1、铝壳体焊接的工艺设计及新技术应用程正举 吕存阳（机械工业第六设计研究院 河南郑州 450007）摘 要 通过分析铝合金焊接特点和批量生产性质，进行多种焊接工艺方案的比较，采用变极性等离子焊接工艺及支管焊接新技术，可提高焊接效率，保证焊接质量的稳定性，获得良好的经济效益。关键词 铝合金焊接；工艺设计；变极性等离子焊接工艺；支管焊接图书分类编号： TB47Process Design and New Technology Application ofAluminum weldingCheng Zhengju Lv Cunyang(No.6 Institute of Project Research
2、 of the Ministry of Machinery Industry Zhengzhou 450007)Abstract By analysis of the characteristics of Aluminium alloy welding and batch production, various welding process schemes are comprised. Application of variable polarity plasma welding and new technology of tube union can improve the efficie
3、ncy of welding, guarantee the stability of welding quality and gain good economic benefit.Keywords Aluminum Alloy welding; Welding Technology; variable polarity plasma welding; welding of tube union机械工业第六设计研究院承接某高压开关厂的整体设计，其中，壳体焊接厂房占地面积3.15 万平方米，由备料工段、焊接工段、打磨间、射线探伤室和试验区组成。其产品为高压开关的外壳，主要工艺为铝壳体的焊接。在设计
4、中，根据产品自身的特点及生产类型，制定合适的工艺流程，积极选用新工艺、新方法，提高产品质量及生产效率。1 产品工艺流程高压开关外壳产品为 612mm 厚的带支管的铝合金圆柱状壳体，具有多品种、批量生产的性质。在工艺设计中充分考虑批量生产的特点，进行多方案的比较，选择合适的工艺，以保证产品质量的稳定性和高的生产效率。壳体生产一般工艺流程：铝板剪板下料铣坡口卷圆装配焊接探伤水压试验气密试验。焊接质量的控制是整个工艺流程控制中的重点和难点，本次工艺设计侧重于工艺方案的比较和论证。2 铝合金的焊接特点（1 ）铝合金表面的氧化膜阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊
5、透等缺欠1；（2 ）铝材的表面氧化膜和吸附的水分，易使焊缝产生气孔。铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却速度过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔；（3 ）铝合金的线膨胀系数大，凝固时容易产生缩孔、疏松、热裂纹及较大的内应力；（4 ）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难1。3 焊接工艺产品的焊接包括纵焊缝、环焊缝和支管的焊接。3.1 纵焊缝的焊接3.1.1 传统的 TIG 焊和 MIG 焊以 10mm 厚的铝合金板纵缝焊接为例，传统的 TIG 焊和 MIG 焊需要焊接 3 层 10 多道工序。其主要存在的问题：（1 ）
6、焊前需严格清理坡口及周边 20mm 范围的油污及氧化膜，并及时完成焊接。工序耗时长，控制环节多。（2 ）多层多道焊容易引起过烧，焊缝区晶粒粗大，强度下降。在压力工况下，容易造成微裂纹的扩展而使产品失效。（3 ）多道次的大电流焊接，工件的变形大、焊缝及热影响区的塌陷明显，尺寸公差控制难，后续矫形工作量大，生产周期长。优点：成熟的焊接工艺和方法，设备投资少。3.1.2 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊 FSW（Friction Stir Welding）2是英国焊接研究所发明的一种固相联接技术，并申请国际专利。其原理是旋转的搅拌摩擦头插入被焊接工件的界面处，由于搅拌头、搅拌工具的轴肩与被焊工件的紧密接触摩擦，
7、使搅拌头附近的金属在摩擦热的作用下热熔塑化，在搅拌头旋转和搅拌工具平移的复合运动下，热塑化金属被搅拌头转移到后方，在轴肩的顶锻力作用下，形成连续的密实的焊缝。与传统熔焊相比，FSW 具有无可比拟的优势：（1 ）焊接过程不需要坡口准备、填充金属及保护气体；（2 ）焊接接头变形小、缺陷少；（3 ）焊接接头质量及力学性能稳定；（5 ）易于实现自动化，生产效率高。技术经济分析：由于专利保护，每年的专利使用费用为 10 多万；设备为非标设备，需专门设计生产。根据北京航空制造研究所与英国焊接研究所签订的专利转让与实施许可合同，成为中国唯一的 FSW 设备制造商。其设备设计制造成本高，购置价格高达 600
8、多万，供货周期长达 6-8 个月。3.1.3 变极性等离子焊接变极性等离子是在世界航空航天领域大量采用的、成熟的厚大铝合金焊接工艺，不用开坡口一次可以焊透 16mm 的铝合金。它综合了变极性和等离子焊的优点3，其焊接电流频率、电流幅值及正负半波导通时间比例，可根据工艺要求灵活、独立调节；合理分配电弧热量，在满足清理氧化膜和工件熔化的情况下，最大限度减小钨极烧损。其主要的优势4：（1 ）不用开坡口。由于变极性等离子焊接的强大穿透能力，16 mm 以内的工件不需要开坡口。实际应用中，12 mm 的铝合金可以一次焊接完成，不需要盖面焊工序。如果用户的剪板质量高、对缝间隙小于母材厚度 10%，则不用铣
9、边。相对 TIG 和 MIG 焊接工艺，变极性等离子对铝合金表面氧化膜不是非常敏感。（2 ）容易得到高质量的焊缝。由于阴极雾化对焊缝及周围氧化膜的清理作用，以及变极性等离子的小孔效应有助于杂质和气孔的析出，焊接质量容易稳定。（3 ）单面焊双面成型，工件变形明显小。由于等离子弧能量密度高、热影响区小，因而焊接的多余热输入小。同时工装的强制定位及有效导热的情况下，可以大大减小焊接变形，保证尺寸公差（4 ）对操作者的操作技能要求低，生产效率高。采用字化控制的变极性等离子焊接系统，焊接过程过程控制方便，操作者只需遵守相关的操作工序，就可以获得优质焊缝。焊接效率高（5 ）节省焊丝和电力成本。由于不开坡口
10、，可以节省大量焊材。一次穿透 12 mm 的焊接电流只有 350 安培，比 TIG 和MIG 焊接需要的电流小技术经济分析：因为变极性等离子焊机为标准设备，根据母材的厚度及纵缝的长度，可以直接选型。辅件及控制系统配备齐全，自带软件内部集成和存储了大量的专家系统，只需要合理的选用或设定即可获得优质的焊缝，没有任何技术风险。采购价格为 270 万左右，价格适中；一台焊机的效率相当于 10 多个焊接工人的工作效率，具有良好的运行效益。对于本次设计是一个很合适的选择。3.1.4 三种焊接工艺的比较为了更好地对本次设计进行工艺选择，分别从清理级别、焊接效率、质量稳定性、经济性等方面，对 TIG/MIG
11、焊、变极性等离子焊和搅拌摩檫焊进行了工艺比较，见表 1。表 1 焊接工艺比较焊接工艺清理级别焊接效率焊接质量质量稳定性焊接变形设备投资运行成本TIG/MIG严格清理低一般差大低中变极性等离子简单清理高高好小中等低搅拌摩擦焊简单清理高高好极小高低在产品整个焊接过程中，辅助时间（含清理时间）过半，降低清理级别对于提高焊接效率具有较高的现实意义，而返修时间是正常焊接所需时间的 5 倍以上，因此对于焊接质量要求高的产品，优先考虑从焊接工艺的选择上来保证焊接质量的稳定性。结合设备投资和运行成本，选用变极性等离子焊接工艺具有较高的比较优势。以上选择解决了纵缝焊接设备的选型，其筒体的支管及两端的焊接法兰，需
12、要采取综合的措施来全面控制焊接质量。铝合金的焊接特点决定了采用常规的 TIG 焊和 MIG 焊很难保证批量生产的质量。设计院配合甲方，通过实际调研和技术经济分析，决定引进变极性等离子焊接系统来进行筒体的纵缝焊接。3.2 环焊缝的焊接环焊缝的焊接包括筒体对接环焊缝和法兰角接环焊缝的焊接，由于焊缝特点及空间位置关系，不能应用变极性等离子焊接工艺。采用把组对好的待焊件放在焊接变位机的滚轮架上，使焊缝处于船型位置，转动滚轮架并在焊缝背面用火焰连续加热焊缝，采用 TIG 焊打底、MIG 焊盖面。采取以上综合措施大大提高了焊接的效率，获得优质的焊缝，并保证了焊接质量的稳定性。3.3 支管焊接新技术按照常规
13、的方式，支管与主管为相贯线焊缝，铝壳体的本身刚性差，即便在有专用的数控相贯线切割机及变位机的辅助下，开口和定位焊的精度也很难保证，焊接效率低，很难保证焊接质量。考虑到铝合金具有良好的延展性，采取在主筒体上预开椭圆形的孔，加热孔周围 200mm 范围，用圆锥形压头在专用压力机上压出圆柱形凸台，变相贯线焊缝为对接焊缝，采用这项新技术，大大减少组装时间，优化了焊缝的空间位置，使焊接质量控制变得相对容易。4 结论通过铝合金焊接特点和批量生产的性质分析，进行多种焊接工艺方案的比较，从焊接质量稳定性、焊接生产效率和经济性等方面综合分析，本次设计选用变极性等离子焊接工艺具有较高的比较优势。经过实践生产检验，
14、焊接质量稳定，基本为一级焊缝，焊接效率较常规方式大幅提高，焊接的人力成本大大降低，具有良好的经济效益。采用综合措施，提高环焊缝的焊接效率，保证焊接的质量稳定性；采用支管焊接新技术，变相贯线焊缝为对接焊缝，优化了焊缝的空间位置，提高焊接效率，保证焊接质量的稳定性。作为一个焊接工艺设计人员，在进行工艺设计时，需根据生产规模和焊接特点，进行多方案的对比分析，选择合适的工艺和设备，在选用新技术、新工艺时，务必考虑其技术成熟性、焊接质量的稳定性和对关键工序效率提高的影响程度，同时运用技术经济学原理，做出最终选择，以期实现精益生产。参考文献1 李妙珍. 关于铝及铝合金的焊接工艺浅析 J. 轻合金及其加工，2007， （9 ）：66-69.2 杨新崎，秦红珊. 铝合金搅拌摩擦焊技术研究存在的问题及趋势 J. 焊接，2009， （ 7）：24-33.3 薛根奇. VVPPAW 在铝合金焊接中的应用 J.电焊机，2006 ，36 （2 ）：36-37. 4 张鉄民，王宏光，魏铀泉. 变极性等离子在 GIS 铝合金壳体焊接中的应用 J. 电焊机，2006，36（2）：10-14.作者简介作者简介：程正举（ 1979 ） ，男，湖北随州人，硕士研究生，主要从事焊接、冲压类工业厂房的工艺设计
