航空航天薄壁结构钨极氩弧焊技术

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图2 A-TIG焊接过程示意图

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，大量采用薄壁结构，例如：发动机的薄壁机匣结构、飞机的壁板和蒙皮结构、卫星返回舱、载人航天舱外服壳体结构、先进飞机的进气道、运载火箭的储箱结构、导弹的壳体结构、舰船的上层建筑结构等。作为一种低成本、高效率的焊接技术，钨极氩弧焊是薄壁结构的重要制造方法之一，由薄壁结构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结构的特殊性，其焊接技术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复杂，焊接残余应力主要有纵向应力和横向应力，残余变形可分为横向收缩、纵向收缩、角变形、失稳翘曲变形等。由于薄壁构件本身的刚度小、稳定性差，甚至在很小的残余应力作用下，构件就会产生局部翘曲和扭转等比较明显的失稳变形，因此，失稳变形是薄壁焊接构件的主要变形形式。焊接残余应力和变形的存在可能导致一系列问题，如降低承载、防腐能力和疲劳性能；加快接头区氢的扩散，导致氢脆破坏；产生新的装配应力变形，导致裂纹；影响下一工序的加工，增大技术难度等等。在各类薄壁结构的焊接制造中，焊接应力和变形的控制与消除一直是制造过程中的关键技术，也直接影响到结构件的性能及武器装备的性能。

二、材料焊接性问题

航空航天薄壁结构大量采用钛合金、铝合金等轻质材料，但这些材料通常具有活泼的化学性质。以钛合金为例，随着温度的升高，钛合金吸收氢、氧、氮的能力逐渐增加，氢、氧、氮对钛合金的机械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、裂纹等缺陷的产生。

三、焊接区的晶粒粗大问题

由于氩弧焊热输入较大，在焊接薄壁结构时，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，尤其是疲劳性能。

针对航空航天薄壁结构的焊接特点，除了采用工艺参数优化、焊接工装设计、焊后热处理等方法，还可采用以下新技术解决上述难题：

（1）低应力无变形焊接方法。

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

LSND焊接技术包括静态控制与动态控制两种。静态LSND的核心原理是在焊接过程对焊缝背部通水冷却的同时，对焊缝两侧实施加热，采用双支点加压的方法防止工件在焊接温度场作用下的瞬态失稳变形，保证有效的“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制，只适用于直线焊缝上的静态控制。静态LSND焊接法能将焊接变形和纵向残余应力应变控制在很低的水平，从而减小工件的焊接变形。

在静态LSND的基础上，进一步发展成为动态控制低应力无变形DC-LSND（Dynamically Controlled Low Stress No Distortion）焊接技术，其采用紧跟焊接热源的冷却装置（又称“热沉”）对焊缝降温，从而实现失稳变形的控制。这种方法不仅适用于直线焊缝，对于航空复杂结构上常用的非直线（圆形、环形）和非规则焊缝也有适用性，而且工艺方法设备简单，效果明显，减少了工作量，降低了生产成本，因此在优化结构设计、提高产品质量、改造现行工艺等方面具有明显的技术经济效益和良好的实际应用前景。DC-LSND技术对焊接应力和变形控制的效果如图1所示。

（2）活性焊剂技术

活性焊剂钨极氩弧焊接技术（A-TIG）是飞机及发动机等研制应具备的关键制造技术之一，其原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焊接工艺相比，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，尤其对于钛合金来说，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，不用开坡口或即使开坡口，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，而且不需要额外特殊的专用设备，可以成倍降低成本，提高产品质量。中航工业制造所针对钛合金、不锈钢的A-TIG技术开展了大量研究，拥有多项发明专利，并已将该技术成功应用于飞机制造中。

（3）电弧超声焊接技术

在保证钨极氩弧焊质量稳定可靠的前提下，提高接头性能的关键之一是有效解决组织粗大和不均匀性，改善焊接区组织。改善焊接区组织的途径主要有：选择填充材料、变质剂、机械振动、摆动或振动电弧、电磁搅拌、功率超声、脉冲电流等。其中，在焊接过程中附加超声或磁场等是改善焊接区组织的有效方法。针对传统超声波激发方式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，从而激发电弧超声，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。

中航工业制造所采用电弧超声，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焊焊缝区组织细小均匀，晶粒度可提高1级以上。尤其在采用连续调制电弧超声方式焊接TC4合金时，焊缝区组织明显细化。疲劳实验表明电弧超声TIG焊比常规TIG焊的疲劳强度提高19%，这说明电弧超声优化钛合金焊接区组织有利于提高接头疲劳性能。

接下来，以航空航天实际的薄壁构件为例，说明其焊接控制难点及控制方法等：

A. 钛合金复杂薄壁筒形构件焊接

复杂薄壁钛合金筒形构件是航空航天飞行器及其他武器装备的一种典型构件。由于钛合金弹性模量较小而屈服强度较高，如果焊后残余应力水平相当的话，钛合金构件的焊接变形会比一般钢结构严重些。钛合金结构的焊接应力和变形对结构件的使用性能有非常大的影响。一是在残余应力的作用下，加快接头区氢的扩散，导致氢脆破坏；二是残余应力水平高，导致承载能力降低。由于焊接区晶粒组织粗大，残余应力会进一步导致接头疲劳性能的降低和防腐蚀性能的降低。另一方面，焊接应力和变形直接影响结构件的下一道工序，如装配、加工等，同时产生更大的装配应力使构件产生新的应力和变形分布，影响结构件的性能。

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

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尽量避免封头与筒体间厚度和曲率突变，以降低应力峰值。采用控制焊接工艺参数、选用合适焊接工装、低应力无变形焊接方法、焊后超声等多种方法混合使用控制薄壁筒形构件焊接变形、改善焊缝质量，获得合格产品。

B. 铝合金复杂薄壳结构焊接

背包、挂包是典型复杂薄壁铝合金焊接结构，局部壁厚只有1.5mm，易变形，加工精度高，焊缝数量多，主壳体结构复杂，控制变形要求高，给焊接工装设计和焊接操作带来难度大，需采用必要的控制变形的工艺措施，如工艺凸台和热处理、一次装夹、定位点焊、优化焊接顺序等措施。焊接背包、挂包满足使用要求。

钨极氩弧焊技术是复杂薄壁结构制造的重要方式之一，更多的航空航天薄壁结构的使用给薄壁结构焊接技术提供了更广阔的应用舞台，针对焊接全过程控制的新技术新方法仍大有可为。