大型铝合金骨架焊接变形控制研究

摘要： 以大型铝合金骨架产品为研究对象，对大型铝合金骨架焊接变形控制进行了研究。通过制定合适的外蒙皮拼焊方案、骨架总装拼焊的变形控制、焊接余量的预留以及焊后热处理的过程控制等措施，有效的控制了铝合金骨架的焊接变形。焊后经测量，横梁组件的间距尺寸与理论尺寸的偏差范围为-1～+1 mm，总长尺寸与理论尺寸的偏差为+2 mm，外蒙皮平面度控制在3 mm以内，骨架底面平面度在4 mm以内，满足设计要求。

关键词： 铝合金；大型骨架；焊接变形；焊接余量

中图分类号： TG 457.14

Research on welding deformation control of the large aluminum alloy framework

WAN Jun1，2，YU Jing1，WU Jun1，TANG Bingbing1，WANG Xuqin1

（1.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturing Co.， Ltd.， Shanghai， 200245，China;

2. Shanghai Engineering Center of Process and Equipment for Aerospace Devices Manufacturing， Shanghai， 200245，China）

Abstract： Taking large aluminum alloy framework as the product object， whose welding deformation was studied. Welding deformation of the aluminum alloy framework can be controlled by methods of the formulation of appropriate welding scheme， deformation control of framework assembly welding， reservation of welding allowance and process control of post-welding heat treatment. After welding， the results show that the deviation between the spacing size of the beam component and the theoretical size is -1～+1 mm， the deviation between the length size of the framework and the theoretical size is +2 mm， the flatness of the outer skin is controlled within 3 mm， and the flatness of the bottom surface of the framework is no more than 4 mm. all dimensions of the framework meet the design requirements.

Key words： aluminum alloy; large framework; welding deformation; welding allowance

0 前言

铝合金比刚度高、比强度大、密度小、耐腐蚀性强等特点，被广泛应用于航空、航天等加工制造领域，是目前应用最广的轻金属之一［1-7］。大型铝合金骨架产品由外蒙皮、横梁组件、支耳等零件组成，整体外形尺寸约为9 m×1.7 m×0.6 m，其中横梁组件间距尺寸公差要求±1 mm，骨架外蒙皮平面度要求小于5 mm，对于骨架焊接后的变形控制要求较高。

国内外对铝合金结构件的焊接工艺进行了大量的研究，高艳芳等人［8］对铝合金联装架焊接变形控制进行了研究，结果表明通过焊接组件配对优化、焊接变形预判、焊接工装优化设计、零件焊接余量的预留、焊后热处理过程的控制等方式，可有效控制联装架的焊接变形量；罗胜等人［9］对铝合金地铁底架底板自动焊变形控制进行了研究，结果表明采用调整焊接顺序、焊前合理预置反变形的方法，有效地控制了铝合金地铁底架地板自动焊接变形；王立夫等人［10］对动车组铝合金车体底架焊接变形控制进行了研究，结果表明焊前预制合理的反变形与焊接顺序、施加一定的工艺放量等工艺措施可以有效解决底架焊接变形。对于大型铝合金骨架类产品来说，如何有效控制焊接变形是提升产品质量的关键。

文中从外蒙皮拼焊的变形控制、总装拼焊的变形控制、焊接余量的预留及焊后热处理控制等方面，对骨架产品的变形控制进行了研究，为大型铝合金骨架类产品焊接变形控制提供借鉴。

1 骨架产品结构

大型骨架产品由5A06铝合金拼焊而成，其主体结构由外蒙皮、横梁组件、支耳等零件组成，示意如图1所示。蒙皮及横梁组件均为8 mm铝板拼焊而成，焊接后外形轮廓尺寸约为9 m×1.7 m×0.6 m。

对于该产品，焊接工艺的关键点及难点主要在以下几个方面：

（1）焊接量大，焊缝长度接近100 m，外蒙皮焊后易出现波浪变形、扭曲、局部“塌陷”等；

（2）骨架外蒙皮、横梁焊接后的变形控制，确保焊后外蒙皮平面度小于5 mm；

（3）整体焊接余量的预留，确保每档横梁组件间距尺寸公差±1 mm，满足后续加工要求。

2 焊接变形控制的具体措施

2.1 外蒙皮拼焊的变形控制

外蒙皮外形尺寸达9 m×1.7 m×0.6 m，受限于板料的来料尺寸，需对外蒙皮进行拼焊。经分析计算，为减少焊接变形，依据焊缝数量最少的原则，将外蒙皮拆分为4部分较为合理，如图2所示。

根据上述拆分方法，制定外蒙皮的拼焊方案为：长度4.5 m的板料进行折弯成形为1/4外蒙皮，将2件1/4外蒙皮拼焊成1/2外蒙皮，最后将2件1/2外蒙皮进行拼焊组成最终的外蒙皮零件。考虑到1/4外蒙皮拼焊长度达4.5 m，传统熔焊易造成蒙皮出现波浪变形、扭曲，影响产品机加工要求及外观质量，搅拌摩擦焊可以很好的解决这一问题［11］，故1/4外蒙皮拼焊采用搅拌摩擦焊双面对称施焊，单侧焊接深度5 mm（焊接转速600 r/min，焊接速度120 mm/min）。1/2外蒙皮拼焊采用TIG焊（焊丝ER5356 直径Φ3.2 mm，电流240～270 A），开制双面“X形”坡口，并在对接处增加“π形”板固定，如图3所示。施焊过程中应注意控制层间温度小于100 ℃。正面焊接完成后对蒙皮翻身，焊缝清根。

考虑到总装拼焊过程中外蒙皮也会收缩，进而影响横梁组件的间距尺寸，为消除焊接变形对横梁间距尺寸的影响，需对外蒙皮折弯尺寸进行焊接收缩余量的预留，其中在1/4外蒙皮零件上宽度方向预留1.5 mm收缩余量，高度方向预留1 mm收缩余量，如图4所示。长度方向预留的收缩余量需要考虑两个方面：①1/2外蒙皮对拼本身的收缩余量，预留3 mm，②按照横梁焊接时预留的收缩余量同步进行预留。

2.2 骨架总装拼焊的变形控制

横梁组件之间的间距尺寸要求较高，每档腹板间距尺寸需保证在公差±1 mm范围内，如图5所示。制定合适的焊接收缩余量是保证腹板间距尺寸满足公差要求的重中之重。

焊接横梁组件时，为减少外蒙皮的“波浪”焊接变形，应在外蒙皮端面处使用铝管进行刚性支撑，同时在腹板位置及支耳开档位置也增加铝管，以减小腹板和支耳开档的焊后变形。焊接横梁组件时，应优先焊接立焊缝，且焊接过程中应分散、对称施焊，同时应控制焊接速度，减小焊接变形，如图6所示。

2.3 焊接余量的预留

骨架母材均为5A06铝合金，焊接收缩量较大，如焊接过程中不预留收缩量，产品尺寸尤其是横梁组件的间距尺寸难以保证。骨架产品焊缝主要分布在以下几个区域：1. 1/2外蒙皮拼焊处对接焊缝，2. 横梁组件与外蒙皮T形角接焊缝，3. 腹板与盖板的T形角接焊缝（即横梁组件的焊缝）。

焊缝的收缩一般分为横向收缩和纵向收缩，其中横向收缩变形主要是因热源附近高温区金属的热膨胀收到拘束，产生了横向压缩塑性应变，熔池凝固后，焊缝附近金属开始降温而收缩，这是焊缝横向收缩的主要组成部分，而焊缝本身的收缩仅占横向收缩总量的10%左右［12］。对于对接焊缝而言，横向收缩量ΔB值比纵向收缩量要大很多，如公式（1）所示［13］

ΔB=Aqαcγt

式中：ΔB为焊缝横向收缩量；A为经验系数，电弧焊为1.0～1.2；q为焊接热输入；α为材料线膨胀系数；c为材料比热容；γ为材料密度；t为材料厚度。

上述公式UG0Dxd/XQY9eCpZMUu810tWBez9Fe0xPurblxOGw7IQ=一般用于钢结构中。粗略计算时，对接焊的ΔB值为焊缝宽度的0.1～0.15［14］。作为借鉴，将铝合金的各项材料性能［15-16］带入上述公式，可得出铝合金ΔB值约为焊缝宽度的0.3～0.45。1/2外蒙皮厚度为8 mm，对接焊缝坡口形式为“X形”双面坡口，焊缝宽度为8 mm左右，带入公式可得出1/2外蒙皮对接焊缝理论横向收缩量为2.4～3.6 mm。

T形接头由于横向收缩在板厚度上的分布不均匀，往往产生角变形。T形接头的角变形β取决于角焊缝的焊脚尺寸K和板厚t。图7为铝镁合金T形接头的角变形关系图［16］。

横梁组件与外蒙皮的T形焊缝为双面角焊缝，焊脚尺寸K为8mm，板厚t为8mm，根据图7的角变形趋势，可大致得出横梁组件与外蒙皮的T形焊缝角变形β约为0.055 rad。将T形接头处的角变形近似看成外蒙皮两侧的弯曲变形，如图8所示，外蒙皮弯曲变形的角度为β/2=0.0275 rad。横梁组件每档间距为900 mm，则外蒙皮T形焊缝的横向收缩为ΔB=900-（2×450×cosβ/2）=0.34 mm，每档横梁组件共有3条T形焊缝（外蒙皮底面1条，侧面2条），总计每档横梁组件焊缝的横向收缩为0.34×3=1.02 mm。

结合骨架产品特点及焊缝的分布范围，可知骨架产品在长度方向上会有较大的收缩，宽度和高度方向相对较小。以理论公式得出的对接焊缝横向收缩、T形焊缝横向收缩数据为参考，结合实际工程经验，制定相应的焊接余量预留方案：横梁组件之间每档间距预留1.5 mm，1/2外蒙皮对拼处预留3 mm，高度方向预留1 mm，宽度方向预留3 mm。即骨架产品最终的焊接余量预留方案为：长度方向预留1.5×10+3=18 mm，宽度方向预留3 mm，高度方向预留1 mm，如图9所示。

2.4 焊后热处理的过程控制

骨架产品焊缝长度约100 m，焊后残余应力较大，因此需要焊后进行去应力热处理，同时还可对产品进行热校形。为了保证骨架热处理后的尺寸和平面度要求，需将骨架在专用退火平台上压紧，如图10所示。根据焊后测量的骨架底平面的平面度，骨架变形趋势为“两头翘”，因此在骨架底面中部增加4 mm垫块，以补偿骨架“两头翘”的变形影响，如图11所示。经过去应力热处理的热校形后，在机床上测量骨架底面的平面度，结果在4 mm范围内，满足后续加工要求。

3 焊接结果

按照上述工艺方法制造了1件骨架产品，1/4外蒙皮的拼焊采用搅拌摩擦焊后，焊缝外观质量良好，焊后整体变形量小，宽度尺寸收缩量为2 mm左右。结合焊接变形理论计算，对骨架产品长度、宽度及高度方向预留了合适的焊接余量，保证了焊后横梁组件的间距尺寸，经卷尺测量，产品实测尺寸结果见表1。横梁组件的间距尺寸与理论尺寸的偏差范围为-1～+1 mm，总长尺寸与理论尺寸的偏差为+2 mm，满足设计要求。通过在外蒙皮及横梁腹板上增加铝管刚性支撑，有效控制了外蒙皮、腹板表面焊后出现的“波浪”变形，经刀口尺测量，外蒙皮平面度控制在3 mm以内。通过焊后在专用退火平台压紧并施加了反变形控制措施进行焊后热处理，骨架底面平面度良好，经机床测量，底面平面度在4 mm以内。

4 结论

（1）采用搅拌摩擦焊对1/4外蒙皮进行拼焊，焊缝外观质量良好，焊后整体变形量少，宽度尺寸收缩量为2 mm左右。

（2）通过增加“π形”工装和铝管等方式，可有效控制骨架总装焊接后的变形，经测量，外蒙皮平面度可达到3 mm以内。

（3）以焊接变形理论计算为参考，按照横梁组件之间每档间距预留1.5 mm，1/2外蒙皮对拼处预留3 mm，骨架产品高度方向预留1 mm，宽度方向预留3 mm的焊接收缩余量预留方案，可保证骨架总长及横梁组件的间距尺寸，经复测，横梁组件的间距尺寸与理论尺寸的偏差范围为-1～+1 mm，总长尺寸与理论尺寸的偏差为+2 mm，满足设计要求。

（4）焊后热处理前在专用退火平台将骨架压紧，并在底面施加4 mm的反变形控制措施，平台随骨架一起进行焊后热处理，出炉后骨架底面平面度良好，可达到4 mm以内。

参考文献

［1］

王钢，赵才其，郑腾腾.新型铝合金花环齿槽形组合节点滞回性能试验研究［J］.建筑结构， 2024， 54（2）：145-151.

［2］ 郭红玲，于春洋，刘春艳，等.铝合金地铁车牵引梁结构建模策略对比研究［J］.大连交通大学学报， 2023， 44（4）：27-30.

［3］ 王一唱，袁灵洋，杨磊，等.Al-Zn系高强铸造铝合金强韧化研究现状与展望［J］.稀有金属材料与工程， 2023， 52（11）：3954-3970.DOI：10.12442/j.issn.1002-185X.20220800.

［4］ 付敏敏，亢涛涛，王强，等.5A06铝合金锥形壳体挤压成形工艺研究与试验验证［J］.锻压技术， 2024， 49（6）：126-133.

［5］ 尹宣，赵艳秋，王建峰，等. 火箭贮箱侧壁法兰结构TIG焊接变形仿真与顺序优化［J］. 焊接，2024（1）：21-26.

［6］ 史雄华，牛业兴，向生，等. 船体结构焊接变形的预测与控制研究进展［J］. 造船技术，2019（1）：1-6，13.

［7］ 郭廷银，高燚，张祥. 转向架构架侧梁焊接变形控制研究［J］. 金属加工：热加工，2023，（5）：93-99.

［8］ 高艳芳，廖传清，万骏，等. 铝合金联装架焊接变形控制［J］. 焊接，2020（11）：17-20，55.

［9］ 罗胜，陈春跃，黄润涛，等. 铝合金地铁底架地板自动焊接变形控制［J］. 焊接与切割，2020（12）：55-57.

［10］ 王立夫，尹德猛，杨仲林，等. 动车组铝合金车体底架焊接变形控制［J］. 电焊机，201747（10）：89-93.

［11］ DONATUS U ， THOMPSON G E， MOMOH M I， et al. Variations in stir zone and thermomechanically affected zone of dissimilar friction stir weld of AA5083 and AA6082 alloys［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2018， 28：2410-2418.

［12］ American Welding Society. Wedling Handbook［M］. 9th Edition. Volume 1， Welding Science and Technology. Miami， 2001.

［13］ 陈强. 焊接手册：第3卷 焊接结构［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［14］ 杨轶丽，赵峰，哈锐，等. 高熵合金增强铝基复合材料的研究进展［J］. 热加工工艺，2024，53（14）：4.

［15］ 贾剑平，李田雨. 冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟［J］. 机械工程材料，2024，48（1）：108.

［16］ Николаев Г А， Куркин С А， Винокуров В А. Сварные Конструкции［M］. Москва： Высшая Школа， 1982.

收稿日期： 2024-08-20

万骏简介： 1991年出生，硕士，主要从事航天复杂焊接结构件的研究。E-mail： JunWan_CASC@163.com。