满伯倩,胡明华,卢碧琨
( 上海航天精密机械研究所,上海201600 )
摘要：根据2A14 铝合金的冶金特点,针对对接接头和锁底焊缝的不同要求,提出了相应的采用缺陷槽的补焊工艺。分析了焊接位置、补焊层数及两面补焊、预热和缓冷、补焊的收/起弧及长度、电源选择、环境控制、补焊顺序和方向,以及装配等因素的影响。由不同运载贮箱补焊的结果可知,该工艺措施有效,补焊质量较好,提高了补焊的一次合格率。
关键词：2A14 铝合金；返修焊；对接接头； 锁底焊缝； 焊接质量
0 引言
焊接过程中的可变因素较多,常因出现一些技术条件不允许的焊接缺陷而造成焊缝的返修补焊(以下简称补焊)。一些重要的航天器构件,如运载贮箱,往往因补焊质量不高而导致重大事故和经济损失。因此,研究和探索补焊的机理,采用合适的工艺,对确保补焊质量具有十分重要的意义。
2A14 铝合金为铝铜系可热处理强化材料,是运载贮箱的主材料。其抗拉强度较高,但焊接性较差,焊缝的伸长率较小(3 %～5 %),会影响补焊质量。
为此,本文对2A14 铝合金钨极惰性气体( TIG)保护焊的补焊技术进行了研究。
1 补焊原因和目的
导致补焊的主要原因是存在技术条件不允许的焊接缺陷。它们主要有两大类:一是裂纹,包括焊缝中的凝固裂纹、焊趾的液化裂纹,以及校正过程中出现的表面裂纹;二是气孔,如密集气孔、链状气孔和尖锐尾状气孔。另外,在液压、气密试验过程中,当压力升至一定量值或在压力达到设计指标后的保压过程中,贮箱(或单底)有时会出现渗漏或破裂。在贮箱(或单底) 通过液压、气密检验后进行目视检查(10 倍放大镜)时,也会在焊接接头处发现裂纹。焊接过程是非均匀加热,其焊缝为铸造组织。
根据2A14 铝合金的冶金特点和产品厚度,焊接经过正面二层、反面一层三道工序。补焊时,即使是一条很短的焊缝,同样要经过多次引弧2正常焊接2收弧的过程,因此补焊区的非均匀加热较为严重。
另外,接头还存在一定程度的成分偏析和结构应力。
因此,补焊时要采取合适的工艺,将加热的非均匀化程度减至最小,成分偏析和结构应力的峰值不致过高,从而使接头的伸长率得以保持或不会大幅减小。同时,由于焊接结构和材料的特点,对补焊次数也有限制,规定一、二级结构件为两次,三级结构件为一次。补焊失败将导致结构件的分解。
2.1 对接接头特点
对接接头一般是构件中承受主要载荷的A 类或B 类焊接接头,因此其质量要求最高。大直径薄壁件的对接接头一般采用TIG和熔化极惰性气体(MIG)保护焊,且要制备焊接坡口。其坡口角度较大,填充丝也较多。坡口的形状及其均匀性会影响熔合比,进而影响对接接头的质量。
2A14 铝合金在焊接中不仅会出现其他铝合金常见的焊缝凝固裂纹,而且接头的熔合线附近(即焊趾处)还易产生液化裂纹。这将导致接头抗载能力下降,严重时还会引起渗漏或破裂。另外,由于工艺流程、制造加工和结构等因素,壳体上通常都有开孔和连接构件。开孔不仅削弱了壳体的强度,而且会在孔的边缘和连接处产生较大的局部结构应力[1] 。
2.2 工艺准备
a) 制订焊接工艺规程(WPS) 分析需补焊的部位,对关键细节作针对性描绘,在此基础上形成书面的焊接工艺规程,并经焊接工艺师认可。
b) 评定焊接工艺的合适性 可用已有的焊接实物作参考。若无焊接实物,则必须进行返修试样试验,并进行WPS 评定。
c) 选定合适的补焊操作人员 操作者领会WPS的内容并遵照执行,同时对操作人员进行补焊工件的适应性评定。补焊时,焊接工艺师应在场指导。
2.3缺陷排除和缺陷槽制备
2.3.1 排净缺陷的重要性
文献[2 ,3 ]的研究表明:任一种电弧焊焊接的焊趾(即熔合线区)都有一尖锐的微观焊渣侵入线,同时也会生成程度不等的趾部咬边,即所有焊缝均不可避免地存在微气孔和微裂纹等缺陷。因此,尽可能发现、排除宏观和微观缺陷,显得尤为重要。
2.3.2 缺陷槽的制备
a) 长度和宽度
制备缺陷槽的首要目的是排净缺陷,为此应适当加大缺陷区的排除范围。长度方向,缺陷槽两端应分别延长1～2个实际宏观缺陷长度,如裂纹长10 mm 时, 缺陷槽长度应为30 ～50 mm；宽度方向,缺陷槽至少应增加1. 5～2 个缺陷宽度,如一般缺陷(裂纹或链状气孔) 的宽度为2～3 mm ,则缺陷槽的宽度应为6～10 mm。
b) 剖面形状
整个缺陷槽的剖面以船形最合适,底部较平坦,无波浪式起伏;补焊时焊丝能到达熔池附近,运条方便,不会造成熔合不良等焊接缺陷。钝边高度不能过大,坡口角度不能太小。目前贮箱TIG焊的坡口角度一般为40°±5°,钝边一般为1～2mm。宽度因受焊缝宽度标准的制约,有时可略小,但不能小于25°±5°。缺陷槽剖面如图1 所示。
c) 过渡
经验证明,良好的焊缝剖面形状及过渡不仅能方便操作,而且可减小几何形状带来的应力集中,从而提高整个接头抗裂能力。长度和宽度方向的过渡应修整为光滑的连续过渡,不能有拐点。
2. 4补焊实施
2.4.1 位置
应尽量采用平焊,这利于保证补焊的质量。当受工件尺寸制约而较难采用平焊时,应尽量使用上倾的上坡焊,并先进行适应性工艺试焊。
2.4.2 层数和两面补焊
补焊层数取决于缺陷深度,一般小于3 mm 时为一层,3～7 mm 时为二层。二层补焊时应做好层间清理。
两面补焊对确保2A14 铝合金构件焊缝补焊质量具有重要意义,对深层缺陷更是如此。国外铝合金构件补强标准要求焊接及其顺序尽可能使输入热量相对中心轴平衡,将变形和残余应力降至最低;同时强调两面补焊非常适于低伸长率材料[4] 。
标准还建议,实施两面补焊时,缺陷槽深度应为母材厚度的50 %。由此,本文将穿透和渗透(或痕迹)作为两面补焊的必要条件,并控制挖槽深度(母材厚度的70 %～80 %) 。
2.4.3 预热和缓冷
预热和缓冷是补焊时必须采取的措施[4 ]。预热利于提高基础温度、减小温度梯度、缩短金属熔化时间和减少氢溶入。缓冷能减缓液态金属凝固速率,利于氢析出。合适的预热、缓冷温度可减小工件的拘束应力。预热温度过高可能引起热影响区微裂纹的扩展,尤其是对焊接线能量敏感的高强度铝合金。本文推荐的预热和缓冷温度为80～100 ℃,具体应结合经验,通过试验确定。
预热还需确定合适的区域。拘束度对预热有明显影响。拘束度大,预热范围亦大;拘束度小,预热范围亦小,但不应小于半径75 mm 的圆。
2.4.4 起、收弧
补焊焊缝的起始和终止端(即起弧、收弧处) ,比焊缝其他部位更易产生缺陷,这是由电弧的引弧和熄弧机理(迅速加热和冷却)决定的。因此,该部位为补焊实施重点。补焊时应注意以下操作要点:
a) 起弧应离缺陷槽一端10～15 mm ,收弧离缺陷槽另一端20～30 mm ,并与原正常两面三层焊焊缝的起、收弧位置错开;
b) 收弧以衰减收弧为主,辅以堆高收弧和移动电弧收弧;
c) 正、反两面补焊应避免在同一位置起、收弧;
d) 遇到T 字、十字接头区域时,应延长补焊长度,避免在接头上收弧。
2.4.5 补焊长度
补焊总长包括缺陷槽长度、起收弧长度和保证焊缝成形(盖住缺陷槽和不产生咬边)
所必需的长度。适当延长补焊长度可减小应力集中,改善应力分布。虽然增加长度可能会导致缺陷增加,但权衡利弊,应首先满足整体的补焊长度要求;在保证不咬边的前提下,宽度也应略宽于正常焊缝。另外,还要注意防止补焊焊缝互相重叠。
2.4.6 电源选择
为保证补焊起、收弧的效果,焊接电源应选择有电流爬升及衰减功能的第三代电源即方波和逆变交流焊接电源。电流的衰减功能可弥补操作人员起、收弧时运枪和运条动作协调的不足。
2.4.7 焊接环境控制
补焊的环境控制主要指温度和湿度控制,而温度与湿度的关系密切。补焊时,应降低工作区域的局部温度。另外,工件、焊丝的清洁度,操作前的准备等,也都应严格按工艺进行。
2.5 补焊检验
2.5.1 常规检验
补焊后应根据技术标准,进行目视检查和X 射线探伤,必要时进行着色探伤,以判定补焊的质量。
2.5.2 焊缝、焊趾的检查和修整
目视检查应以焊缝外形和焊缝趾部为重点。焊缝外形除满足前述起、收弧的要求外,还应呈饱满平缓状,无尖角和结构死区,横、纵向的波浪形和局部凸起、低下都应进行修正。
对焊缝趾部的要求是,每一焊道应应与相邻母材完全熔合,且无凹陷或焊趾过分咬边。因焊根处的应力集中很大,焊趾截面(正、反面)的应力分布也很不均匀,应力集中较大,因此必须修整焊趾,使尖锐的部位变钝[5 ] 。
结构应力系数与剖面形状的关系如图2 所示。结构应力系数F∝ asθr (此处, a 为焊缝宽度; s 为焊缝厚度;θ, r分别为焊缝余高与基本金属平面的夹角和过渡曲率半径) 。a , s 取决于工件尺寸和焊接方法,变化很小;θ, r 变化较大(尤其是手工焊)
。θ大、r 小,则应力系数大;θ小、r 大, 则应力系数小。因此,修整焊缝和焊趾时应使θ尽量小、r 尽量大。
3 锁底焊缝补焊
3.1 锁底接头特点
a) 对合厚度和剩余厚度不均匀
箱底锁底结构如图3 所示。由图可知,锁底接头处的对合厚度A 和剩余厚度B 都存在一定的不均匀性,故即使在同一规范(电流、速度相同)下,熔化程度也不同。另外,焊接时的熔透感觉和适应性调节也不如对接接头准确。因此,与对接接头相比,锁底接头局部未熔合、未焊透现象更多,从而影响了焊缝的连续性,接头强度也相对较低。
b) 刚性大、贴胎差、易应力集中
为保证装配的贴胎度,锁底接头的车削周长与短壳单配。但对直径3 350 mm 的箱底,即使达到周长1～2 mm 的公差要求,单边的贴胎度也有0. 2～0. 3 mm,局部会更大。虽然静配合和过渡配合的办法较好,但难以在大直径工件上实施。因此,在贴胎不佳的情况下,局部应力很大,极易产生裂纹。
c) 反面无垫板
锁底接头反面不能安装垫板,电流因受规范限制无法增大,手工操作时,稍不注意反面就会产生变形突起,严重时还会漏出。
3.2 返修特殊措施
a) 缺陷槽长度
锁底接头补焊时,缺陷槽长度应比对接接头大3～5 倍。若开挖尺寸不足,电弧加热后缺陷槽的两端就会开裂。
b) 补焊顺序和方向
锁底接头补焊应分段进行,不能连续焊成。中间焊点应控制在40 ～50 mm,不宜过长。中间段的补焊方向可任意选定,其余区段必须指向缺陷槽中心,即收弧应尽量离开原缺陷槽的两端,如图4 所示。
c) 操作技术
采用较弱的电流规范(即电流比正常焊接时小) ,电弧偏向较厚的一侧(型材框)。间隙较大时,可先在较厚的一侧填入少量焊丝,然后再补焊。起、收弧位置错开,采用堆高收弧。
d) 装配措施
为控制角和挠曲变形,环缝内部和外部要分别采用刚度足够的支撑环和拉紧环,以防环缝位移、错边和下凹角。具体有:为防止补焊的下沉,内面应加内撑和垫板;为使短壳能较自由地收缩,连接盘的螺钉应适当松开;为改善补焊区的贴胎度,补焊区(长度及宽度方向的短壳边) 应加刚性压板。
4 效果分析
采用上述各种工艺方法和措施,对某运载火箭Ⅰ级氧化剂箱、Ⅱ级燃料箱前底,以及某运载火箭Ⅰ级燃料箱前底第一次补焊有裂纹的接头进行二次补焊。补焊质量良好,通过了第二次液压强度试验、气密试验和目视检查(10倍放大镜) ,重新进行着色探伤检查均未发现问题,通过了出厂复查评审及飞行试验考核。多次锁底接头的补焊也同样获得成功。
实践证明,只要对补焊全过程进行合理有效的控制,二次补焊接头也能满足使用要求。将补焊工艺应用于所有焊缝的第一次补焊,在后续几十个箱体的生产中,未出现由补焊引起的低压破裂。
5 结束语
确保2A14 铝合金结构件第一次补焊的成功率,对运载贮箱生产的意义十分重要。本文介绍的工艺方法和措施,主要适用于长度小于100 mm的补焊前缺陷(或破裂) ,部位也仅限于焊缝和焊趾区。
因2A14 铝合金焊接性能的不足,结构件缺陷(或破裂) 的情况又较为复杂,对超长焊缝、焊趾区以外的缺陷(或破裂) ,其补焊方法尚有待深入研究。
（ 插图略 ）