目前，節能、輕量化是工業生產中一種發展趨勢[1]，在航空航天中，減重對于航天器的結構應用非常重要，而在航天器結構中，金屬結構非常復雜，不等厚板的焊接非常重要。不等厚板焊接過程中，在焊縫部位容易產生剛度變化和變形不協調，從而容易出現應力集中[2];焊接接頭的強度取決于焊縫形式和焊接工藝，影響焊接接頭質量好壞，主要依靠焊縫的結構設計和焊接參數。鋁合金具有比強度高，熱穩定性好，耐腐蝕，機械加工性能以及可再生性較好，資源豐富等一系列優點，近年來在航空航天領域得到了廣泛的應用，成為理想的輕量化材料[3]。5A06鋁合金是非熱處理強化鋁合金，屬于AL-Mg系的典型合金，其擁有較好的焊接性和抗腐蝕性能，被廣泛用于航天中飛行器的主要金屬材料中，5A06鋁合金薄板的焊接常采用鎢極氬弧焊工藝焊接;研究其焊接參數以及結構對不等厚板的焊接生產具有指導意義。

　　

 

　　1焊接溫度場

　　焊接時未發生熔化的母材部位，在焊接熱循環條件下，其不同部位受到不同的熱影響，相當于經歷不同的特殊熱處理，其組織和性能均發生不同于母材的變化，這部分母材稱為熱影響區[4]。焊接熱影響區以及焊縫區域在焊接過程中的焊接熱循環如圖1所示。由圖1可以知道，焊接時母材的溫度場分布極不均勻，離焊縫越近的部位，其加熱速度越大，峰值溫度越高，冷卻速度也越高;反之，離焊縫越遠的部位，加熱速度越低，峰值溫度越低，冷卻速度也越低。不等厚板的焊接熱循環有著傳統的普遍特點，也有著其自身的特點，因為焊接接頭的母材板厚具有差異，厚板傳熱較快，需要更大的熱輸入，薄板傳熱慢，需要較小的熱輸入，所以在焊接過程中，電弧需要分配不同的，這就對焊接時電弧的位置有嚴格的要求。焊接時的局部不均勻熱輸入是產生焊接應力與變形的決定因素。焊接是一種局部加熱的過程，而且熱源高度集中，所以焊接應力和焊接變形是不可避免的，尤其是在不等厚板之間的焊接中，但殘余變形和殘余應力是可以通過采取適當的工藝措施來調整和控制的，如可減小熱輸入、選擇合理的焊接順序、加以適當拘束等。焊件在焊接過程中會發生一定程度的宏觀變形，不僅影響到焊接質量，通常還導致焊接過程的中斷。尤其對于薄板構件的自動焊，若焊接時不加以加持固定，相對弧長會不斷變化，甚至發生短路現象，使焊接無法進行，薄板焊接也容易出現波浪變形以及失穩。因此實際構件多數情況下都是在受約束的狀態下進行焊接的。

　　2不等厚板焊接材料的熔化特性

　　不等厚板的焊接分為填充焊絲和不填充焊絲2種。無填充焊絲時，不等厚板焊接的填充模型，分為有間隙和無間隙2種。當有間隙存在時，主要靠厚板的熔化向薄板過渡來填充間隙，假定厚板的熔化量正好填充間隙，焊縫成理想的梯形，從而得到近似的最大適應間隙，如圖2所示;當不存在間隙時，焊接電弧應向薄板一側稍微偏移，增加薄板一側的熱輸入，因為不需要熔化更多的厚板金屬來填充焊縫。當填充焊絲時，填充金屬不完全依靠厚板熔化，而是焊絲和厚板熔化一起充當焊縫的補充金屬，這樣相對來說焊縫金屬對厚板的依靠減小，填縫機理如圖3所示。由圖3可見，相同焊接工藝參數下焊接電弧比不填充焊絲時要偏向薄板，因為一方面需要電弧一部分能量來熔化填充焊絲，一方面減少厚板母材的熔化，以免焊縫余高增加，應力變大。

　　3鋁合金不同薄厚板對接接頭形式及焊接工藝參數設計

　　如圖4所示，厚度不同的兩工件之間的對接接頭，有多種方法可使焊接接頭中的應力流變平滑，圖4中下方的對接形式有2個應力集中點，一個位于角焊縫趾部，另一個位于未焊透的根部，右側的接頭是一個較好的解決方案，這種接頭具有相對平滑的應力流，在底部的接頭也具有相對平滑的應力流，而且焊接成本較低，因為它需要減少填充金屬[5]。最左側的接頭形式從結構設計來說是最好的，可是填充金屬多，成本較高，厚板一側需要加工，工序復雜。傳統的焊接接頭采用開坡口，加工復雜，工序較多，浪費材料。本次試驗主要對不開坡口的對接形式進行試驗，這種形式結構簡單，節省材料，加工簡單。試驗材料為航天中常用材料5A06板材。

　　3.1不同電弧作用位置對焊縫成形的影響

　　試驗采用2種焊接位置形式，如圖5所示，位置形式1是焊接電流作用于厚板和薄板之間，電弧作用在厚板和薄板的對接接頭中心;位置形式2是焊接電弧作用于對接接頭兩側，但是偏重點不一樣，大的熱輸入作用在厚板一側，小的熱輸入作用在薄板一側。焊接試驗結果表明:采用圖5中電弧位置形式1時，焊縫表面成形極不均勻，如果控制熱輸入可使薄板一側完全焊透，而厚板一側則會出現未焊透缺陷，會對焊接結構強度大大降低;如果熱輸入足夠大，使厚板一側熔化，則薄板一側會出現焊穿現象，不利于接頭成形;采用圖5的電弧位置形式2時，焊縫表面成形較為均勻，焊縫外觀表面成形光滑，控制好熱輸入的情況下，可以形成較好的焊接接頭。圖6為位置形式2所得到的焊接接頭形式。

　　3.2不同焊接送絲角度對焊縫成形的影響

　　鎢極氬弧焊焊接電極產生的熱量不僅用于母材的熔化，對于填充金屬焊絲的焊接來說，也是焊絲熔化的熱源，在填絲焊過程中，不同的送絲角度會影響焊絲的加熱和填充，從而影響焊縫的成形。試驗采用5°，30°，60°3種角度進行焊接，結果為:當送絲角度為5°時，焊絲受到電弧加熱區域較小，對焊絲的加熱不充分，隨著焊絲繼續送進，當焊絲熔化形成熔滴時，焊絲已經送到了超過熔池中心的部位，當熔滴滴下的時候到達不了焊縫中心，使得焊接接頭成形不良;當焊絲以30°的角度送進時，焊絲可以在電弧區域受到充分地加熱，焊絲熔化所形成的熔滴可以很好地進到熔池中，穩定而有效地過渡，能夠形成有效的焊接接頭。當焊絲以60°的送絲角度被送到電弧區域時，焊絲在送進過程中受到的加熱作用較大而發生提前軟化，加上正面保護氣的吹送，使得焊絲在電弧邊緣處發生彎折，熔化焊絲被吹到熔池的邊緣至母材上，不能實現有效和穩定的熔滴過渡。由此可見，送絲角度較大時，焊絲進入電弧內部的長度過長，電弧對焊絲的加熱作用很大，造成焊絲在電弧邊緣彎折，從而導致送絲過程中的失敗;送絲角度很小時，焊絲進去電弧不充分，熔滴過渡不穩定;當以30°左右的角度送絲時，焊絲進去電弧的長度適中，同時熔滴過渡穩定，故該角度是合適的送絲角度。不等厚鋁合金板材對接，焊絲角度不僅要滿足30°，而且焊絲的填充方向也必須從薄板一側向厚板一側送進，如圖7所示。圖7中不等厚板焊接工藝結構的設計不僅可以完全把厚板熔透，也可以避免薄板一側被焊穿，滿足了薄厚板焊接的要求，除此之外，由于此設計不開坡口，故厚板一側金屬在焊接過程中起到填充焊絲的作用，這樣也可以減少焊絲的填充量，從而降低了成本。

　　3.3不同焊接送絲速度對焊縫成形的影響

　　焊接速度在焊接過程中會影響焊縫余高和焊縫背面成形，隨著送絲速度的提高，送進的焊絲對母材表面的下塌量有所改善，甚至在較高的送絲速度下薄板一側填充量較大，厚板熔化的金屬對薄板填充較小，余高增加，由于送絲速度過快，焊接能量不變，焊絲熔化帶走了一部分能量，從而減小了薄板一側電弧對母材的能量輸出，所以焊接背面成形不好。送絲速度選用50，55，60，65，70，75m�Nh，從焊接結果來看，50m�Nh時，焊接填充焊絲熔化量較小，焊縫填充不飽滿，焊接薄板一側焊縫成形較差;當送絲速度達到75m�Nh時，焊絲填充量增多，焊縫表面成形較好，但是焊縫余高增加，不利于焊后使用，余高增大勢必增大殘余應力;當送絲速度在60～70m�Nh范圍內，焊縫成形較好，所以送絲速度應該保持在60～70m�Nh。

　　3.4焊接電流對焊接接頭成形的影響

　　焊接電流大小對焊絲熔化速度、母材熔深、焊縫內在質量、焊接接頭的性能和生產效率有著重要的影響。焊接電流太大，容易在母材金屬兩側產生咬邊，甚至燒穿;焊接電流過小，則母材金屬未充分加熱，容易造成夾渣和未焊透等缺陷，正常情況下，焊接電流大，則熔深大;焊接電流小，則熔深小。薄厚板焊接時，焊接電流過大，薄板容易燒穿;焊接電流過小，厚板母材不能充分過渡到薄板一側，出現焊接不均勻。試驗采用1mm+3mm，1.5mm+3mm，2mm+3mm3種焊接板厚對接。在相同的焊接工藝參數下，調整焊接電流，焊接電流調節范圍為80～180A，試驗結果如圖8所示，隨著薄板厚度的增加，焊接電流變大，薄板每增加0.5mm，焊接電流增大25A左右，如果焊接電流過小則焊不透，焊接電流過大，薄板被燒穿。

　　4結論

　　文中基于傳統不等厚板的焊接理論，對鋁合金不等厚板采用不開坡口的接頭形式進行焊接，研究鋁合金鎢極氬弧焊的焊接位置、送絲角度和送絲速度以及焊接電流對不等厚板焊縫成形的影響，焊接時鎢極應對準焊縫偏向厚板一側;送絲角度保持在與薄板平面成30°位置;送絲方向指向薄板一側，焊絲始終維持在薄板母材上方;根據板厚差決定焊接電流的大小。

　　參考文獻:

　　[1]陶汪，馬軼男，陳彥斌.LF6鋁合金激光填絲電焊工藝研究[J].中國激光，2013，40(11):4-8.

　　[2]李俐群，張新戈，戴景民.不等厚板雙光束激光焊接研究[J].應用激光，2010，30(6):474-478.

　　[3]周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京:機械工業出版社，2006.

　　[4]賈安東.焊接結構與生產[M].2版.北京:機械工業出版社，2007.

　　[5](美)霍爾德B卡里，(美)斯科特C黑爾策.現代焊接技術[M].6版.陳茂愛，王新洪，陳俊華，等譯，北京:化學工業出版社，2010.

　　《鋁合金不等厚板對接焊接工藝研究》來源：《焊接技術》，作者：苑博 劉巖 張又升 毛雷 李明偉 楊波