航空航天薄壁結構鎢極氬弧焊技術

圖2 A-TIG焊接過程示意圖

圖1 動態低應力無變形焊接效果示意圖

中國航空報訊：在航空航天及艦船等武器裝備中，大量采用薄壁結構，例如：發動機的薄壁機匣結構、飛機的壁板和蒙皮結構、衛星返回艙、載人航天艙外服殼體結構、先進飛機的進氣道、運載火箭的儲箱結構、導彈的殼體結構、艦船的上層建筑結構等。作為一種低成本、高效率的焊接技術，鎢極氬弧焊是薄壁結構的重要制造方法之一，由薄壁結構氬弧焊所帶來的問題也越來越引起人們的關注。

航空航天薄壁構件由于其所用材料及結構的特殊性，其焊接技術難點在于以下三個方面：

一、焊接應力和變形問題

薄壁構件的焊接應力和變形十分復雜，焊接殘余應力主要有縱向應力和橫向應力，殘余變形可分為橫向收縮、縱向收縮、角變形、失穩翹曲變形等。由于薄壁構件本身的剛度小、穩定性差，甚至在很小的殘余應力作用下，構件就會產生局部翹曲和扭轉等比較明顯的失穩變形，因此，失穩變形是薄壁焊接構件的主要變形形式。焊接殘余應力和變形的存在可能導致一系列問題，如降低承載、防腐能力和疲勞性能；加快接頭區氫的擴散，導致氫脆破壞；產生新的裝配應力變形，導致裂紋；影響下一工序的加工，增大技術難度等等。在各類薄壁結構的焊接制造中，焊接應力和變形的控制與消除一直是制造過程中的關鍵技術，也直接影響到結構件的性能及武器裝備的性能。

二、材料焊接性問題

航空航天薄壁結構大量采用鈦合金、鋁合金等輕質材料，但這些材料通常具有活潑的化學性質。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、氮對鈦合金的機械性能具有嚴重的影響。因此，必須加強焊接過程的惰性氣體保護，預防氫、氧、氮等氣體進入焊縫，避免氣孔、裂紋等缺陷的產生。

三、焊接區的晶粒粗大問題

由于氬弧焊熱輸入較大，在焊接薄壁結構時，可能導致熔池及熱影響區的晶粒組織粗大，從而直接影響接頭的性能，尤其是疲勞性能。

針對航空航天薄壁結構的焊接特點，除了采用工藝參數優化、焊接工裝設計、焊后熱處理等方法，還可采用以下新技術解決上述難題：

（1）低應力無變形焊接方法。

中航工業制造所提出了薄板構件焊接應力變形控制專利技術——低應力無變形（low stress no distortion，LSND）焊接技術。

LSND焊接技術包括靜態控制與動態控制兩種。靜態LSND的核心原理是在焊接過程對焊縫背部通水冷卻的同時，對焊縫兩側實施加熱，采用雙支點加壓的方法防止工件在焊接溫度場作用下的瞬態失穩變形，保證有效的“溫差拉伸效應”始終跟隨焊接熱源。該方法由于受預置溫度場和專用夾具的限制，只適用于直線焊縫上的靜態控制。靜態LSND焊接法能將焊接變形和縱向殘余應力應變控制在很低的水平，從而減小工件的焊接變形。

在靜態LSND的基礎上，進一步發展成為動態控制低應力無變形DC-LSND（Dynamically Controlled Low Stress No Distortion）焊接技術，其采用緊跟焊接熱源的冷卻裝置（又稱“熱沉”）對焊縫降溫，從而實現失穩變形的控制。這種方法不僅適用于直線焊縫，對于航空復雜結構上常用的非直線（圓形、環形）和非規則焊縫也有適用性，而且工藝方法設備簡單，效果明顯，減少了工作量，降低了生產成本，因此在優化結構設計、提高產品質量、改造現行工藝等方面具有明顯的技術經濟效益和良好的實際應用前景。DC-LSND技術對焊接應力和變形控制的效果如圖1所示。

（2）活性焊劑技術

活性焊劑鎢極氬弧焊接技術（A-TIG）是飛機及發動機等研制應具備的關鍵制造技術之一，其原理是焊前在工件表面涂上一層焊劑，然后進行氬弧焊焊接，圖2為A-TIG焊接過程示意圖。

A-TIG焊與傳統TIG焊接工藝相比，焊接電弧的穿透能力顯著增強，熱輸入量、焊接變形及應力減小，可以使焊縫深寬比達1∶1；焊接接頭綜合性能顯著提高，尤其對于鈦合金來說，可以有效防止焊接氣孔；焊接相同規格的產品構件時，在相同的焊接電流條件下，不用開坡口或即使開坡口，其堆焊層數明顯減少，能夠節省大量的人力、物力、財力，焊接生產效率高，綜合性能好，而且不需要額外特殊的專用設備，可以成倍降低成本，提高產品質量。中航工業制造所針對鈦合金、不銹鋼的A-TIG技術開展了大量研究，擁有多項發明專利，并已將該技術成功應用于飛機制造中。

（3）電弧超聲焊接技術

在保證鎢極氬弧焊質量穩定可靠的前提下，提高接頭性能的關鍵之一是有效解決組織粗大和不均勻性，改善焊接區組織。改善焊接區組織的途徑主要有：選擇填充材料、變質劑、機械振動、擺動或振動電弧、電磁攪拌、功率超聲、脈沖電流等。其中，在焊接過程中附加超聲或磁場等是改善焊接區組織的有效方法。針對傳統超聲波激發方式的局限以及焊接過程中超聲波導入困難，考慮到焊接電弧的變阻性負載特性，使自由電弧或等離子電弧受到外加高頻調制，從而激發電弧超聲，使作為加工熱源的電弧，同時又成為一種可控的超聲發射源。

中航工業制造所采用電弧超聲，成功實現了鈦合金的焊接，鈦合金電弧超聲TIG焊焊縫區組織較普通TIG焊焊縫區組織細小均勻，晶粒度可提高1級以上。尤其在采用連續調制電弧超聲方式焊接TC4合金時，焊縫區組織明顯細化。疲勞實驗表明電弧超聲TIG焊比常規TIG焊的疲勞強度提高19%，這說明電弧超聲優化鈦合金焊接區組織有利于提高接頭疲勞性能。

接下來，以航空航天實際的薄壁構件為例，說明其焊接控制難點及控制方法等：

A. 鈦合金復雜薄壁筒形構件焊接

復雜薄壁鈦合金筒形構件是航空航天飛行器及其他武器裝備的一種典型構件。由于鈦合金彈性模量較小而屈服強度較高，如果焊后殘余應力水平相當的話，鈦合金構件的焊接變形會比一般鋼結構嚴重些。鈦合金結構的焊接應力和變形對結構件的使用性能有非常大的影響。一是在殘余應力的作用下，加快接頭區氫的擴散，導致氫脆破壞；二是殘余應力水平高，導致承載能力降低。由于焊接區晶粒組織粗大，殘余應力會進一步導致接頭疲勞性能的降低和防腐蝕性能的降低。另一方面，焊接應力和變形直接影響結構件的下一道工序，如裝配、加工等，同時產生更大的裝配應力使構件產生新的應力和變形分布，影響結構件的性能。

薄壁筒形構件的制造難點是：焊接變形的控制；尤其是殼體的波浪變形和接頭區的外凸失穩變形；焊縫質量要求高，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，造成局部應力增高，因此設計與制造時應盡量避免封頭與筒體間厚度和曲率突變，以降低應力峰值。采用控制焊接工藝參數、選用合適焊接工裝、低應力無變形焊接方法、焊后超聲等多種方法混合使用控制薄壁筒形構件焊接變形、改善焊縫質量，獲得合格產品。

B. 鋁合金復雜薄殼結構焊接

背包、掛包是典型復雜薄壁鋁合金焊接結構，局部壁厚只有1.5mm，易變形，加工精度高，焊縫數量多，主殼體結構復雜，控制變形要求高，給焊接工裝設計和焊接操作帶來難度大，需采用必要的控制變形的工藝措施，如工藝凸臺和熱處理、一次裝夾、定位點焊、優化焊接順序等措施。焊接背包、掛包滿足使用要求。

鎢極氬弧焊技術是復雜薄壁結構制造的重要方式之一，更多的航空航天薄壁結構的使用給薄壁結構焊接技術提供了更廣闊的應用舞臺，針對焊接全過程控制的新技術新方法仍大有可為。