高艷芳，廖傳清，萬駿，高嘉爽，于彬，夏文吉

(上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245)

0 前言

鋁合金具有比剛度高、比強(qiáng)度大、密度小、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種加工制造領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最廣的輕金屬之一[1-4]。鋁合金聯(lián)裝架由上架和底架通過快卸式連接螺栓緊固而成為一個(gè)剛性封閉框架，被廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域的導(dǎo)彈(含筒或箱)裝填和發(fā)射。上架和底架主體框架均由鋁合金管材和板材焊接而成，外形尺寸較大，焊接方式為氬弧焊，焊接接頭形式多為角焊縫或平焊縫，焊縫數(shù)量較多。鋁合金聯(lián)裝架類產(chǎn)品所允許的焊接變形量較小，以保證架體滑軌安裝面和上架/底架接口有足夠的機(jī)械加工余量，最終確保導(dǎo)彈(含筒或箱)在架體內(nèi)部的順暢滑動(dòng)和導(dǎo)彈發(fā)射車托架中軸線與架體中軸線的同軸精度，焊接變形控制難度較大。

國內(nèi)外對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件焊接工藝進(jìn)行了大量研究，王立夫等人[5]進(jìn)行了某型動(dòng)車組鋁合金車體底架的焊接變形控制研究，結(jié)果表明焊接施加反變形和合理的焊接順序是焊接變形控制的主要措施；唐衡郴等人[6]通過優(yōu)化焊接參數(shù)、調(diào)整焊接順序、提高裝配質(zhì)量、預(yù)制反變形、局部剛性固定、斜對(duì)角線分段退焊法及嚴(yán)格規(guī)范操作等方法，有效提高了鋁合金地鐵底架的焊接質(zhì)量；楊興亮[7]通過模塊化焊接和焊接工裝的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法降低了鋁合金電塔塔架的焊接變形量；Chandra等人[8]進(jìn)行了大型鋁合金托盤焊縫失效分析，結(jié)果表明高孔隙率和凝固裂紋是造成焊縫失效的主要原因。然而，對(duì)鋁合金聯(lián)裝架類產(chǎn)品的焊接工藝研究，特別是焊接變形控制研究，還鮮有報(bào)道。

文中通過焊接組件配對(duì)優(yōu)化、焊接變形預(yù)判、焊接變形控制工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)、零件焊接收縮余量預(yù)留、焊后熱處理過程控制等方式，進(jìn)行鋁合金聯(lián)裝架焊接變形控制研究，控制焊接變形量和焊縫質(zhì)量，以期獲得外形尺寸和焊縫質(zhì)量均滿足要求的產(chǎn)品，為鋁合金聯(lián)裝架類產(chǎn)品的焊接變形控制提供借鑒。

1 焊接變形控制工藝及過程

1.1 焊接組件配對(duì)優(yōu)化

鋁合金聯(lián)裝架主體結(jié)構(gòu)由5A06鋁合金管材和板材拼焊而成，包括上架和底架2個(gè)大焊接組件，屬于大型架類焊接結(jié)構(gòu)。文中將聯(lián)裝架結(jié)構(gòu)進(jìn)行配對(duì)優(yōu)化，以3個(gè)上架/底架支撐框配對(duì)組件為基本骨架搭建整架的其余各零組件。焊接過程中，分別進(jìn)行上架前支撐框/底架前支撐框、上架中支撐框/底架中支撐框、上架后支撐框/底架后支撐框的配對(duì)裝配和焊接，然后以上架的前支撐框、中支撐框和后支撐框?yàn)榛竟羌艽罱úⅫc(diǎn)焊固定上架各零組件，同樣以底架前支撐框、中支撐框和后支撐框?yàn)榛竟羌艽罱úⅫc(diǎn)焊固定底架各零組件，如圖1所示，然后進(jìn)行上架和底架配對(duì)裝配和焊接。一方面，配對(duì)裝配和焊接可使配對(duì)的工件互為剛性約束，控制焊接變形；另一方面，以支撐框?yàn)榛竟羌苎b焊各零組件可簡化裝配流程的同時(shí)增加零組件的裝配約束。

圖1 聯(lián)裝架焊接流程示意圖

1.2 焊接變形預(yù)判

基于SYSWELD系統(tǒng)，分別選取支撐框配對(duì)組件中間區(qū)域和側(cè)邊彈位的前半部分作為典型結(jié)構(gòu)件(如圖2所示典型結(jié)構(gòu)件1和典型結(jié)構(gòu)件2)進(jìn)行焊接變形模擬，以分別表征支撐框配對(duì)焊接和整架配對(duì)焊接過程中的焊接變形趨勢(shì)。

圖2 聯(lián)裝架產(chǎn)品示意圖

模擬計(jì)算結(jié)果分別如圖3和4所示。由圖3(XY視圖放大5倍)[9]可知，典型結(jié)構(gòu)件1的最大變形量為6.45 mm，且整體變形主要表現(xiàn)為兩根長矩形管向內(nèi)凹。由圖4(XZ視圖放大10倍)[9]可知，典型結(jié)構(gòu)件2的最大變形在上部兩根長矩形管中央，最大變形量約為5.21 mm，整體變形趨勢(shì)主要表現(xiàn)為典型結(jié)構(gòu)件2向內(nèi)凹。后續(xù)焊接變形控制工裝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮在焊接變形較大的區(qū)域設(shè)置剛性約束。

圖3 典型結(jié)構(gòu)件1焊后整體變形云圖

圖4 典型結(jié)構(gòu)件2焊后變形云圖

1.3 焊接變形控制工裝優(yōu)化設(shè)計(jì)

焊接變形控制工裝包括支撐框焊接變形控制工裝和整架焊接變形控制工裝。焊接過程中，分別采用支撐框焊接變形控制工裝和整架焊接變形控制工裝進(jìn)行支撐框的配對(duì)裝焊和上架/底架的配對(duì)裝焊。其中，支撐框焊接變形控制工裝為可拆卸工裝，如圖5所示，主要由壓緊平臺(tái)、鎖緊螺桿、快卸式螺栓組件、壓板組件、頂板、頂板固定座、限位板1、限位板2等組成。其中，壓緊平臺(tái)為鑄鐵件加工而成，以保證支撐框焊接變形控制工裝的整體剛性；限位板1和限位板2裝配于壓緊平臺(tái)后進(jìn)行限位面的整體機(jī)械加工，確保彈位開檔尺寸公差要求。另外，根據(jù)前支撐框的焊縫位置，在壓緊平臺(tái)上預(yù)留支撐框壓緊面焊縫的焊接操作窗口，如圖5中的方線框所示。

圖5 支撐框焊接變形控制工裝示意圖

支撐框焊接變形控制工裝的使用過程如圖6所示，以限位板1和限位板2為靠山，以鎖緊螺桿帶動(dòng)頂板頂緊支撐框零件使其緊靠擋板，確保支撐框配對(duì)裝焊過程中有剛性約束以控制焊接變形，特別是針對(duì)圖3所示的變形較大的長矩形管有兩個(gè)限位板進(jìn)行剛性約束。然后用壓板組件對(duì)支撐框零件施加Z軸方向的剛性約束，最后用快卸式連接螺栓組件緊固支撐框槽口。

圖6 支撐框焊接變形控制工裝使用示意圖

整架焊接變形控制工裝主要包括4 m×4 m的鑄鐵裝焊平臺(tái)、壓板組件(同支撐框焊接變形控制工裝)、墊塊(100 mm×50 mm×30 mm鋼板)、快卸式連接螺栓組件(同支撐框焊接變形控制工裝)和可伸縮的撐桿。其中，可伸縮的撐桿包括3種規(guī)格以適應(yīng)所支撐區(qū)域的開檔尺寸變化，工裝使用過程中，將底架底部用墊塊墊高后壓緊固定于裝焊平臺(tái)上，3種規(guī)格的撐桿分別裝配于中間彈位、兩側(cè)彈位、長矩形管Z軸開檔區(qū)域(即圖4中焊接變形量較大的長矩形管區(qū)域)，如圖7所示。

圖7 整架焊接變形控制工裝使用示意圖

1.4 零件焊接余量預(yù)留

聯(lián)裝架焊接母材為5A06鋁合金，其焊接收縮量大于鋼材，特別是管-管或管-板焊接過程。如焊接過程中的焊接收縮量得不到有效彌補(bǔ)，將在焊縫處存在較大的收縮應(yīng)力，進(jìn)而加劇焊接變形。文中通過大量管-管焊接試件和管-板焊接試件探索焊接收縮量，如圖8所示，其中管材和板材尺寸分別為100 mm×60mm×5 mm和150 mm×150 mm×20 mm，管材端部開 制30°的單側(cè)V形焊接坡口、留根1 mm，裝配間隙為0.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，每條管-管對(duì)接焊縫的平均焊縫收縮量為1.5 mm(即焊接前后工件長度方向的尺寸變化量)，每條管-管角接焊縫的平均焊縫收縮量為1 mm，每條管-板角接焊縫的平均焊縫收縮量為1 mm。然后，依此結(jié)果并結(jié)合零件(構(gòu)成聯(lián)裝架主體結(jié)構(gòu)的管材零件)的焊縫數(shù)量折算零件長度方向上的焊接收縮預(yù)留量。

圖8 焊接收縮量試件示意圖

1.5 焊后熱處理過程控制

上架和底架配對(duì)裝焊過程中采用的焊接平臺(tái)外形尺寸較大且重量較重，不利于頻繁進(jìn)出爐膛和過程轉(zhuǎn)運(yùn)，需在爐膛內(nèi)配置專用退火平臺(tái)。焊后退火去應(yīng)力前，將上架和底架配對(duì)裝配，將上架上表面墊實(shí)壓緊固定于退火平臺(tái)上，如圖9所示，并根據(jù)上架上表面的平面度測(cè)量結(jié)果局部調(diào)整墊板的厚度。一般情況下，需在上架上表面向外凸起處增加墊板厚度，墊板的增厚量(Δh)一般為凸起量的1.2～1.3倍，以起到反變形控制的作用。然后，在裝填彈位開檔處和整架上架/底架開檔處均裝配撐桿，如圖9所示，以確保退火去應(yīng)力過程中整架有一定程度的剛性約束。

2 焊接變形控制結(jié)果

按照上述工藝方法及過程制造了2件聯(lián)裝架。焊接變形控制過程大致包括：在構(gòu)成架體主體框架的鋁合金管材零件的長度方向預(yù)留焊接收縮余量；在支撐框焊接變形控制工裝上分別進(jìn)行上架前支撐框/底架前支撐框、上架中支撐框/底架中支撐框、上架后支撐框/底架后支撐框的配對(duì)裝配裝焊；在整架焊接變形控制工裝上以上架前支撐框、上架中支撐框和上架后支撐框?yàn)榛竟羌艽罱úⅫc(diǎn)焊固定上架各零件，同樣以底架前支撐框、底架中支撐框和底架后支撐框?yàn)榛竟羌艽罱úⅫc(diǎn)焊固定底架各零件，然后在整架焊接變形控制工裝上完成上架和底架配對(duì)裝焊；配對(duì)裝焊后的整架進(jìn)行焊后退火去應(yīng)力。焊后熱處理完成后進(jìn)行外形尺寸測(cè)量，結(jié)果見表1和表2從表中可知，上架對(duì)角線長度之差和底架對(duì)角線長度之差均不超過3 mm，上架安裝面平面度和底架安裝面平面度均不超過1.3 mm，滿足設(shè)計(jì)文件要求。另外，焊縫外觀檢測(cè)結(jié)果表明焊縫表面無裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，滿足QJ 2698A—2011《鋁及鋁合金熔焊技術(shù)要求》Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 聯(lián)裝架對(duì)角線之差 mm

表2 聯(lián)裝架接口安裝平面度 mm

3 結(jié)論

(1)以上架/底架支撐框配對(duì)組件為基本骨架搭建整架各零組件可簡化裝配流程的同時(shí)增加零組件的裝配約束。

(2)結(jié)合支撐框配對(duì)焊接和整架配對(duì)焊接過程中的焊接變形趨勢(shì)模擬計(jì)算結(jié)果，在焊接變形控制工裝中設(shè)置限位板、頂板、撐桿等機(jī)構(gòu)，增加了聯(lián)裝架焊接過程中的剛性約束，特別是增加了變形趨勢(shì)較大的長矩形管區(qū)域的剛性約束。

(3)根據(jù)單個(gè)管-管或管-板焊縫的焊接收縮量折算構(gòu)成聯(lián)裝架主體結(jié)構(gòu)的管材零件長度方向上的預(yù)留量，可彌補(bǔ)聯(lián)裝架焊接過程中的焊接收縮量；焊后熱處理過程中，在上架上表面向外凸起處增加厚度為1.2～1.3倍凸起量的墊板，可起反變形控制效果。