深潜器钛合金框架结构装配焊接工艺研究

1、深潜器钛合金框架结构装配焊接工艺研究孟祥军，吴学才，张建欣(中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南 洛阳 471039)摘 要：针对钛合金构架的工艺要求，依据焊接变形的受力方向，预测钛合金型材的变形程度和趋势，正确计算焊缝的收缩量，制定并实施合理的装配焊接工艺，保证型材的平面度、垂直度公差和焊接强度，并且保证构架的装配形位公差，采用合理的工艺方法使装配焊接达到设计技术要求。关键词：钛合金；深潜器框架；装焊工艺 中图法分类号：TG 146.4 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2008)S3-0036-041 前 言深潜器在进行海底科学探测，深海生物研究、海洋地质考察，考古研究等方

2、面具有重要的意义，因此各国都非常重视深潜器的研制，尤以大潜深的钛合金深潜器研究为重。深潜器钛合金框架由不同规格的钛合金型材焊接而成，本文中钛合金框架结构件的制作工艺研究，采用新型船用国产Ti75合金材料，目的是为钛合金深潜器框架结构国产化提供工艺技术准备（图1），以考察国内的装焊技术工艺水平与俄罗斯工艺水平的差异，并为制定产品验收标准提供技术依据。对于其他用途的钛合金框架结构件的建造也有重要参考意义。图1 总体图Fig.1 The drawing of the frame2 技术要求1,22.1 分段及意义选取结构较复杂的头部及中部主体结构进行制造，主要研究型材的组装、焊接、变形及框架主体的装

3、配、焊接、变形情况，为制造产品作好工艺准备。分段的总体尺寸为：分段长3190 mm，分段宽3220 mm，分段高3500 mm。包括横框架、起吊框架、压载水箱等主要部件。2.2 材料及焊材Ti75板材，厚度包括4、5、6、8、10、12及20 mm，焊机采用国产时代逆变WSM-400焊机。2.3 切口与坡口要求在板材上划线应尽量采用细记号笔，在焊接熔合面上加工中去除部分上可用划针划线并允许打样冲。板材的下料采用机械剪切和火焰切割的方法，厚度较大时用等离子切割，必须采取措施避免火花溅落在材料表面上引起氧化和伤痕，切割面用机械方法或砂轮打磨，然后用电挫机去除切割面的氧化层及污染物，保证焊接面的清洁

4、度，焊接破口的表面不得有氧化层、裂纹、分层等影响焊接质量的缺陷，以保证焊接质量。2.4 表面处理及表面质量成形后的钛材表面不应有划伤、刻痕、裂纹、弧坑等缺陷。必要时可进行补焊、打磨抛光处理，但修磨的斜度小于1:3，深度小于板材厚度的5%，而且不大于1 mm。拼接板的错边量应小于板厚的10%，且小于1 mm。框架表面最后进行喷砂处理。2.5 型材的形式及装配焊接要求型材的形式，由板条组合而成的型材的截面形状分为I形、T形、L形、和形钛合金型材构件，板条之间打坡口采用TIG焊接。焊高根据图纸对不同位置的要求进行施焊。型材的腹板与面板或角型材的两直角边的垂直度误差应不大于腹板高度的1%，最大不超过1

5、.5 mm；I形和槽形型材的两个面板的平行度误差不大于面板宽度的2%，最大不超过1.5 mm。组焊型材如果不够长度，允许拼接，面板与腹板的接口应至少错开100 mm，以提高拼接型材接口的强度，及预防因焊缝集中造成的应力变形。型材总长度范围内焊后的不平度误差不超过2 mm。装配焊接型材时，制作工装以便装配定位和防止焊接变形。发生焊接变形应进行矫正，合格后才能进行装配。框架焊接后的平行度和垂直度误差不超过2 mm，对角线误差不大于3.5 mm，底纵桁、中纵桁、顶纵桁的上下表面平面度误差不超过2 mm。框架总长度误差2.5 mm，总宽度误差2.5 mm，总高度误差2.5 mm。2.6 焊接工艺要求2

6、.6.1 施焊环境（1）焊接在空气清洁、无尘、无烟的环境下进行。（2）焊接场地为独立的焊接车间，无其他金属污染。（3）在下列情况下禁止施焊：A）风速1.5 m/s；B）相对湿度80%；C）焊件温度5 ；D雨雪天气室外作业。2.6.2 焊前准备（1）焊丝和材料保持干燥，相对湿度不大于65%。（2）焊接坡口用机械加工的方法或用电挫机除去表面氧化膜，焊前用白绸布沾丙酮脱脂清洁，如4 h未施焊，焊前应重新清洗。（3）焊前装配定位点焊，在焊接条件、工艺、装配尺寸检验合格的条件下进行施焊。（4）在热量较大的情况下，必要时在钛板下加紫铜冷却垫板冷却。（5）对于焊在结构上的装配定位工装、夹具、防止变形约束工装

7、、装配手持工装等附件，尽量避免影响焊接施工，采用相同材质的材料与焊接工艺施焊，去除后留下的焊疤打磨与母材平齐。2.6.3 焊丝、材料、焊接保护（1）焊丝与板材在施工前进行试样焊接工艺评定，施焊的条件、工艺要求与实际焊接的条件要求相同，并进行射线探伤、金相检测合格，在焊缝的塑性、抗拉强度、耐蚀性与母材退火状态下性能相同。焊接性能良好，能满足使用要求的前提下施焊。（2）焊丝根据JB/T4745规定，选取Ti75焊丝，焊丝直径为1.2、2.5、3.2 mm，不同牌号材质焊接材质选取按强度等级较低的母材选择焊丝。（3）焊丝保持清洁、干燥，端部氧化部分施焊前切除，表面氧化酸洗后使用。（4）保护用氩气符合

8、GB/T4842规定，纯度高于99.99%。（5）根据焊缝的形式、位置制作保护罩，并经过工艺评定，保护效果良好的条件下使用。（6）焊缝的正面和背面在焊接时都要进行氩气保护，背面用垫板的焊缝除外。（7）选用铈钨极，钨极头的直径保证足够的氩气流量，并磨尖后的钨极头能达到结构焊缝。2.6.4 焊缝外观要求与检验（1）焊缝与热影响区表面不应有裂纹、未熔合、气孔、弧坑、夹杂、飞溅物等缺陷，焊缝外不应该有起弧打伤点，焊接后用10倍放大镜100%检测，并用着色探伤方法对焊缝进行100%检测，对于焊缝内部质量按无损检测JB4730有关规定执行，100%射线检测的合格标准不低于级。（2）部件和整体焊接完工后，对

9、所有焊缝及热影响区进行检验，银白色、金黄色为合格；蓝色、紫色为次之、允许出现在非重要部位；灰色、暗灰色、或白色、黄色粉状物均为不合格，必须对焊缝进行返修。（3）主要焊缝表面与热影响区不应该有咬边，非重要部位的咬边允许返修，但焊缝两侧的咬边不可超过该条焊缝长度的10%。（4）对接焊缝的余高，单面坡口时，e1为板厚n的010%，e20.5 mm，如图2。e2ne1图2 单面坡口Fig.2 Single groovee2ne1双面坡口时e1为板厚n的010%，e21 mm，如图3。图3 双面坡口Fig.3 Double groove（5）角焊缝的厚度应不小于组成角焊缝两边构件厚度中较小值的0.7，焊

10、角的高度不小于较薄板厚度，焊缝与母材呈圆滑过渡。2.6.5 焊缝的返修规定（1）焊缝及热影响区的不合格颜色或表面缺陷经过打磨后，若母材厚度仍能满足设计要求的，可以不补焊，不能满足技术要求的必须补焊。（2）需要返修时，其工艺与焊接条件应符合正常焊接工艺条件。（3）焊缝同一部位的返修次数不宜超过2次，如超过2次应经过技术人员批准，做全面检测达到合格为准，对返修部位和次数进行记录，写入产品质量档案。3 型材制作及装配焊接工艺1,23.1 板材下料与预处理各部件的准确放样下料工艺。确定对框架整体结构进行分段、分部件装配-焊接-矫正、然后整体装配焊接矫正的制造方案进行施工。根据钛合金的切割要求，在切割时

11、要求用小火焰、半氧化焰、长风线、快速度切割，尽量避免和减少切割时产生的氧化区面积。对于宽度小于70 mm，长度大于400 mm的方料和特殊形状的板料，采用气割下料的方法，其他可进行剪切下料的板材采用剪切的方法下料。对方形材料采用直接划线下料，对于特殊形状的材料，在计算机上电子图板进行1:1放样测量，打印出放样图，按放样图作样板划线进行下料。所有板材下料后刷防氧化涂料，在热处理炉中进行加热至600 保温60 min退火处理，在空气中冷却到正常温度。然后去除表面防氧化涂料，矫平、以备组装。3.2 型材的装配与焊接3.2.1 型材的制作用0.2 mm记号笔或划针在上下面板上准确划出装配线。然后进行腹

12、板和面板的装配，装配时注意测量材料的尺寸、相对位置的平面度、垂直度、形位公差等与图纸及技术要求相符合。定位焊的点焊点大小要均匀，每200 mm一点，前后左右对称，保证板材在符合要求的条件下受焊接应力的平衡性，达到焊点与焊接位置对板材之间的互相约束。经过交叉、单向点焊方案试验，效果都能达到要求（如图4，图中黑色粗线段为定位焊点的位置）。焊接方向和焊接顺序设计，对于组装后的型材面板对面板点焊在一起作刚性固定，按设计好的焊接顺序和焊接方向、适当的焊接速度进行焊接。焊接后趁热用超声波消应仪对焊缝进行冲击消应力，达到消应效果后再磨开。基本保证了型材的各项要求。经检验型材的平面度误差最大为0.8/1000

13、，俄罗斯焊接型材的平面度误差最大为1.2/1000。Vertical viewVertical viewSectionalSectional12341234121112151678171856131491012345634109781112131415161718图4 型材组装定位焊点焊位置与点焊顺序方案Fig.4 Spot welding position and sequence in profiles assembly: (a) crossed spot welding;(b) one way spot welding3.2.2 T型材的制作T型材的划线、装配、焊接方向、焊接顺序参照H型

14、材的方案。焊接时将T型材成对点焊作刚性约束，然后进行焊接，焊接后用超声波消应仪消应力。3.2.3 型材的制作型材在焊接过程中和焊接后的变形都比较明显，应该特别注意。考虑到面板受角焊缝的拉力比平焊缝拉力而产生的变形明显，而且一旦出现收口变形，矫正的难度比较大，先焊外面的平焊缝，后焊内侧的角焊缝。3.2.4 L型材的制作L型材的制作基本上是参照型材的制作方法进行的，效果都比较好。 3.2.5 部件的装配与焊接部件结构放样：根据对图纸部件的分解，按照结构的特点，从长度方向把构架分为几个剖面部件，从上下方向分位上、中、下三个纵桁部件。在计算机电子图板上作各部件的装配放样图。配装型材：在平台上按装配放样

15、图用划针划出放样线，把型材放在线上，划出要截取的长度和角度。然后截取配好的尺寸，打磨清理干净截取面。装配部件：在平台放样图上装配部件，按公差要求点焊牢固，并根据结构加装防止变形的工艺工装。焊接部件：由于对接焊缝都比较短，容易产生弯曲，因此在焊接时采取了先焊腹板后焊面板，对称焊的焊接原则，对称打底，对称盖面，两遍焊成。3.2.6 整体装配与焊接整体结构放样：根据对图纸结构在计算机上测量各部件的相对位置尺寸，确定装配基准线的尺寸，计算出检测相关角度、垂直度、长度、宽度的数值，以备装配定位和检测。定位工装与装配固定：根据需要设计制作定位工装，在平台上确定工装的位置；利用工装保证上、中、下3个平面的平

16、面度、相对位置、并切用压板作刚性固定。总体装配：根据框架的宽度和高度及焊缝的收缩量确定装配的尺寸，从此结构上分析，装配定位时每条焊缝予留了1.52 mm的收缩量。先把底纵桁面固定在平台上，利用工装上的重锤线，找到构架的中心线，确定上纵桁面与底纵桁面的相对位置，定位装配上纵桁面的位置，利用工装上的螺栓调整到位置，并用压板压紧，作刚性固定。根据总装放样图，确定横向主要基准装配面，先装配该剖面，其他依次类推，检查装配位置无错误后点焊牢固。总体焊接：框架为对称结构，焊接应该采取对称焊的焊接原则。主体焊接由4个焊工从4个角同时焊接主要立柱与上下纵桁面的连接位置，先焊立焊缝，后焊平焊缝和仰焊缝。对于其它焊

17、缝原则上仍采用对称焊的方法，使整体结构处于受力平衡状态。消应力处理：每焊接1遍用超声波效应仪对焊缝进行3遍消应处理，消应后焊缝经检查合格，方可拆下工装和压板。整体修形：构架焊接焊缝与结构尺寸检验合格后，对整体外形进行修整，对于弧坑、压痕、缺凹、高点、毛刺、焊缝及热影响区氧化膜等外观缺陷进行修补打磨抛光处理。合格后进行喷砂处理。4 结 论此次工艺试验是成功的，首次研制的钛合金深潜器框架结构焊接型材，在装焊工艺上获得了良好的控制。通过研究在型材和框架尺寸控制以及外观质量方面超过了俄罗斯的制造水平。根据目前的工艺水平，我们完全有能力制造深潜器钛合金框架结构，且产品质量达到甚至超过了俄罗斯的制造工艺水

18、平。参考文献 References 1 Huang Jiahu(黄嘉琥). Ti Alloy Chemical Equipment(钛制化工设备)M.Beijing: Chemical Industry Press, 20022 Chinese Mechanical Engineering Society(中国机械工程学会焊接学会). Welding Handbook(焊接手册)M. Beijing: China Machine Press, 2003Study on Assembly Welding Technology for Ti Alloy Frame of SubmersibleMeng Xiangjun, Wu Xuecai, Zhang Jianxin(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang 471039, China)Abstra