密封盖板焊接裂纹分析

张 森，代仁文

(海装重庆局，重庆 401120)

焊接工艺属特殊过程，是生产过程中着重关注的工艺，但焊接工艺常因为工艺设计、选材等方面的原因会影响焊接效果，有时会产生裂纹等非预期现象。文献［1 -4］中分析了焊接工艺中常遇到的疑难问题及现在采用的焊接工艺，本研究在此基础上针对某型舰炮的密封盖在焊接中出现的裂纹，从材料的焊接性能、零件状态和焊接流程等方面分析裂纹产生的机理，并提出了改进要求，对以后的生产具有一定的指导意义，也为其他焊接件的生产提供借鉴。

某型舰炮自动机采用管后坐的自动方式，电底火弹药，为防止自动机及弹药在使用过程中，因海水或夹渣等因素可能导致的短路及动作不可靠，设计了密封盖等装置进行密封和防护。密封盖主要采用焊接的方式进行连接密封盖由摇架盖板、底座和窗盖等零件焊接装配而成，其装配方式如图1所示。

图1 密封盖相关零件装配位置示意图

在舰炮使用过程中，密封盖主要起密封和观察作用，但在产品生产过程中，密封盖出现了焊接裂纹，直接影响到了密封性能。焊接裂纹如图2 所示。

图2 焊缝裂纹位置示意图

1 机理分析

密封盖焊接处裂纹外侧长度约为40 mm，内侧长度约为6 mm，均为贯穿性裂纹(摇架盖板厚度3.5 ～4 mm)，裂纹距离焊缝距离约为10 mm。本研究针对焊接所选用零件材料、焊丝性能、零件实物状态和焊接流程等方面进行分析。

1.1 零件材料性能分析

摇架盖板本体材料为ZL101A，为铝硅系列铸造合金，是以ZL101 合金为基础严格控制杂质的合金，具有良好的铸造、焊接和耐腐蚀性能，其强度为σb≥235 MPa，伸长率为2～5%，详见表1、表2 所示［5-8］。底座的材料为5A06，材料状态为H112，厚度为12 mm，具有较好的焊接和耐腐蚀性能，其抗拉强度σb≥305 MPa，伸长率≥12%［2］。

表1 Al-Si 系合金的铸造性能

表2 铸造铝硅合金的和机加工特性

通过表1 和表2 可知，ZL101A 材料的铸造性较好，选择较好的铸造工艺，可避免较多的铸造缺陷的产生，同时其采用氩弧焊的焊接性能也较好。因此，在摇架盖板上焊接另外一个焊接性也较好的零件，是可行的。

1.2 焊丝选择及性能

焊接时，在工艺上采用SAlSi -1 焊丝，通常用于焊接铝板、铝硅铸件、一般铝合金、锻铝和硬铝。由于零件本体材料为铝硅铸件和一般铝合金，因此具有良好的融合性能，合适作为ZL101A 和5A06 材料间的焊丝材料。焊丝化学成分见表3，焊接接头力学性能见表4 所示。

表3 焊丝化学成分

表4 焊接接头力学性能

1.3 焊接前零件状态

摇架盖板零件在实际加工过程中，由于铸造余量的差异导致加工后，零件的厚度小于资料规定为尺寸5 mm(局部只有3.5 mm)。同时，由于机加后斜面厚度较薄，加之斜面的平面度由于机加热变形较差，零件中间表面会凹下去，平面度达到4 ～5 mm。而底座平面度较好，当两个零件贴合在一起焊接时，为消除贴合面之间缝隙及焊接需要，会使用夹具将两个零件贴合在一起，首先就会在强度较差的一个零件上产生较大的预应力。

1.4 焊接流程

摇架盖板和底座焊接前，首先进行了吹砂和表面清洁工作，焊接前均进行了预热处理。焊接方法采用氩弧焊，焊缝类型为角焊缝，焊接时沿底座四边焊接，四周焊缝长度约为750 mm，工作量较大，工人实际操作时焊角高度也不容易保证，资料要求焊缝高度为4 mm，而实际焊缝高大部分达到了6 mm。当焊缝越高，焊接时零件产生的热容量就更大，产生的应力也就越大。

综上所述，在摇架盖板上产生的裂纹原因主要有两个:摇架盖板的零件状态未能满足产品要求，导致在焊接时，在夹具的作用下，会在其上面产生较大的预应力; 焊缝实际焊接结果比产品资料要求较高，导致焊接时产生的热容量较大，从而也产生了较大的应力。由于摇架盖板材料的强度和伸长率低于底座的材料强度和伸长率，当两个零件相互作用时，造成在摇架本体焊缝附近热应力区的本体被撕裂，从而产生焊接裂纹。

2 制定措施

密封盖的主要起密封和观察作用，直接受力较小，因此针对密封盖的焊接裂纹的采取的解决措施就是消除焊缝裂纹，然后优化设计结构，具体解决措施如下。

2.1 裂纹解决措施

针对在生产过程中两件已经出现的密封盖裂纹情况，首先对裂纹部分进行打磨，然后补焊。同时从以下几个方面进行工艺优化和严格的过程控制:焊前和焊后进行预热和缓冷措施，减小应力;提醒操作者严格控制焊缝高度;密封盖焊接完成后，增加回火去应力工序，以减少残余应力。最后对补焊后的密封盖进行探伤检查。

2.2 优化改进措施

摇架本体作为铸造件，其本意就是尽可能多的将需要的形状直接通过铸造成型。因此为避免因焊接可能产生的裂纹，后续优化改进设计时，取消零件底座和焊接，直接在摇架盖板坯件铸造时，将底座的形状铸造上去，预留机加余量，然后整体机加成型，如图3 所示。

图3 优化设计的摇架盖板局部示意图

3 结论

密封盖补焊后，首先进行探伤检查，未发现有裂纹，随后，又进行了舰炮小型交验试验，再次对密封盖进行了探伤检查，也未发现有新的裂纹产生。因此可以得出，补焊后的密封盖仍然满足产品的使用要求。通过对该密封盖的裂纹分析，得出结论如下:

1)在产品生产过程中，检验部门要严格控制产品零件的状态，切实做到图物一致性，确保产品质量，这是生产的首要保证。

2)在编制焊接工艺过程中，涉及焊接前预处理和焊后回火等工序很多，工艺部门需细化工序，以便指导操作者按步骤执行，避免疏漏，从而影响到焊接质量。

3)在产品设计时，针对铸造的零部件，在满足刚强度和性能的情况下，选用铸造性较好的材料，同时因尽可能的在铸件上，把结构需要的形状直接铸造出来，减少后续还需要在铸件上进行的各种处理。

［1］邱葭菲.焊接工艺疑难问题解析［J］.热加工工艺，2003(1):56-57.

［2］王耀，李志勇.焊接工艺制定及评定系统［J］.电焊机，2010(4):43-47.

［3］尹长华，闫臣，崔相国.国内外长输管道常用焊接工艺［J］.电焊机，2009(5):22-31.

［4］刘立鹏，魏艳红，梁宁，等.不锈钢焊接性分析与焊接工艺设计专家系统［J］.焊接技术，2009(7):30-34.

［5］中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册［M］.北京:机械工业出版社，1999.

［6］吴宗泽.机械设计实用手册［M］.3 版.北京:化学工业出版社，2003.

［7］中国焊接学会.焊接标准汇编［M］.北京:中国标准出版社，1996.

［8］田锡唐.焊接结构［M］. 北京:机械工业出版社，1982.