一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法与流程

本发明属于大厚度铝合金电子束焊接技术领域，具体涉及一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法。

背景技术：

随着我国太空探索规模的不断扩大和新型战略武器的发展，对进入空间能力的要求不断提高，弹箭体结构朝着大型、轻质化、高强高韧方向发展。大型航天运载器零件的生产涉及轻质材料如铝合金超大厚度结构的焊接问题。使用电子束焊接技术，可以不用开坡口一次完成大厚度材料的穿透焊接，减少焊接次数，大幅提高超大厚度铝合金焊接的生产效率，减少焊接变形，同时降低了人为技术因素对接头质量的影响。如何通过工艺的方法获得超大厚度铝合金较好的焊缝质量也成为重点研究的方向。

由于铝合金化学成分活泼，极容易氧化，在铝合金的电子束焊接过程中会发生强烈的“匙孔”效应。超大厚度(≥150mm)铝合金的电子束焊接，焊缝深度大，焊接过程中焊缝内部出现冷隔、缩孔等缺陷的倾向大，为了减少焊缝内部缺陷，亟需研制一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法，以减少超大厚度(≥150mm)铝合金的电子束焊接过程中焊缝内部缺陷。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法，适用于厚度为 150mm～180mm的铝合金电子束的焊接，包括如下步骤：

(1)确定排气槽形状

在焊接过程中，焊缝金属熔化流动，从焊缝背面流出，同时焊接过程中产生的气体也一同逸出，在锁底上设计排气槽以接收流出的熔化金属；

大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构的锁底排气槽形状为燕尾形，其截面是等腰梯形，槽口宽度L＜槽底宽度L1；

当金属熔滴接触到燕尾槽两边壁后，金属熔滴受到边壁挤压，熔滴与边壁发生润湿作用，较大的金属熔滴发生解体并附着在边壁两侧，形成较小的金属熔滴；解体后较小的金属熔滴在重力的作用下，沿边壁流下并相互远离，完成整个导流过程；

(2)确定排气槽尺寸

(2.1)计算排气槽容积和单位长度排气槽面积

排气槽容积V＞焊缝背面漏出金属体积；

单位长度排气槽面积S＞铝合金试块的厚度δ*焊缝宽度b*(1+焊接时焊缝金属体积膨胀率)；

(2.2)确定等腰梯形截面的角度θ：60°；

(2.3)计算燕尾槽的槽口宽度L：

燕尾槽的槽口宽度L满足以下两点：

槽口宽度L＞背面焊漏金属球的最小尺寸直径dmin，防止焊漏金属熔滴在形成球状的过程中阻塞槽口；

槽口宽度d表示焊漏熔滴的平均直径；

(2.4)确定燕尾槽深度：

槽底宽度燕尾槽面积燕尾槽深度

在上述计算确定的燕尾槽深度的数值范围内，结合工艺裕度确定燕尾槽深度。

进一步的，如上所述的一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法，铝合金试块的厚度δ为150～180mm，其焊缝宽度b在12～15mm范围内。

进一步的，如上所述的一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法，焊接时焊缝金属体积膨胀率11.9％。

进一步的，如上所述的一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法，焊漏熔滴的平均直径d＝10mm，槽口宽度L＝6mm，燕尾槽深度h＝17～20mm。

进一步的，如上所述的一种大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构设计方法，铝合金试块的厚度δ为150～180mm，其焊缝宽度b在12～15mm范围内；焊接时焊缝金属体积膨胀率11.9％；焊漏熔滴的平均直径d＝10mm，槽口宽度 L＝6mm，燕尾槽深度h＝17～20mm。

本发明技术方案的有益效果在于：

工艺上采用了穿透焊接的方式，同时创新性的在焊缝背面增加了具有排气槽结构的工艺锁底结构。通过这些方法，保证了：(1)穿透焊时，锁底“兜”住焊漏金属，避免焊漏金属流出导致的焊缝正面凹陷；(2)增加排气槽，加快焊缝内部气体的外排，减少缺陷在焊缝根部的淤积。

附图说明

图1为燕尾形排气槽容积计算示意图；

图2为矩形、V形、燕尾形排气槽“导流”过程示意图；

图3为燕尾形排气槽工艺锁底对焊缝的“导流”过程示意图；

图4燕尾形排气槽工艺锁底槽口宽度尺寸设计图；

图5为燕尾形排气槽工艺锁底底边角度设计图；

图6为160mm铝合金电子束焊接燕尾形工艺锁底结构图；

图7为160mm铝合金电子束焊接燕尾形工艺锁底固定方式示意图；

图8为带排气槽锁底后的超大厚度铝合金焊缝超声波C扫描检测图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。

针对150mm～180mm超大厚度铝合金电子束焊接，设计带有排气槽结构的工艺锁底。基本的设计理念如下：

(1)通过控制排气槽大小，起到“兜”住焊漏金属的作用

在焊接过程中，焊缝金属熔化流动，从焊缝背面流出，同时焊接过程中产生的气体也一同逸出，为了“兜”住焊漏金属，同时不影响大厚度焊缝的排气效果，需在锁底上增加排气槽。通过对150～180mm大厚度铝合金焊接时的金属排出量进行估算，确定排气槽容积，保证排气槽在“兜”住熔化金属的同时不影响熔化金属的流动。

(2)通过设计排气槽形状以及尺寸，优化焊漏金属“外排”功能

在焊接过程中，熔化后的液态金属均匀连续的从焊缝背面流出，汇聚成球状熔滴附着在焊缝背面，液态熔滴的张力沿球形熔滴表面法向方向向其内部施加应力，使得熔滴具有收缩的倾向，伴随着熔化金属的冷却，熔滴的长大受到了阻碍，进而抑制了熔化金属的排出，也抑制了焊缝内气体的排出。

因此设计的排气槽工艺锁底结构，必须具备加速熔化金属外排的“导流”效果。

(1)确定排气槽形状

通过如图1～3所示的理论对比矩形，V形以及燕尾形等3种形状排气槽的“导流”效果，结合熔化金属熔滴在与排气槽边壁接触发生润湿后的运动分析3 种排气槽在“导流”过程中效果，选择优化的排气槽形状。

对比分析矩形排气槽、V形排气槽以及燕尾形排气槽的“导流”过程(图2)，导流过程主要分为接触、润湿解体、下落以及熔滴凝固4个过程。

在熔滴发生润湿解体后，不同形状的排气槽边壁附着的小金属液滴沿边壁运动过程也不相同，矩形排气槽两边壁液滴在流动过程中相互平行，V形排气槽两边壁液滴在流动过程中相互聚拢，燕尾形排气槽两边壁液滴在流动过程中相互远离。

由于熔滴内的液态金属分子不断运动，分子相互吸引，矩形以及V形排气槽两边壁附着的小金属液滴会在流动过程中发生接触，根据界面润湿反应自由能最小化理论，相互接触的液滴会发生融合并不断的相互扩散力图使熔滴表面积最小，在此过程中，熔滴发生凝固并阻塞排气槽，影响排气效果。

而燕尾形排气槽的导流过程则不同。其“导流”的原理见图3。当金属熔滴接触到燕尾槽两边壁后，金属熔滴受到边壁挤压，熔滴与边壁发生润湿作用，较大的金属熔滴发生解体并附着在边壁两侧，形成较小的金属熔滴；解体后较小的金属熔滴在重力的作用下，沿边壁流下并相互远离，完成整个“导流”过程。

大厚度铝合金电子束焊接工艺锁底结构的锁底排气槽形状为燕尾形，其截面是等腰梯形，槽口宽度L＜槽底宽度L1；

(2)确定排气槽尺寸

如图4～7所示，按照设计思路，排气槽与焊缝背面贴合的槽口宽度过小，会导致熔化金属在形成球状的过程中堵塞槽口；为了发挥排气槽的“导流”作用，槽口宽度又不能过大。通过统计焊漏金属球的平均尺寸，确定排气槽槽口宽度尺寸。

确定槽口宽度后，对排气槽的其他外形尺寸进行计算。

(2.1)计算排气槽容积和单位长度排气槽面积

在焊接熔池凝固过程中，由于晶间补缩造成的组织疏松、晶粒细化造成的松散结构增多等因素，焊缝内部金属体积发生膨胀。膨胀后的熔化金属沿对缝处逸出，形成焊漏。为保证焊漏能够充分逸出，排气槽容积必须大于焊缝背面漏出金属体积(图1)。经对计算，厚度δ在150～180mm的铝合金试块，其焊缝宽度b在12～15mm范围内，近似认为焊缝厚度与焊缝宽度同比线性增加，按照焊接时焊缝金属体积膨胀率11.9％进行计算，故单位长度排气槽面积S＝δ×b, 应不小于214～321mm²。

排气槽容积V＞焊缝背面漏出金属体积；

单位长度排气槽面积S＞铝合金试块的厚度δ*焊缝宽度b*(1+焊接时焊缝金属体积膨胀率)；

(2.2)确定等腰梯形截面的角度θ：燕尾槽角度θ越大，相应的槽深越大，考虑到锁底试块的经济性与加工难度，选择燕尾槽角度为60°。

(2.3)计算燕尾槽的槽口宽度L：

燕尾槽的槽口宽度L满足以下两点：

槽口宽度L＞背面焊漏金属球的最小尺寸直径dmin，防止焊漏金属熔滴在形成球状的过程中阻塞槽口；

槽口宽度d表示焊漏熔滴的平均直径；

在本实施例中，槽口宽度应大于背面焊漏金属球的最小尺寸直径dmin，防止焊漏金属熔滴在形成球状的过程中阻塞槽口；同时为了充分发挥排气槽的导流作用，槽口宽度不能过大。经对焊接后的大厚度焊接试块进行试验测量，大厚度试块的焊漏熔滴直径在7mm～11mm之间，取直径d＝10mm。按照几何尺寸计算，槽口尺寸计算后得槽口尺寸5.7mm，取L＝6mm。

(2.4)确定燕尾槽深度：

槽底宽度燕尾槽面积燕尾槽深度

在上述计算确定的燕尾槽深度的数值范围内，结合工艺裕度确定燕尾槽深度。

在本实施例中，将上述步骤中得到的数值带入，L＝6，θ＝60°，150～180mm 焊接厚度的燕尾槽面积S＞214～321mm²，即h＞14.7～18.9mm，考虑到工艺裕度，取h＝17～20mm。

(3)试验验证

对使用优化后的排气槽工艺锁底进行穿透焊的焊接试块进行超声无损检测，如图8所示，分析超声检测结果，从图中可以看出燕尾形排气槽工艺锁底，锁底起到了“兜”住焊漏金属的作用，有效的减少了焊缝根部的缺陷，验证了排气槽工艺锁底对于改善焊缝内部质量的效果。