航空航天薄壁结构钨极氩弧焊技能

图1 动态低应力无变形焊接效果示意图

中国航空报讯：在航空航天及舰船等武器装备中，大量采取薄壁构造，例如：发动机的薄壁机匣构造、飞机的壁板和蒙皮构造、卫星返回舱、载人航天舱外服壳体构造、前辈飞机的进气道、运载火箭的储箱构造、导弹的壳体构造、舰船的上层建筑构造等。
作为一种低本钱、高效率的焊接技能，钨极氩弧焊是薄壁构造的主要制造方法之一，由薄壁构造氩弧焊所带来的问题也越来越引起人们的关注。

航空航天薄壁构件由于其所用材料及构造的分外性，其焊接技能难点在于以下三个方面：

一、焊接应力和变形问题

薄壁构件的焊接应力和变形十分繁芜，焊接残余应力紧张有纵向应力和横向应力，残余变形可分为横向紧缩、纵向紧缩、角变形、失落稳翘曲变形等。
由于薄壁构件本身的刚度小、稳定性差，乃至在很小的残余应力浸染下，构件就会产生局部翘曲和旋转等比较明显的失落稳变形，因此，失落稳变形是薄壁焊接构件的紧张变形形式。
焊接残余应力和变形的存在可能导致一系列问题，如降落承载、防腐能力和疲倦性能；加快接头区氢的扩散，导致氢脆毁坏；产生新的装置应力变形，导致裂纹；影响下一工序的加工，增大技能难度等等。
在各种薄壁构造的焊接制造中，焊接应力和变形的掌握与肃清一贯是制造过程中的关键技能，也直接影响到构造件的性能及武器装备的性能。

二、材料焊接性问题

航空航天薄壁构造大量采取钛合金、铝合金等轻质材料，但这些材料常日具有活泼的化学性子。
以钛合金为例，随着温度的升高，钛合金接管氢、氧、氮的能力逐渐增加，氢、氧、氮对钛合金的机器性能具有严重的影响。
因此，必须加强焊接过程的惰性气体保护，预防氢、氧、氮等气体进入焊缝，避免气孔、裂纹等毛病的产生。

三、焊接区的晶粒粗大问题

由于氩弧焊热输入较大，在焊接薄壁构造时，可能导致熔池及热影响区的晶粒组织粗大，从而直接影响接头的性能，尤其是疲倦性能。

针对航空航天薄壁构造的焊接特点，除了采取工艺参数优化、焊接工装设计、焊后热处理等方法，还可采取以下新技能办理上述难题：

（1）低应力无变形焊接手法。

中航工业制造所提出了薄板构件焊接应力变形掌握专利技能——低应力无变形（low stress no distortion，LSND）焊接技能。

LSND焊接技能包括静态掌握与动态掌握两种。
静态LSND的核心事理是在焊接过程对焊缝背部通水冷却的同时，对焊缝两侧履行加热，采取双支点加压的方法防止工件在焊接温度场浸染下的瞬态失落稳变形，担保有效的“温差拉伸效应”始终跟随焊接热源。
该方法由于受预置温度场和专用夹具的限定，只适用于直线焊缝上的静态掌握。
静态LSND焊接法能将焊接变形和纵向残余应力应变掌握在很低的水平，从而减小工件的焊接变形。

在静态LSND的根本上，进一步发展成为动态掌握低应力无变形DC-LSND（Dynamically Controlled Low Stress No Distortion）焊接技能，其采取紧跟焊接热源的冷却装置（又称“热沉”）对焊缝降温，从而实现失落稳变形的掌握。
这种方法不仅适用于直线焊缝，对付航空繁芜构造上常用的非直线（圆形、环形）和非规则焊缝也有适用性，而且工艺方法设备大略，效果明显，减少了事情量，降落了生产本钱，因此在优化构造设计、提高产品质量、改造现行工艺等方面具有明显的技能经济效益和良好的实际运用前景。
DC-LSND技能对焊接应力和变形掌握的效果如图1所示。

（2）活性焊剂技能

活性焊剂钨极氩弧焊接技能（A-TIG）是飞机及发动机等研制应具备的关键制造技能之一，其事理是焊前在工件表面涂上一层焊剂，然后进行氩弧焊焊接，图2为A-TIG焊接过程示意图。

A-TIG焊与传统TIG焊接工艺比较，焊接电弧的穿透能力显著增强，热输入量、焊接变形及应力减小，可以使焊缝深宽比达1∶1；焊接接头综合性能显著提高，尤其对付钛合金来说，可以有效防止焊接气孔；焊接相同规格的产品构件时，在相同的焊接电流条件下，不用开坡口或纵然开坡口，其堆焊层数明显减少，能够节省大量的人力、物力、财力，焊接生产效率高，综合性能好，而且不须要额外分外的专用设备，可以成倍降落本钱，提高产品质量。
中航工业制造所针对钛合金、不锈钢的A-TIG技能开展了大量研究，拥有多项发明专利，并已将该技能成功运用于飞机制造中。

（3）电弧超声焊接技能

在担保钨极氩弧焊质量稳定可靠的条件下，提高接头性能的关键之一是有效办理组织粗大和不屈均性，改进焊接区组织。
改进焊接区组织的路子紧张有：选择添补材料、变质剂、机器振动、摆动或振动电弧、电磁搅拌、功率超声、脉冲电流等。
个中，在焊接过程中附加超声或磁场等是改进焊接区组织的有效方法。
针对传统超声波引发办法的局限以及焊接过程中超声波导入困难，考虑到焊接电弧的变阻性负载特性，使自由电弧或等离子电弧受到外加高频调制，从而引发电弧超声，使作为加工热源的电弧，同时又成为一种可控的超声发射源。

中航工业制造所采取电弧超声，成功实现了钛合金的焊接，钛合金电弧超声TIG焊焊缝区组织较普通TIG焊焊缝区组织眇小均匀，晶粒度可提高1级以上。
尤其在采取连续调制电弧超声办法焊接TC4合金时，焊缝区组织明显细化。
疲倦实验表明电弧超声TIG焊比常规TIG焊的疲倦强度提高19%，这解释电弧超声优化钛合金焊接区组织有利于提高接头疲倦性能。

接下来，以航空航天实际的薄壁构件为例，解释其焊接掌握难点及掌握方法等：

A. 钛合金繁芜薄壁筒形构件焊接

繁芜薄壁钛合金筒形构件是航空航天翱翔器及其他武器装备的一种范例构件。
由于钛合金弹性模量较小而屈从强度较高，如果焊后残余应力水平相称的话，钛合金构件的焊接变形会比一样平常钢构造严重些。
钛合金构造的焊接应力和变形对构造件的利用性能有非常大的影响。
一是在残余应力的浸染下，加快接头区氢的扩散，导致氢脆毁坏；二是残余应力水平高，导致承载能力降落。
由于焊接区晶粒组织粗大，残余应力会进一步导致接头疲倦性能的降落和防堕落性能的降落。
另一方面，焊接应力和变形直接影响构造件的下一道工序，如装置、加工等，同时产生更大的装置应力使构件产生新的应力和变形分布，影响构造件的性能。

薄壁筒形构件的制造难点是：焊接变形的掌握；尤其是壳体的波浪变形和接头区的外凸失落稳变形；焊缝质量哀求高，航空航天壳体焊缝还哀求很高的密封性。

薄壁容器的壁厚与直径之比很小，壁厚和壁面曲率突变处有局部附加弯矩，造成局部应力增高，因此设计与制造时应只管即便避免封头与筒体间厚度和曲率突变，以降落应力峰值。
采取掌握焊接工艺参数、选用得当焊接工装、低应力无变形焊接手法、焊后超声等多种方法稠浊利用掌握薄壁筒形构件焊接变形、改进焊缝质量，得到合格产品。

B. 铝合金繁芜薄壳构造焊接

背包、挂包是范例繁芜薄壁铝合金焊接构造，局部壁厚只有1.5mm，易变形，加工精度高，焊缝数量多，主壳体构造繁芜，掌握变形哀求高，给焊接工装设计和焊接操作带来难度大，需采取必要的掌握变形的工艺方法，如工艺凸台和热处理、一次装夹、定位点焊、优化焊接顺序等方法。
焊接背包、挂包知足利用哀求。

钨极氩弧焊技能是繁芜薄壁构造制造的主要办法之一，更多的航空航天薄壁构造的利用给薄壁构造焊接技能供应了更广阔的运用舞台，针对焊接全过程掌握的新技能新方法仍大有可为。