0 前言

用铝合金焊接管路产品，为了增加铝合金管路对位移的补偿能力，需要在铝合金管路产品中加入补偿器组件。最为常见的补偿器组件是Cr-Ni不锈钢波纹管。这种波纹管采用了多层薄壁不锈钢板钣金压制成型的加工方式[1]。波纹管属于不锈钢材质，而导管为5A06铝合金材质，两种金属材料焊接的难度较大。目前焊接不锈钢和铝合金最为常用的焊接方法是钎焊[2-5]和扩散焊[6-8]。由于铝合金焊接导管产品空间范围尺寸较大且形状不规则，考虑到加工工艺的难易程度及生产成本，实际生产过程中不采用整管钎焊或者扩散焊的焊接工艺。通常是通过钎焊的方式加工出不锈钢和铝合金焊接接头，然后通过接头铝端与铝合金导管连接[9]，接头钢端与不锈钢波纹管连接的方式将补偿器组件加入到整个铝合金导管中。文中分别对铝/钢接头钢端和铝端焊接结构展开研究，期望找到优化的焊接结构。

按照实验方法测定4个V-4Cr-4Ti合金样品中Al、As、Co、Cu、Fe、Mg、Mn、Ni、P、K、Na，进行加标回收试验，见表4。

1 铝/钢接头钢端结构设计

1.1 优化前钢端接头结构形式

钢端和波纹管直线端的接头结构形式采用搭接接头形式，焊接方式采用电阻滚焊。钢端的焊接接头本质是一种多层薄壁不锈钢板的搭接接头，如图1所示。采用这种焊接结构形式的优点是搭接接头通过电阻滚焊焊接方式直接连接，电阻滚焊的整个过程中可以采用外部冷却水进行降温，焊接接头的温度不会高于100 ℃。钎焊接头强度受温度影响较大，通过电阻滚焊的工作方式能够有效的保护钎焊接头。但是，这种搭接接头结构形式有两个缺点，首先，电阻滚焊接头是一种搭接接头，这种接头形式的强度一般要低于弧焊的对接接头。此外补偿器组件中的波纹管由两层0.2 mm的不锈钢板组成，焊接接头相当于3层不锈钢板搭接接头，接头强度依赖于各层之间的焊缝剥离强度，焊缝破坏方式是母材从焊缝区剥离(图2)。其次，电阻滚焊过程的稳定性要低于氩弧焊，对母材金属表面状态要求更高，一般而言电阻滚焊前，母材金属之间不能有大于0.5 mm凸起或凹陷。电阻滚焊和电阻点焊一样，表面金属飞溅是其最主要的焊接缺陷。金属飞溅形成的主要原因是局部金属过热并气化，局部发生爆裂的液体金属冷却之后成为一种外形不规则的金属表面缺陷。飞溅缺陷的外观和金属机械加工产生的金属毛刺外观类似。当飞溅缺陷存在波纹管外部，可采用锉刀对飞溅进行挫修。当飞溅缺陷位于波纹管内部时，由于不在视线范围内，因此无法进行挫修，而且脱落后会留在管内，影响管内介质纯净度,如图3所示。

本文的研究主要基于费金、哈尔彭等人的《知识推理》(1995年)中引入了知识模型、公共知识和建立在程序基础上的知识和计算等的认知逻辑。在范·本特姆的《动态逻辑探究》(1996年)中引入了动态逻辑系统，并结合坎普等人的《自然语言中的信息》(2008年)中有关信息流的研究，在借助蒙太古的《形式哲学》(1974年)的基础上阐述了自然语言的动态逻辑在人工智能中的应用和哲学阐释。

  

图1 优化前的钢端焊接接头形式

  

图2 多层薄壁不锈钢板电阻滚焊剥离试验

  

图3 管内焊接飞溅缺陷示意图

1.2 优化后钢端接头结构形式

优化后的钢端采用TIG对接的焊接方式。波纹管端是两层0.2 mm的薄壁不锈钢板，直接滚焊后的厚度只有0.4 mm，0.4 mm薄板对接难度较大。文中在波纹管两端增加宽度为10 mm，厚度为0.4 mm的不锈钢钢带，采用电阻滚焊的方式将3层薄壁管滚焊成一条宽度为5 mm的焊缝。通过车铣加工的方式将波纹管端面车切至焊缝核心处。此后，按照波纹管两端尺寸和钢端进行配车，保证0.8 mm的对接接头形式。然后通过手工TIG焊接工艺，将铝/钢接头钢端和波纹管连接在一起，如图4所示。这种方式的优点是采用稳定性较好的TIG焊接工艺进行连接，不会产生类似飞溅的表面缺陷。但是TIG焊接热输入量要远高于电阻滚焊工艺，焊缝区热量会通过金属传导至钎焊部位，引起钎焊部位温度过热，使得钎焊接头强度降低。为了避免钎焊接头过热，文中采用在水中浸泡过的石棉绳对钎焊接头进行缠绕，通过水分蒸发将多余的热量散发到空气中，从而控制钎焊部位温度。当接头结构改进后，钢端焊接一次合格率有较大幅度提升，搭接电阻滚焊焊接接头合格率达到50%～60%，电阻滚焊和TIG焊结合的焊接接头合格率则超过90%。

“客餐招待，你签名就行了，去吃吧，不差。景点先搁着，我想了下，6万块钱不能白扔给你们，矿山复采、尾砂开发是我们着手在搞的大项目，可行性评估出来了，前景很好，你替我写篇煽情的报道，撒出去，没准能引来投资。”

  

图4 优化后的钢端焊接接头形式

2 铝/钢接头铝端结构设计

2.1 优化前铝端接头形式

铝合金接头形式均采用图5结构，铝端和铝合金导管的内外径尺寸一致，保证了铝合金对接接头的结构形式。中间部位设计了一个高度为5 mm，宽度为12 mm，距离焊接端面10 mm的凸台。凸台的作用是用于整个管路产品进行液压气密试验考核时，对补偿组件长度进行限位。如果没有凸台，整个管路在进行载荷试验时，波纹管会被拉伸至变形，导致补偿器组件破坏。文中将φ144 mm，φ125 mm，φ85 mm的类似结构管路产品进行试验件焊接，将产品的接头进行X射线探伤检测。探伤结果表明，所有的试验件均产生裂纹，裂纹位置都在靠近凸台的焊缝热影响区处，并沿焊缝纵向分布。

为了改变焊接残余应力分布，将焊接结构进行优化，把凸台向远离焊缝的方向移动10 mm，这样凸台距离焊缝端面从10 mm增加到20 mm，如图7所示。将优化后的结构进行仿真试验发现，原先的应力分布状态随着结构改变而改善。原先焊缝一侧的残余应力峰值降低。整个焊缝局部应力分布梯度趋于平缓，应力范围介于130～140 MPa之间，如图8所示。对φ144 mm，φ125 mm，φ85 mm的优化结构形式的试验件进行焊接试验，通过X射线探伤未发现裂纹缺陷。由此可知结构局部刚度对焊接残余应力分布的影响很大，同时也是导致焊接裂纹缺陷产生的主要原因。

  

图5 优化前铝/钢接头网格模型

  

图6 焊接残余应力分布云图

2.2 优化后铝端接头形式

通过焊接过程仿真技术，采用热力耦合有限元算法，对铝/钢接头铝端焊接过程进行仿真。将温度场的结果作为应力场计算的载荷条件，最终得到了铝端的焊后残余应力分布情况。从图5～6中可以看出，凸台结构距离焊缝位置过近，导致焊缝局部拘束过大，焊接残余应力集中于靠近凸台一侧，应力峰值可达190 MPa。这种局部高拉应力的应力状态使得焊缝热影响区附近容易出现裂纹。

  

图7 铝/钢接头铝端结构优化

  

图8 优化后焊接残余应力分布云图

2.3 改进前后效果对比

图9为铝/钢接头改进前后焊接情况对比图。通过试验对比发现改进钎焊接头铝端结构能够有效的降低结构刚度，降低裂纹的产生。图9中左侧是改进后的接头形式，焊后通过X射线检测没有发现裂纹。图9中右侧是改进前的接头形式，焊接后通过X射线检测发现，靠近凸台一侧出现裂纹，这与图6中的残余应力峰值区域的位置相同。

  

图9 试件焊接情况对比图

3 结论

(1)波纹管端与钎焊接头钢端采用TIG对接的接头形式要优于搭接电阻滚焊的接头形式。一方面，电阻滚焊和TIG相结合的接头结构形式的力学强度优于搭接或搭接电阻滚焊接头。另一方面，它的工艺稳定性要优于电阻滚焊，产品焊接合格率更高，而且不存在管内缺陷无法观测和消除的问题。

(2)铝端的凸台结构应与焊缝端面保持一定距离。凸台结构距离焊缝端面过近，会使得局部刚度较大，焊接残余应力集中在靠近凸台一侧，导致焊缝纵向裂纹产生。建议凸台距离焊缝端面20 mm以上。

参考文献

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[2] 鲍俊娟，高志广. 2A50铝合金钎焊钎料与钎剂的选择[J]. 机械工程材料, 2006，30(12)：41-44.

[3] 刘树英. 钎剂对铝合金与不锈钢大气钎焊性影响的二重性[J]. 金属铸锻焊技术，2009，38(15)：97-99.

[4] 吕志成. 燃气用铜管的钎焊连接技术[J]. 新技术新工艺, 2007(5)：22-24.

[5] 张汇文，岳鑫，张九海，等. 钛合金与不锈钢的钎焊和扩散焊技术研究现状及发展趋势[J]. 焊接, 2013(7)：51-53.

[6] 雷振, 秦国梁, 林尚扬,等. 铝与钢异种金属焊接的研究与发展概况[J]. 焊接, 2006(4):16-20.

[7] 吴铭方. 铝合金与不锈钢低温扩散焊及界面主组元扩散行为研究[D]. 镇江: 江苏大学博士学位论文, 2011.

[8] 王敬, 尹小燕, 杨帅. Fe/Al异种金属扩散界面区的显微组织[J]. 焊接技术, 2011, 40(12):15-17.

[9] 李洪飞，王龙，刘景铎，等. 6A02和5A06异性铝合金接头TIG焊工艺研究[J]. 焊接, 2015(7)：46-47.