要依靠焊縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接參數(shù)。鋁合金具有比強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好，耐腐蝕，機(jī)械加工性能以及可再生性較好，資源豐富等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為理想的輕量化材料[3]。5A06鋁合金是非熱處理強(qiáng)化鋁合金，屬于AL-Mg系的典型合金，其擁有較好的焊接性和抗腐蝕性能，被廣泛用于航天中飛行器的主要金屬材料中，5A06鋁合金薄板的焊接常采用鎢極氬弧焊工藝焊接;研究其焊接參數(shù)以及結(jié)構(gòu)對(duì)不等厚板的焊接生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

　　

 

　　1焊接溫度場(chǎng)

　　焊接時(shí)未發(fā)生熔化的母材部位，在焊接熱循環(huán)條件下，其不同部位受到不同的熱影響，相當(dāng)于經(jīng)歷不同的特殊熱處理，其組織和性能均發(fā)生不同于母材的變化，這部分母材稱為熱影響區(qū)[4]。焊接熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)域在焊接過程中的焊接熱循環(huán)如圖1所示。由圖1可以知道，焊接時(shí)母材的溫度場(chǎng)分布極不均勻，離焊縫越近的部位，其加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越高;反之，離焊縫越遠(yuǎn)的部位，加熱速度越低，峰值溫度越低，冷卻速度也越低。不等厚板的焊接熱循環(huán)有著傳統(tǒng)的普遍特點(diǎn)，也有著其自身的特點(diǎn)，因?yàn)楹附咏宇^的母材板厚具有差異，厚板傳熱較快，需要更大的熱輸入，薄板傳熱慢，需要較小的熱輸入，所以在焊接過程中，電弧需要分配不同的，這就對(duì)焊接時(shí)電弧的位置有嚴(yán)格的要求。焊接時(shí)的局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的決定因素。焊接是一種局部加熱的過程，而且熱源高度集中，所以焊接應(yīng)力和焊接變形是不可避免的，尤其是在不等厚板之間的焊接中，但殘余變形和殘余應(yīng)力是可以通過采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧﹣碚{(diào)整和控制的，如可減小熱輸入、選擇合理的焊接順序、加以適當(dāng)拘束等。焊件在焊接過程中會(huì)發(fā)生一定程度的宏觀變形，不僅影響到焊接質(zhì)量，通常還導(dǎo)致焊接過程的中斷。尤其對(duì)于薄板構(gòu)件的自動(dòng)焊，若焊接時(shí)不加以加持固定，相對(duì)弧長會(huì)不斷變化，甚至發(fā)生短路現(xiàn)象，使焊接無法進(jìn)行，薄板焊接也容易出現(xiàn)波浪變形以及失穩(wěn)。因此實(shí)際構(gòu)件多數(shù)情況下都是在受約束的狀態(tài)下進(jìn)行焊接的。

　　2不等厚板焊接材料的熔化特性

　　不等厚板的焊接分為填充焊絲和不填充焊絲2種。無填充焊絲時(shí)，不等厚板焊接的填充模型，分為有間隙和無間隙2種。當(dāng)有間隙存在時(shí)，主要靠厚板的熔化向薄板過渡來填充間隙，假定厚板的熔化量正好填充間隙，焊縫成理想的梯形，從而得到近似的最大適應(yīng)間隙，如圖2所示;當(dāng)不存在間隙時(shí)，焊接電弧應(yīng)向薄板一側(cè)稍微偏移，增加薄板一側(cè)的熱輸入，因?yàn)椴恍枰�熔化更多的厚板金屬來填充焊縫。當(dāng)填充焊絲時(shí)，填充金屬不完全依靠厚板熔化，而是焊絲和厚板熔化一起充當(dāng)焊縫的補(bǔ)充金屬，這樣相對(duì)來說焊縫金屬對(duì)厚板的依靠減小，填縫機(jī)理如圖3所示。由圖3可見，相同焊接工藝參數(shù)下焊接電弧比不填充焊絲時(shí)要偏向薄板，因?yàn)橐环矫嫘枰�電弧一部分能量來熔化填充焊絲，一方面減少厚板母材的熔化，以免焊縫余高增加，應(yīng)力變大。

　　3鋁合金不同薄厚板對(duì)接接頭形式及焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

　　如圖4所示，厚度不同的兩工件之間的對(duì)接接頭，有多種方法可使焊接接頭中的應(yīng)力流變平滑，圖4中下方的對(duì)接形式有2個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)，一個(gè)位于角焊縫趾部，另一個(gè)位于未焊透的根部，右側(cè)的接頭是一個(gè)較好的解決方案，這種接頭具有相對(duì)平滑的應(yīng)力流，在底部的接頭也具有相對(duì)平滑的應(yīng)力流，而且焊接成本較低，因?yàn)樗�需要減少填充金屬[5]。最左側(cè)的接頭形式從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說是最好的，可是填充金屬多，成本較高，厚板一側(cè)需要加工，工序復(fù)雜。傳統(tǒng)的焊接接頭采用開坡口，加工復(fù)雜，工序較多，浪費(fèi)材料。本次試驗(yàn)主要對(duì)不開坡口的對(duì)接形式進(jìn)行試驗(yàn)，這種形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省材料，加工簡(jiǎn)單。試驗(yàn)材料為航天中常用材料5A06板材。

　　3.1不同電弧作用位置對(duì)焊縫成形的影響

　　試驗(yàn)采用2種焊接位置形式，如圖5所示，位置形式1是焊接電流作用于厚板和薄板之間，電弧作用在厚板和薄板的對(duì)接接頭中心;位置形式2是焊接電弧作用于對(duì)接接頭兩側(cè)，但是偏重點(diǎn)不一樣，大的熱輸入作用在厚板一側(cè)，小的熱輸入作用在薄板一側(cè)。焊接試驗(yàn)結(jié)果表明:采用圖5中電弧位置形式1時(shí)，焊縫表面成形極不均勻，如果控制熱輸入可使薄板一側(cè)完全焊透，而厚板一側(cè)則會(huì)出現(xiàn)未焊透缺陷，會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大降低;如果熱輸入足夠大，使厚板一側(cè)熔化，則薄板一側(cè)會(huì)出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象，不利于接頭成形;采用圖5的電弧位置形式2時(shí)，焊縫表面成形較為均勻，焊縫外觀表面成形光滑，控制好熱輸入的情況下，可以形成較好的焊接接頭。圖6為位置形式2所得到的焊接接頭形式。

　　3.2不同焊接送絲角度對(duì)焊縫成形的影響

　　鎢極氬弧焊焊接電極產(chǎn)生的熱量不僅用于母材的熔化，對(duì)于填充金屬焊絲的焊接來說，也是焊絲熔化的熱源，在填絲焊過程中，不同的送絲角度會(huì)影響焊絲的加熱和填充，從而影響焊縫的成形。試驗(yàn)采用5°，30°，60°3種角度進(jìn)行焊接，結(jié)果為:當(dāng)送絲角度為5°時(shí)，焊絲受到電弧加熱區(qū)域較小，對(duì)焊絲的加熱不充分，隨著焊絲繼續(xù)送進(jìn)，當(dāng)焊絲熔化形成熔滴時(shí)，焊絲已經(jīng)送到了超過熔池中心的部位，當(dāng)熔滴滴下的時(shí)候到達(dá)不了焊縫中心，使得焊接接頭成形不良;當(dāng)焊絲以30°的角度送進(jìn)時(shí)，焊絲可以在電弧區(qū)域受到充分地加熱，焊絲熔化所形成的熔滴可以很好地進(jìn)到熔池中，穩(wěn)定而有效地過渡，能夠形成有效的焊接接頭。當(dāng)焊絲以60°的送絲角度被送到電弧區(qū)域時(shí)，焊絲在送進(jìn)過程中受到的加熱作用較大而發(fā)生提前軟化，加上正面保護(hù)氣的吹送，使得焊絲在電弧邊緣處發(fā)生彎折，熔化焊絲被吹到熔池的邊緣至母材上，不能實(shí)現(xiàn)有效和穩(wěn)定的熔滴過渡。由此可見，送絲角度較大時(shí)，焊絲進(jìn)入電弧內(nèi)部的長度過長，電弧對(duì)焊絲的加熱作用很大，造成焊絲在電弧邊緣彎折，從而導(dǎo)致送絲過程中的失敗;送絲角度很小時(shí)，焊絲進(jìn)去電弧不充分，熔滴過渡不穩(wěn)定;當(dāng)以30°左右的角度送絲時(shí)，焊絲進(jìn)去電弧的長度適中，同時(shí)熔滴過渡穩(wěn)定，故該角度是合適的送絲角度。不等厚鋁合金板材對(duì)接，焊絲角度不僅要滿足30°，而且焊絲的填充方向也必須從薄板一側(cè)向厚板一側(cè)送進(jìn)，如圖7所示。圖7中不等厚板焊接工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅可以完全把厚板熔透，也可以避免薄板一側(cè)被焊穿，滿足了薄厚板焊接的要求，除此之外，由于此設(shè)計(jì)不開坡口，故厚板一側(cè)金屬在焊接過程中起到填充焊絲的作用，這樣也可以減少焊絲的填充量，從而降低了成本。

　　3.3不同焊接送絲速度對(duì)焊縫成形的影響

　　焊接速度在焊接過程中會(huì)影響焊縫余高和焊縫背面成形，隨著送絲速度的提高，送進(jìn)的焊絲對(duì)母材表面的下塌量有所改善，甚至在較高的送絲速度下薄板一側(cè)填充量較大，厚板熔化的金屬對(duì)薄板填充較小，余高增加，由于送絲速度過快，焊接能量不變，焊絲熔化帶走了一部分能量，從而減小了薄板一側(cè)電弧對(duì)母材的能量輸出，所以焊接背面成形不好。送絲速度選用50，55，60，65，70，75m�Nh，從焊接結(jié)果來看，50m�Nh時(shí)，焊接填充焊絲熔化量較小，焊縫填充不飽滿，焊接薄板一側(cè)焊縫成形較差;當(dāng)送絲速度達(dá)到75m�Nh時(shí)，焊絲填充量增多，焊縫表面成形較好，但是焊縫余高增加，不利于焊后使用，余高增大勢(shì)必增大殘余應(yīng)力;當(dāng)送絲速度在60～70m�Nh范圍內(nèi)，焊縫成形較好，所以送絲速度應(yīng)該保持在60～70m�Nh。

　　3.4焊接電流對(duì)焊接接頭成形的影響

　　焊接電流大小對(duì)焊絲熔化速度、母材熔深、焊縫內(nèi)在質(zhì)量、焊接接頭的性能和生產(chǎn)效率有著重要的影響。焊接電流太大，容易在母材金屬兩側(cè)產(chǎn)生咬邊，甚至燒穿;焊接電流過小，則母材金屬未充分加熱，容易造成夾渣和未焊透等缺陷，正常情況下，焊接電流大，則熔深大;焊接電流小，則熔深小。薄厚板焊接時(shí)，焊接電流過大，薄板容易燒穿;焊接電流過小，厚板母材不能充分過渡到薄板一側(cè)，出現(xiàn)焊接不均勻。試驗(yàn)采用1mm+3mm，1.5mm+3mm，2mm+3mm3種焊接板厚對(duì)接。在相同的焊接工藝參數(shù)下，調(diào)整焊接電流，焊接電流調(diào)節(jié)范圍為80～180A，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，隨著薄板厚度的增加，焊接電流變大，薄板每增加0.5mm，焊接電流增大25A左右，如果焊接電流過小則焊不透，焊接電流過大，薄板被燒穿。

　　4結(jié)論

　　文中基于傳統(tǒng)不等厚板的焊接理論，對(duì)鋁合金不等厚板采用不開坡口的接頭形式進(jìn)行焊接，研究鋁合金鎢極氬弧焊的焊接位置、送絲角度和送絲速度以及焊接電流對(duì)不等厚板焊縫成形的影響，焊接時(shí)鎢極應(yīng)對(duì)準(zhǔn)焊縫偏向厚板一側(cè);送絲角度保持在與薄板平面成30°位置;送絲方向指向薄板一側(cè)，焊絲始終維持在薄板母材上方;根據(jù)板厚差決定焊接電流的大小。

　　參考文獻(xiàn):

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　　[2]李俐群，張新戈，戴景民.不等厚板雙光束激光焊接研究[J].應(yīng)用激光，2010，30(6):474-478.

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　　[4]賈安東.焊接結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)[M].2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

　　[5](美)霍爾德B卡里，(美)斯科特C黑爾策.現(xiàn)代焊接技術(shù)[M].6版.陳茂愛，王新洪，陳俊華，等譯，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

　　《鋁合金不等厚板對(duì)接焊接工藝研究》來源：《焊接技術(shù)》，作者：苑博 劉巖 張又升 毛雷 李明偉 楊波