大型薄壁复杂结构机匣类零件自动化焊接技术

大型薄壁复杂结构机匣类零件自动化焊接技术

刘丛辉

沈阳黎明航空发动机有限责任公司辽宁省沈阳市110043

摘要：焊接是现阶段金属材料连接固定的一种常用方法，在一些大型薄壁机械设备中，由于自身内部结构复杂，加上机匣类零件具有精密化程度高等特点，对焊接技术提出了更高的要求。自动化焊接技术不仅在作业效率上有了明显的提升，而且在保证焊接质量方面，相比于人工焊接也具有突出优势。但是在自动焊接时，由于自动化技术不够成熟、自动设备自身质量等原因的限制，偶尔也会出现裂缝、变形等问题。本文首先概述了薄壁机匣类零件焊接中常见的一些问题，随后就自动化焊接技术要点和未来发展前景展开了简要论述。

关键词：薄壁类机械；自动化焊接；残余应力；预变形

引言：数控技术和智能设备的推广应用，为自动化焊接奠定了扎实的基础。大型薄壁复杂结构机匣类零件，由于装配精度高，以往人工焊接经常会因为对焊接温度、焊接速度掌控不到位，而影响焊接质量，薄壁机匣类零件出现变形甚至是穿透等问题。不仅造成了经济损失，而且也影响了产品的质量安全。在这一背景下探究薄壁机匣类零件自动化焊接的技术要点和常见问题的质量控制措施，就具有极强的现实应用价值。

一、薄壁机匣类零件焊接问题及成因

根据以往的工作经验，薄壁机匣类零件在焊接过程中，常见问题的形式有多种，例如咬边、气孔、夹渣、裂纹、焊瘤等。这些焊接问题的形成原因不一，但是都会零部件的焊接效果造成负面影响。本文主要以焊接变形为例，就问题形成原因展开了简要分析。

1、间隙设计不良或错位超差

由于薄壁机匣类零件的厚度较小，焊接过程中产生的热量会导致材料理化性质发生一定程度的改变，例如物理强度、硬度降低，在受到压力后容易发生材料变形情况。另外，在一些焊缝密集的地方，由于多次焊接也会导致该部位出现裂纹聚集的情况。对两个零件进行连接焊接时，间隙设计不合理，或是焊接面不平，也会因为错位超差而导致焊接变形。对同一薄壁机匣类材料进行多次焊接，或是焊接时间过长，还会出现烧穿等问题。

2、焊机跟踪技术不够灵敏

在自动化焊接中，自动跟踪技术的运用，可以根据焊接材料的不同、焊接位置的变化，自动调整焊接参数，包括焊接的温度、速度等，从而保证了自动化焊接的质量。但是在实际应用中，由于薄壁机匣类零件的种类多样，且精密化程度较高，经常会出现焊机跟踪不灵敏、焊缝检测出现误差的情况。此外如果焊接过程中发生振动，也容易造成焊接轨迹偏移的问题，最终的零件焊接效果不理想。近年来出现了一种将激光传感装置应用于焊机跟踪的新技术，极大的提高了跟踪灵敏度，解决了焊接轨迹偏离焊缝的问题，但是还未推广使用。

3、机匣类零件自身的原因

薄壁机匣类零件自身的特殊性，也是自动化焊接经常出现质量问题的重要原因。相比于普通的金属零件，薄壁机匣类零件除了具有种类多样、焊缝较多的特点外，还存在物理强度低等问题。例如使用电子束焊，由于热量过高可能会造成材料受损、变形。另外，现阶段很多大型薄壁机械均采用了集成化结构，对焊接质量提出了更为严格的要求。焊接方法的选择、热处理效果等，都会对最终的成品质量产生影响，这也是自动化焊接中需要重点考虑的问题。

二、薄壁机匣类零件自动化焊接技术

1、选择合适的焊接方法

随着焊接工艺的不断成熟，目前自动化焊接已经逐渐取代手工焊，并且应用领域也得到了进一步的拓展。现阶段在薄壁机匣类零件的焊接上，常用的工艺方法包括自动氩弧焊、机器人自动氩弧焊、高能束流焊接等几种。不同的自动化焊接技术，在具体操作方法、使用环境等方面也存在差异，需要技术人员根据焊接需要进行针对性的选择。选择一种最佳的焊接工艺，除了可以节约时间、提高焊接效果外，对改善零件整体质量和提高产品整体性能也有一定帮助。

2、变形预测与控制设计

薄壁机匣类零件在焊接过程中出现变形是一种常见的问题，如果变形严重需要重新更换新的零件，会造成材料的浪费和增加成本。因此，在自动化焊接开始前，还需要进行变形预测，根据每个零件的结构特点、材料成分以及焊接要求，采取必要的焊接控制措施，降低零件出现变形的概率。在变形预测中，可以借助于计算机，综合热传导、力学、电弧物理等多门技术，对机匣类零件的焊接残余应力、焊接变形程度等进行模拟。根据模拟结果，不断的调整自动化焊接的具体参数，直到模拟结果不存在变形问题。

3、运用预变形工艺

一般采用弹塑性预变形技术并与焊接工装设计相结合。有研究结果显示，未采用预变形的GH3039合金焊后接头残余应力值几乎达到材料的屈服强度水平，钛合金焊后残余应力能达到材料屈服强度的70%左右。因此，采用预变形工艺不仅能减小焊后变形，大大减少焊后接头的残余应力，而且还能提高结构稳定性和安全性。技术人员在使用预变形技术时，应提前考察不同零部件的最大屈服强度，然后再确定残余应力的控制范围，这对于进一步提高自动化焊接中变形问题的控制效果也有一定帮助。

4、降低焊接残余应力

在焊缝冷却过程中，焊缝及近缝区金属的热收缩因受到两侧较冷部分的约束限制而发生弹塑性拉伸变形。在冷却过程所产生的拉应力中，超过材料屈服极限的部分得到释放，但仍有接近或低于屈服强度的拉应力保留下来，并相应地在远离焊缝的区域产生与之平衡的压应力，如果压应力值高于板件的临界失稳压应力值，则焊件就会发生压曲失稳变形。焊接过程中应力与变形的主要控制方法有预拉伸法和温差拉伸法，从而达到降低焊接残余应力和变形的目的。

5、小电流焊接与刚性固定

在大型薄壁机械中，虽然单个机匣类零件的强度较低，但是对于整体结构体系的强度有较高要求，这就需要保证焊接部位的牢固性，通过采取刚性固定解决零件的变形、裂纹等质量问题。同时，考虑到薄壁机匣类材料自身的特点，在确保刚性规定的基础上，还要防止出现焊穿等问题。可以采用小电流焊接的方式，通过降低自动焊接机的电流与电压，对同一焊接点进行反复焊接，这样既可以保证整体结构具有较强的刚性，又不会出现焊透的问题。目前在大型薄壁机匣类零件的自动化焊接中，这种焊接工艺已经得到了广泛运用。

三、自动化焊接技术的发展前景

计算机技术与数控技术的成熟运用，在很大程度上提高了自动化焊接的水平。早期的自动化焊接，虽然相比于人工焊在效率上有所提升，但是对于一些结构复杂、材质特殊的零部件，焊接效果并不理想。经过多年的技术积累和创新，自动化焊接不仅在作业效率、适用范围上有了更大的进步，而且焊接工艺也得到了极大的丰富。随着传感技术、计算机技术、智能控制技术的发展，大型薄壁机匣类零件的自动化焊接水平与质量也会得到进一步提升。下一步，自动化焊接将会在结构更加复杂、质量要求更高的情况下得到推广应用。

结语：薄壁机匣制造涉及饭金件、铸锻件环、直缝自动焊，以及各种形状安装座封闭结构焊缝的自动化焊接。由于装配精度、结构刚性以及材料受热输入等因素影响，给焊接工艺及其自动化带来极大的困难。自动化焊接技术的运用，可以更好的使用不同类型的薄壁机匣类零件焊接，并且在焊接效果、焊接速度上有明显的优势，随着未来自动化焊接水平的提升，在大型薄壁机械中的应用也会越来越广泛。

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