某火箭前盖焊接选择焊接方法确定焊接参数及焊接质量检验方法.doc

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1、 某火箭前盖焊接选择焊接方法确定焊接参数及焊接质量检验方法1.1 选择焊接方法1.1.1 铝合金的焊接加工特性21铝合金具有优异的物理特性和力学性；密度低、比强度高、热导率高、电导耐蚀能力强，已广泛应用于机械、电工、轻工、航空、航天、铁道、舰船、工业内的焊接结构产品上，例如飞机、火箭、导弹、高速铁道机车和车辆、艺船和双体船、鱼雷和鱼雷快艇、轻型自行车和赛车、大小化工容器、空调交换器、雷达天线、微波器件等，都铝及铝合金材料、制成了各种熔焊、钎焊结构。1) 铝的物理特性及焊接工艺特点 铝多与其他金属不同的物理特性，如表1-1所示，由此导致铝及铝合金具有与其他同的焊接工艺特点。 铝在空气中及焊接时极

2、易氧化，生成的氧化铝（AL2O3)熔点高、非常稳定、能吸潮、不易去除，可妨碍焊接及钎焊过程的进行，可在焊接或钎焊接头内生成气孔、夹杂、未融合、未焊透等缺陷，需在焊接及钎焊前对其进行严格的表面清理，清除其表面氧化膜，凄及钎焊过程中继续防止其氧化或清除其新生的氧化物。铝的比热容、电导率、热导率比钢大，焊接时的热输入将向母材迅速流失，因此，熔焊时需采用高度集中的热源，电阻焊时需采用特大功率的电源。铝的线膨胀系数比钢大，焊接时焊件的变形趋势较大。因此，需采取预防焊接变形的措施铝对光、热的反射能力较强，熔化前无明显色泽变化，人工操作熔焊及钎焊作业时会感到判断困难。现代焊接技术的发展促进了铝及铝合金焊接技

3、术的进步。可焊接铝合金材料的范围扩大了，现在不仅掌握了热处理不可强化的铝及铝合金的焊接技术，而且已经能解决热处理强化的高强度硬铝合金焊接时的各种难题；适用于铝及铝合金的焊接方法增多了，现在不仅掌握了传统的熔焊、电阻点、缝焊、钎剂钎焊方法、而且开发并推广应用了脉冲氩(氦)弧焊、极性参数不对称的方波交流钨极氩弧焊及等离子弧焊、真空电子束焊、真空及气保护钎焊及扩散焊等。铝及铝合金焊接结构生产已不限于传统的航空、航天等国防军工行业，现在它已经扩散到多种民用工业及与人民群众生活密切相关的家电及日用品生产中。表1-1 铝的物理特性 (2)铝及铝合金的牌号、成分及性能 铝及铝合金按成材方式可分为变形铝及铝合

4、金和铸造铝合金。按合金化系列，铝及铝合金可分为1系(工业纯铝)、2系(铝一铜)、3系(铝一锰)、4系(铝一硅)、5(铝镁)、6系(铝镁硅)、7系(铝一锌镁铜)、8系(其他)等八类合金。按强化方式，可分为热处理不可强化铝及铝合金及热处理强化铝合金。前者仅可变形强化，后者既可热处理强化，亦可变形强化。国标GBT3 1 90一1 996及GBT3880I 997、GBT11 731 995分别规定了变形铝合金牌号、化学成分、力学性能和铸造铝合金牌号及化学成分。(3) 铝及铝合金对各种焊接方法的适应性几乎各种焊接方法均可用于焊接铝及铝合金，但是，铝及铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各

5、自应用场合。1.1.2 铝合金的焊接方法22选择焊接方法时，应考虑产品结构特点、制造工艺需求、焊件厚度、铝合金类别、牌号及其焊接性、对焊接接头质量及性能的要求、以及用户单位的物质、技术、经济等多方面的条件。各种焊接方法的特点可简述如下：1)熔焊氧燃气火焰气焊 此法热效率低，焊接热输入不集中，焊接时需采用焊剂，焊接后需清除焊剂残渣，接头质量及性能不高，因此，不甚适合焊接铝特别是热处理强化铝合金，此法应用较少，但因设备简单、无需电源及氩气，使用方便。因此，有时仍用于焊接质量要求不高的铝焊件或补焊铝铸件。碳极电弧焊 此法以碳棒或石墨棒作电极，在电极与焊件间产生电弧，焊接热输入比氧燃气火焰气焊较为集中

6、，但仍需采用焊剂，焊后仍需清除焊剂残渣，此法不甚适合焊铝，应用较少，但其设备简单，使用方便，有时仍用于物质条件较差，对焊接质量要求不高的焊件生产中。药皮焊条电弧焊 此法焊接热输入较为集中，但需药皮焊条、药皮易吸潮、焊后仍需清除残余焊渣。此法亦不甚适合焊铝，但有时可用于补焊铝合金铸件。钨极气体保护电弧焊(TIG) 钨极气体保护电弧焊是应用最为广泛的铝及铝合金熔焊方法之一。此法在近代发展很快，已经深化和完善。钨极交流氩弧焊(TIGAC)此法电弧稳定，熔池保护好，电弧有阴极清理作用，能在焊接过程中清除氧化膜，无需配用焊剂，无需焊后清除熔渣，可焊接薄件，焊接质量及接头性能好。但此法深熔能力弱，零件不开

7、坡口单层焊时，其适焊厚度一般为1O30mm，厚度增大时，需开坡口实施多层焊、生产效率低。钨极直流氦弧焊(TIG DC)此法采用氮气保护和直流正接(DCSP)，电弧无阴极清洗作用，但氦弧发热及母材受热大，可短弧深熔，可焊接厚件、焊接效率高、母材热影响轻微，零件不开坡口实施单层焊时，其适焊厚度达1 2mm；零件不开坡口实施双面焊时，其适焊厚度可达20mm；即使开坡口，坡口亦可明显减小。此法特别适于焊接厚件及对热敏感的热处理强化铝合金结构。氩氦混合钨极气体保护电弧焊 氩及氦各有优缺点，工程上常采用Ar+He混合保，可增大氩弧焊的深熔能力、可改善氦弧焊的起弧特性、节约氦弧焊时的氦气消耗、降低成本。钨极

8、脉冲氩弧焊(TIG-p) 此法焊接电流由基值电流(恒定小电流)和脉冲电流（脉冲大电流)组合而成，焊接薄件时，电弧更为稳定，可调参数增多，便于焊接热循环的调节和控制，零件适焊厚度范围增大，焊接变形减小，母材热影响区变窄，它特别适于薄型零件的焊接、全位置焊接、对热敏感的热处理强化铝合余的焊接。按其频率高低、此法又可分为低频脉冲钨极氩弧焊(f=110Hz)、高频脉冲钨极氩弧焊(125kHz)，后者的电弧挺度大、热输入集中、电弧熔透能力强，熔深不随电弧长度变化而变化，但是，后者的电弧过程伴有尖锐的噪声，可能影响操作人员的情绪。熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG)熔化极惰性气体保护电弧焊也是应用最为广泛的

9、铝及铝合金熔焊方法之一。此法在近代发展也很快、已不断深化和完善。熔化极氩弧焊 采用直流反接，电弧有阴极清理作用，可使用比钨极氩弧焊更大的焊接电流，电弧功率大，焊接效率高，生产效率比手工钨极氩弧焊提高23倍。零件不开坡口时，对接焊零件的厚度范围为26mm，零件开剖口时，零件适焊最大厚度可达5060mm。由于熔化极氩弧焊属熔滴过渡过程，不如钨极氩弧焊过程那样安宁和稳定，其焊缝金属生成气孔的敏感性较高。熔化极氦弧焊 氦气作为MIG焊的保护气体可短弧深熔，增大适焊厚度，但氦气价格昂贵，且流量消耗较大。氩氦混合熔化极气体保护电弧焊 此法对氩及氦扬长避短，既可增大深熔能力，又可节约氦气。熔化极脉冲惰性气体

10、保护电弧焊 此法焊接电流平均值较小，参数调节范围广，有利于预防焊缝气孔、减小母材热影响、减小焊接变形、适于薄件焊接及全位置焊接。惰性气体保护电弧点焊 当不可能从连接部位两面安排电极实施接触电阻点焊时，即可对连接部位实施单面钨极(或熔化极)氩(或氦)弧点焊。由于定点起弧及熄弧，电弧点焊过程极短，极易出现熔深不足，造成焊点核心小，或出现焊缝气孔及裂纹。此法有时符合结构工艺需要，但技术难度较大。等离子弧焊(PLW) 等离子弧焊利用压缩电弧，弧温高，能量密度大，穿透力强，加热范围小，焊接效率高，焊接变形小，适用于焊接厚壁零件及对热敏感的热处理强化铝合金结构及缺陷补焊。近代等离子弧焊发展很快，已出现多种

11、方案，焊接电源可为直流或交流，焊缝成形方式有小孔型及熔透型。变极性等离子弧焊(VPPA) 此法以交流等离子弧焊法为基础，采用交流方波电源，可对正反极性两半波参数(电流幅值及其持续时间)实行不对称调节：反极性半波时，电流幅值大、持续时间短，既可保证足够的阴极清理作用，又可减轻钨极烧损；正极性半波时，电流幅值小，持续时间长，母材受热大，可保证深熔。用此法进行平焊时，单层适焊厚度达6mm；用此法进行立焊时，单层适焊厚度可达25mm。变极性等离子弧立焊铝合金时，零件无需开坡口，节省了零件焊前制备时间；焊道窄，焊接变形小；有利于排除焊缝中的夹气和夹杂物，可获得无缺陷焊缝。真空电子束焊(EBW)这是一种高

12、能束精密焊接法，一般在整体式固定真空室内进行，室内真空度一般不低于13 31 O_2Pa。EBW能量密度高，熔透能力强。母材无需坡口，单层焊可熔透的最大厚度达1 50mm。焊缝成形窄而深，焊接速度高，母材热影响区窄。但是焊接设备投资大，焊件尺寸受真空室尺寸限制。还有一种组合式真空室内进行铝合金大型构件真空电子束焊接的方法。此种真空室的底部开口，其内或其上安装电子枪，将此种开口的真空室搬运到大尺寸构件上，其内的空间将包容焊件的焊接部位(纵缝或环缝)及其邻近区域，用真空静密封、真空动密封技术使开口真空室与构件组合成一个“临时”密封的真空室。真空电子束焊接后，即可撤去密封，撤离开口真空室。这种真空电

13、子束焊接方法适用于大尺寸构件，设备可自行设计制造。激光焊(LW) 激光焊也是一种高能束焊接方法，但无需在真空室内进行，仅需用惰性气体保护焊接部位。激光焊能量密度高，深熔能力强，焊接速度高，焊件变形小，是一种使用方便、优质高效的焊接方法。但是，铝材对激光的反射率高(90左右)，焊接时需大功率激光器，或需在铝材表面上施加特殊的表面材料，以减小反射率，提高吸收率。目前，铝及铝合金激光焊技术正在研究发展中。电阻点(缝)焊 铝及铝合金能适应电阻点(缝)焊，但其导电性及导热性好，焊接时需大功率电源，一般只用于点(缝)焊厚度为4mm以下的铝材薄件，个别的大功率点焊机可用以点焊厚达7mm的铝材。点焊过程持续时

14、间短，过程中伴有锻压，对母材热影响小，适于焊接包括硬铝合金在内的各种铝及铝合金。电阻点(缝)焊设备投资大、耗电量大，多用于航空、航天、汽车、车辆等铝材结构的焊接生产中。2)固态焊 固态焊是焊接时不加热、母材呈冷态，或焊接时加热至母材不熔化但已发生塑性变形的状态下实现固态结合的焊接过程。电阻对焊 电阻对焊是一种对电阻加热至高温塑性状态下的零件加压顶锻而实现其连接的固态焊接方法。由于铝材电导率高，且氧化膜在对焊过程中不易去除，铝材电阻对焊应用较少，但电阻加热闪光对焊方法可使铝材对接表层熔化、挤出并随即使铝材发生高温塑性变形而实现锻焊连接，此法特别适于焊接厚大截面的铝合金棒材、板材及型材，但需要大功

15、率焊接电源。冷压焊 冷压焊是在冷态下借助压力使待焊金属产生塑性变形而实现连接的固态焊接方法。由于塑性变形可破碎和排出连接部位界面上的氧化膜，因而可焊接延展性良好的铝及铝合金。焊接时无需加热，对母材无热影响，但其应用范围受到焊件结构形式、接头形式及结构尺寸的限制。超声焊 这是一种利用超声(频率超过16kHz)的机械振动能量转变为零件间的摩擦功、形变能及有限的升温而实现连接的固态焊接方法，特别适用于焊接由高热导率及电导率的铝及铝合金制成的小型器件。扩散焊 这是一种通过加热和加压使两铝材相互接触，通过微观塑性变形或通过界面产生微量液相而扩大接触，再经长时原子相互扩散而实现冶金结合的焊接方法。在预先以

16、完善的表面清理方法彻底清除铝材表面氧化膜的基础上，使焊接过程中再生的氧化膜破碎，以复合形态被挤出接头外。目前铝材扩散焊技术仍在研究发展中。3)钎焊 钎焊是加热零件至钎焊温度，但母材不熔化，仅钎料熔化并在母材表面润湿、铺展、填充毛细间隙与母材发生相互作用而实现连接的过程。使用液相线温度低于450的钎料的钎焊过程称为软钎焊，高于450者称为硬钎焊。由于铝材表面氧化膜极易生长且很难去除，因此，有些钎焊方法需配用钎剂，有些钎焊方法已无需配用钎剂。前者为火焰钎焊、浸渍钎焊、空气炉中钎焊，后者如超声钎焊、刮擦钎焊、气保护炉中钎焊、真空炉中钎焊。火焰钎焊 火焰钎焊的热源为氧燃气火焰。燃气种类很多，对铝及铝合

17、金来说，可供选择的适用燃气有乙炔、天然气、氢气。铝及铝合金火焰钎焊时必须配用钎剂，钎焊后一般需清理钎剂残渣。由于铝及铝合金加热过程中无颜色变化，手工火焰钎焊时不易掌握钎焊加热温度，操作技术难度较大。浸渍钎焊 这是一种将组装有钎料的待钎焊件浸入熔融钎剂槽中加热和钎焊的方法。此法加热迅速，钎焊过程中零件不再发生氧化，钎焊变形小，钎焊质量好，铝合金结构钎焊生产率高。此法仅适于连续作业的大批量生产，浸渍钎焊后需清理残留钎剂及钎剂残渣，现场及其周围环境有严重腐蚀及污染。空气炉中钎焊 空气炉中钎焊铝合金时必须配用钎剂，用腐蚀性钎剂钎焊后需清除钎剂残渣。气保护炉中钎焊 气保护炉中钎焊铝及铝合金制件时，如采用

18、惰性气氛保护，则钎焊前需对连接表面进行彻底清洗，炉内气氛先需置换然后持续通吹，制造成本高；如采用氮气保护，即需采用无腐蚀性钎剂。此法较为适用、高效，已获推广应用。刮擦钎焊 这是一种无需配用钎剂的软钎焊铝及铝合金组件的方法。刮擦钎焊时，钎料在加热的组件表面刮擦、熔化，即完成软钎焊过程。此法限于手工操作，一般用于小型的简单组件的钎焊。真空炉中钎焊 这是一种无需配用钎剂的炉中钎焊方法。真空钎焊时，炉中真空度一般不低于1331 O-2Pa。对铝及铝合金来说，仅有此种真空加热条件，尚难顺利发生钎焊过程。但是，采用金属镁作为活化剂等一系列工艺措施已使铝及铝合金真空钎焊技术走向广泛实用。1.1.3 焊接方法

19、的确定综合上述的焊接方法:1、固态焊是焊接时不加热、母材呈冷态，或焊接时加热至母材不熔化但已发生塑性变形的状态下实现固态结合的焊接过程。2、钎焊是加热零件至钎焊温度，但母材不熔化，仅钎料熔化并在母材表面润湿、铺展、填充毛细间隙与母材发生相互作用而实现连接的过程。使用液相线温度低于450的钎料的钎焊过程称为软钎焊，高于450者称为硬钎焊。由于铝材表面氧化膜极易生长且很难去除，因此，有些钎焊方法需配用钎剂，有些钎焊方法已无需配用钎剂。因此结合零件形状，尺寸，焊接要求，选择熔焊。再从熔焊中选择钨极交流氩弧焊(TIGAC)此法电弧稳定，熔池保护好，电弧有阴极清理作用，能在焊接过程中清除氧化膜，无需配用

20、焊剂，无需焊后清除熔渣，可焊接薄件，焊接质量及接头性能好。但此法深熔能力弱，零件不开坡口单层焊时，其适焊厚度一般为1O30mm，厚度增大时，需开坡口实施多层焊、生产效率低。1.2 焊接参数的确定1.2.1 焊接保护气体气体保护下焊接铝及铝合金时，只能采用惰性气体，即氩气或氦气。惰性气体的纯度(体积分数)一般应大于998，其内含氮量应小于O04，含氧量应小于O03，含水量应小于O07。当含氮量超标时，焊缝表面上会产生淡黄色或草绿色的化合物氮化镁及气孔。当含氧量超标时，在熔池表面上可发现密集的黑点、电弧不稳、飞溅较大。含水量超标时，熔池将沸腾、焊缝内生成气孔20。航空航天工业用惰性气体的纯度一般应

21、大于999。氩与氦虽同为惰性气体，但其物理特性各异，见表12 。表12 惰性气体的物理特性由表1-2可见，氦的密度、电离电位及其他物理参数均比氩高，因此，氦弧发热大、利于熔焊时深熔，但消耗量大，更稀贵。选择氩气为保护气体。1.2.2 焊接电极电极 钨极氩弧焊时用的电极材料有纯钨、钍钨、铈钨、锆钨，其成分和特点如表13所示。表13 钨极的成分及特点纯钨极熔点及沸点高，不易熔化及挥发，电极烧损及对铝的污染较小，但接受铝的污染，且电子发射能力较差。钍钨极电子发射能力强，电弧较稳定但钍元素具有一定的放射性，不推荐广泛使用。铈钨极电子逸出功低，易于引弧，化学稳定性高，允许电流密度大，无放射性，已广泛推广

22、。锆钨极不易污染基体金属，电极端易保持半球形，适于交流氩弧焊。钨极许用的电流范围如表14所示。表1-4 钨极许用电流范围1.2.3 焊接焊剂在气焊、碳弧焊过程中熔化金属表面容易氧化，生成一层氧化膜。氧化膜的存在会导致焊缝产生夹杂物，并妨碍基体金属与填充金属的熔合。为保证焊接质量，需要焊剂去除氧化膜及其他杂质。气焊、碳弧焊用的焊剂是各种钾、钠、锂、钙等元素的氯化物和氟化物粉末混合物。表1-5列出了气焊、碳弧焊常用的焊剂配方。表1-5 气焊用焊剂用气焊、碳弧焊方法焊接角接、搭接等接头时，往往不能完全清除掉留在焊件上的熔渣。在这种情况下，建议选用表1-5中的第8号焊剂。铝镁合金用焊剂，不宜含有钠的组

23、成物，一般可选用第9、10号焊剂。1.2.4 接头设计 设计焊接结构时，应充、分考虑其制造工艺性：焊缝分布应合理，施焊操作时可达性要好，焊接后要便于实施焊、接质量试验，重要焊缝要便于实施X射线检验。接头设计时，应尽量采用对接或锁底对接形式。当材料及焊接接头断裂韧度较低，承受拉伸载荷(或动载荷)较大，结构刚性较强或零件厚度差大时，则只应采用对接形式，不宜采用搭接、T形接、角接、锁底对接形式，因为在这些接头内应力集中或者较严重，承载能力低；或者难以实施X射线照相检验，或采用熔剂焊接后难以完全清除残余熔渣。如果遇到如图1-4a中的非对接接头形式，宜改为如图1-4b中所示的接接头形式，当确已无法避免非

24、对接接头形式时，可将其安置在承载不大、不太重要，无需X射线照相检验的结构部位。1-4焊接接头形式a、非对接接头b、对接接头设计焊接接头的形式及其基本尺寸时，可参考国内外相关标准或手册资料内的数据，但尚需征求制造厂工艺人员的意见和建议，必要时需进行工艺评定试验，以验证资料上的信息数据是否适合实际结构和焊接工艺的具体条件。1.2.5 焊接工装及焊接装备焊接参数的确定23待焊接的两个零件分别为一个盖状件和一个顶柱。所以我提出两个加紧方法，分别如下图所示： a、 从盖体上部往下压进行夹紧b、 从盖体两侧进行加紧对上述两种夹紧方法进行筛选，a用两个直板分别从两侧往下压，能让盖体与顶柱水平的接触，保证焊接

25、时两者接触，不会有间隙。b从两次进行加紧时，不能确定与顶住接触没有，此夹紧方法有缺陷。综上：选择图a的夹紧工装。选择焊接参数表1-5交流TUG自动氩弧焊工艺参数焊件厚度/mm焊接层次钨极直径/mm焊丝直径/mm喷嘴孔径/mm氩气流量/(L/mm)焊接电流/A送丝速度/(m/h)111.521.681056120160-2131.628101214180220657031242101414182202406570412523101414182402807075525231216162028032070756823563141818242803207580812236341418182428032

26、08085选择氩弧焊机（TIG-WP-300）根据零件的厚度的要求3mm，选择焊接层次为1次，钨极直径4mm，喷嘴直径12mm，氩气流量14L/mm，焊接电流220240A。未选用焊丝，故没有焊丝直径及送丝速度。1.3 焊接质量检验焊接完成后首先进行外观检验观察焊接表面是否有气孔、黑点和焊接表面纹路是否均匀。此检验过程可通过目测完成。检验焊接质量，检验焊接完成后焊件能否承受足够的拉伸。拉伸拘束裂纹试验法(TRC) 拉伸拘束裂纹试验(Tensile Restraint Cracking Test)简称TRC试验，是一种大型定量的评定冷裂纹的试验方法。试验机的整套装置包括拉力机、自动送进焊条机、应

27、变仪、传感器和自动记录仪等。TRC试验机的简图如图1-6所示。 1-6 TRC试验机简图 TRC试验的基本原理是采用恒定载荷来模拟焊接接头所承受的平均拘束应力。当试件焊接之后，冷却到某一温度(一般低合金钢为1 50I 000C)施加一拉伸载荷，并保持恒载，一般保持24h，如果不裂，则增加试验过程中的恒载，直至产生裂纹或断裂，记录启裂或断裂时间。对应一定时间产生裂纹或断裂的应力，即为对应该断裂的时间的临界应力。TRC试验与插销试验一样，可以定量地分析被焊钢(碳钢和低合金高强钢等)产生冷裂纹的各种因素，如化学成分、焊缝含氢量、拘束应力、预热、后热及焊接工艺参数等。可以测定出相应条件下产生焊接冷裂纹的临界应力。大吨位的TRC试验机可对厚板多层焊的冷裂纹敏感性进行测试。