目前，节能、轻量化是工业生产中一种发展趋势[1]，在航空航天中，减重对于航天器的结构应用非常重要，而在航天器结构中，金属结构非常复杂，不等厚板的焊接非常重要。不等厚板焊接过程中，在焊缝部位容易产生刚度变化和变形不协调，从而容易出现应力集中[2];焊接接头的强度取决于焊缝形式和焊接工艺，影响焊接接头质量好坏，主要依靠焊缝的结构设计和焊接参数。铝合金具有比强度高，热稳定性好，耐腐蚀，机械加工性能以及可再生性较好，资源丰富等一系列优点，近年来在航空航天领域得到了广泛的应用，成为理想的轻量化材料[3]。5A06铝合金是非热处理强化铝合金，属于AL-Mg系的典型合金，其拥有较好的焊接性和抗腐蚀性能，被广泛用于航天中飞行器的主要金属材料中，5A06铝合金薄板的焊接常采用钨极氩弧焊工艺焊接;研究其焊接参数以及结构对不等厚板的焊接生产具有指导意义。
1焊接温度场
焊接时未发生熔化的母材部位，在焊接热循环条件下，其不同部位受到不同的热影响，相当于经历不同的特殊热处理，其组织和性能均发生不同于母材的变化，这部分母材称为热影响区[4]。焊接热影响区以及焊缝区域在焊接过程中的焊接热循环如图1所示。由图1可以知道，焊接时母材的温度场分布极不均匀，离焊缝越近的部位，其加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越高;反之，离焊缝越远的部位，加热速度越低，峰值温度越低，冷却速度也越低。不等厚板的焊接热循环有着传统的普遍特点，也有着其自身的特点，因为焊接接头的母材板厚具有差异，厚板传热较快，需要更大的热输入，薄板传热慢，需要较小的热输入，所以在焊接过程中，电弧需要分配不同的，这就对焊接时电弧的位置有严格的要求。焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。焊接是一种局部加热的过程，而且热源高度集中，所以焊接应力和焊接变形是不可避免的，尤其是在不等厚板之间的焊接中，但残余变形和残余应力是可以通过采取适当的工艺措施来调整和控制的，如可减小热输入、选择合理的焊接顺序、加以适当拘束等。焊件在焊接过程中会发生一定程度的宏观变形，不仅影响到焊接质量，通常还导致焊接过程的中断。尤其对于薄板构件的自动焊，若焊接时不加以加持固定，相对弧长会不断变化，甚至发生短路现象，使焊接无法进行，薄板焊接也容易出现波浪变形以及失稳。因此实际构件多数情况下都是在受约束的状态下进行焊接的。
2不等厚板焊接材料的熔化特性
不等厚板的焊接分为填充焊丝和不填充焊丝2种。无填充焊丝时，不等厚板焊接的填充模型，分为有间隙和无间隙2种。当有间隙存在时，主要靠厚板的熔化向薄板过渡来填充间隙，假定厚板的熔化量正好填充间隙，焊缝成理想的梯形，从而得到近似的最大适应间隙，如图2所示;当不存在间隙时，焊接电弧应向薄板一侧稍微偏移，增加薄板一侧的热输入，因为不需要熔化更多的厚板金属来填充焊缝。当填充焊丝时，填充金属不完全依靠厚板熔化，而是焊丝和厚板熔化一起充当焊缝的补充金属，这样相对来说焊缝金属对厚板的依靠减小，填缝机理如图3所示。由图3可见，相同焊接工艺参数下焊接电弧比不填充焊丝时要偏向薄板，因为一方面需要电弧一部分能量来熔化填充焊丝，一方面减少厚板母材的熔化，以免焊缝余高增加，应力变大。
3铝合金不同薄厚板对接接头形式及焊接工艺参数设计
如图4所示，厚度不同的两工件之间的对接接头，有多种方法可使焊接接头中的应力流变平滑，图4中下方的对接形式有2个应力集中点，一个位于角焊缝趾部，另一个位于未焊透的根部，右侧的接头是一个较好的解决方案，这种接头具有相对平滑的应力流，在底部的接头也具有相对平滑的应力流，而且焊接成本较低，因为它需要减少填充金属[5]。最左侧的接头形式从结构设计来说是最好的，可是填充金属多，成本较高，厚板一侧需要加工，工序复杂。传统的焊接接头采用开坡口，加工复杂，工序较多，浪费材料。本次试验主要对不开坡口的对接形式进行试验，这种形式结构简单，节省材料，加工简单。试验材料为航天中常用材料5A06板材。
3.1不同电弧作用位置对焊缝成形的影响
试验采用2种焊接位置形式，如图5所示，位置形式1是焊接电流作用于厚板和薄板之间，电弧作用在厚板和薄板的对接接头中心;位置形式2是焊接电弧作用于对接接头两侧，但是偏重点不一样，大的热输入作用在厚板一侧，小的热输入作用在薄板一侧。焊接试验结果表明:采用图5中电弧位置形式1时，焊缝表面成形极不均匀，如果控制热输入可使薄板一侧完全焊透，而厚板一侧则会出现未焊透缺陷，会对焊接结构强度大大降低;如果热输入足够大，使厚板一侧熔化，则薄板一侧会出现焊穿现象，不利于接头成形;采用图5的电弧位置形式2时，焊缝表面成形较为均匀，焊缝外观表面成形光滑，控制好热输入的情况下，可以形成较好的焊接接头。图6为位置形式2所得到的焊接接头形式。
3.2不同焊接送丝角度对焊缝成形的影响
钨极氩弧焊焊接电极产生的热量不仅用于母材的熔化，对于填充金属焊丝的焊接来说，也是焊丝熔化的热源，在填丝焊过程中，不同的送丝角度会影响焊丝的加热和填充，从而影响焊缝的成形。试验采用5°，30°，60°3种角度进行焊接，结果为:当送丝角度为5°时，焊丝受到电弧加热区域较小，对焊丝的加热不充分，随着焊丝继续送进，当焊丝熔化形成熔滴时，焊丝已经送到了超过熔池中心的部位，当熔滴滴下的时候到达不了焊缝中心，使得焊接接头成形不良;当焊丝以30°的角度送进时，焊丝可以在电弧区域受到充分地加热，焊丝熔化所形成的熔滴可以很好地进到熔池中，稳定而有效地过渡，能够形成有效的焊接接头。当焊丝以60°的送丝角度被送到电弧区域时，焊丝在送进过程中受到的加热作用较大而发生提前软化，加上正面保护气的吹送，使得焊丝在电弧边缘处发生弯折，熔化焊丝被吹到熔池的边缘至母材上，不能实现有效和稳定的熔滴过渡。由此可见，送丝角度较大时，焊丝进入电弧内部的长度过长，电弧对焊丝的加热作用很大，造成焊丝在电弧边缘弯折，从而导致送丝过程中的失败;送丝角度很小时，焊丝进去电弧不充分，熔滴过渡不稳定;当以30°左右的角度送丝时，焊丝进去电弧的长度适中，同时熔滴过渡稳定，故该角度是合适的送丝角度。不等厚铝合金板材对接，焊丝角度不仅要满足30°，而且焊丝的填充方向也必须从薄板一侧向厚板一侧送进，如图7所示。图7中不等厚板焊接工艺结构的设计不仅可以完全把厚板熔透，也可以避免薄板一侧被焊穿，满足了薄厚板焊接的要求，除此之外，由于此设计不开坡口，故厚板一侧金属在焊接过程中起到填充焊丝的作用，这样也可以减少焊丝的填充量，从而降低了成本。
3.3不同焊接送丝速度对焊缝成形的影响
焊接速度在焊接过程中会影响焊缝余高和焊缝背面成形，随着送丝速度的提高，送进的焊丝对母材表面的下塌量有所改善，甚至在较高的送丝速度下薄板一侧填充量较大，厚板熔化的金属对薄板填充较小，余高增加，由于送丝速度过快，焊接能量不变，焊丝熔化带走了一部分能量，从而减小了薄板一侧电弧对母材的能量输出，所以焊接背面成形不好。送丝速度选用50，55，60，65，70，75mh，从焊接结果来看，50mh时，焊接填充焊丝熔化量较小，焊缝填充不饱满，焊接薄板一侧焊缝成形较差;当送丝速度达到75mh时，焊丝填充量增多，焊缝表面成形较好，但是焊缝余高增加，不利于焊后使用，余高增大势必增大残余应力;当送丝速度在60～70mh范围内，焊缝成形较好，所以送丝速度应该保持在60～70mh。
3.4焊接电流对焊接接头成形的影响
焊接电流大小对焊丝熔化速度、母材熔深、焊缝内在质量、焊接接头的性能和生产效率有着重要的影响。焊接电流太大，容易在母材金属两侧产生咬边，甚至烧穿;焊接电流过小，则母材金属未充分加热，容易造成夹渣和未焊透等缺陷，正常情况下，焊接电流大，则熔深大;焊接电流小，则熔深小。薄厚板焊接时，焊接电流过大，薄板容易烧穿;焊接电流过小，厚板母材不能充分过渡到薄板一侧，出现焊接不均匀。试验采用1mm+3mm，1.5mm+3mm，2mm+3mm3种焊接板厚对接。在相同的焊接工艺参数下，调整焊接电流，焊接电流调节范围为80～180A，试验结果如图8所示，随着薄板厚度的增加，焊接电流变大，薄板每增加0.5mm，焊接电流增大25A左右，如果焊接电流过小则焊不透，焊接电流过大，薄板被烧穿。
4结论
文中基于传统不等厚板的焊接理论，对铝合金不等厚板采用不开坡口的接头形式进行焊接，研究铝合金钨极氩弧焊的焊接位置、送丝角度和送丝速度以及焊接电流对不等厚板焊缝成形的影响，焊接时钨极应对准焊缝偏向厚板一侧;送丝角度保持在与薄板平面成30°位置;送丝方向指向薄板一侧，焊丝始终维持在薄板母材上方;根据板厚差决定焊接电流的大小。
参考文献:
[1]陶汪，马轶男，陈彦斌.LF6铝合金激光填丝电焊工艺研究[J].中国激光，2013，40(11):4-8.
[2]李俐群，张新戈，戴景民.不等厚板双光束激光焊接研究[J].应用激光，2010，30(6):474-478.
[3]周万盛，姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京:机械工业出版社，2006.
[4]贾安东.焊接结构与生产[M].2版.北京:机械工业出版社，2007.
[5](美)霍尔德B卡里，(美)斯科特C黑尔策.现代焊接技术[M].6版.陈茂爱，王新洪，陈俊华，等译，北京:化学工业出版社，2010.
《铝合金不等厚板对接焊接工艺研究》来源：《焊接技术》，作者：苑博 刘岩 张又升 毛雷 李明伟 杨波
