基于超声滚焊的压力容器铝箔内壁焊接技术研究

贾力伟

【摘 要】为解决压力容器防腐内壁层封口强度低的问题，开展了超声波连续滚动焊接铝箔技术研究。综合分析了影响焊接质量的主要工艺参数，对焊接过程中铝箔及焊头的应力场和温度场分布进行有限元仿真;重点研究了焊接压力、铝箔厚度等重要工艺参数对焊接质量的影响。通过正交试验进一步讨论了焊接速度、焊接压力、铝箔厚度等关键工艺参数的最优组合。结果表明，执行选定参数后，焊缝处剥离破坏强度可达铝箔母材抗拉强度，内壁层封口焊接强度取得显著改善，满足运行工况设计预期。

【关键词】铝箔;压力容器;超声波;焊接;有限元

中图分类号： TG663 文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）07-0190-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.07.079

【Abstract】For solving the problems of low bonding strength of anticorrosion inside the pressure vessel， Technology of ultrasonic continuous welding used in aluminum alloy foil is researched in this paper. It analyses the technological parameters which affect the welding quality most. Through the finite element simulation it analyses the stress and temperature distribution of metal layer and welding head during the welding process. The influence of important parameters such as welding pressure and thickness of metal layer on welding quality is studied. The optimal combination of key process parameters such as welding speed， welding pressure and thickness of metal layer is discussed by orthogonal test. The results show that the bonding strength at the weld can reach the tensile strength of the metal itself， and can also meet to the design expectation.

【Key words】Aluminum foil; Pressure vessel; Ultrasonic; Weld; finite element

复合材料压力容器在石油化工、航空航天，核工业等多领域取得广泛应用，容器内壁防腐问题不容忽视。特别是在某些特殊应用场合，内部酸性工作介质对树脂基体具有较强腐蚀性，容器内壁防腐问题显得尤为突出。铝箔防腐层具有附加质量小、成型工艺简单、成本低廉、适合工业化应用等独特优势。铝箔焊接封口技术是该工艺的核心难点，超声波焊接对铝箔有较好的焊接性能，超声波滚焊技术则更是专用于薄质铝箔材料的长距离直线焊接工艺[1]。

该技术在国内主要应用于塑料焊接工艺[2]，国外及部分国内厂家将该技术引进于铝箔箔生产线，用于断口拼接[3]，焊接技术要求相对宽松。国内最新研制中的新一代专用超高速旋转压力容器内壁的铝箔焊缝具有宽度小，距离长，厚度薄，圆弧面（Φ160mm圆弧）的特点，焊接条件极其特殊，极大地增加了焊接工艺增大难度;焊接工艺参数复杂多样，焊接频率、焊接振幅、焊接功率、焊接压力、焊接速度等。参数需进行匹配控制，任何参数出现微小偏差都会对焊接质量产生极大影响[4]，焊接难度可想而知。文章采用有限单元法对焊接过程的应力场和温度场分布进行仿真，分析了焊接压力、铝箔厚度等主要参数对焊接质量的影响;结合仿真正交试验[5]，对主要工艺参数的最优组合进行验证说明，防腐层搭接封口问题得到初步解决。

1 铝箔超声焊接过程有限元仿真分析

1.1 焊接模型有限元建立

超声波焊接铝箔过程中的温度场和应力场对其焊接质量和确定最优焊接工艺参数具有非常重要的意义[6-7]。通过有限单元法数值模拟焊接过程，可得到焊接界面、焊头与底模的温度场分布，以及焊头和铝箔的应力场分布。焊接过程中焊头及铝箔内部的温度场与应力、应变场是双向耦合的[10]。在模拟计算时，通过ANSYS-Workbench多物理场模块的热-结构耦合功能，进行温度场和应力、应变场的耦合计算并做以下假设：（1）铝箔之间没有间隙（完全接触）;（2）焊头与上层铝箔层，底模与下层铝箔层之间没有相对滑动（固定约束）;（3）焊接过程中室温恒定在22℃（环境温度恒定）。

对实际物理模型进行简化处理，沿底模长度方向截取一定长度后，所建立三维有限元模型如图1所示，其中模型由超声波焊头、上下层铝箔及底模组成。选择三维8节点热分析单元（Quad77）进行热分析，选择三维8节点结构单元（Brick185）进行结构分析;焊头与铝箔、铝箔与底模以及铝箔间的接触均采用面-面接觸方式，用三维接触单元（Contact174）代表接触面。塑性变形及摩擦所产生的热流量QFlow施加到焊接区域，在焊头和铝箔边界及底模上施加对流热量QConvection;对底模进行全位移约束，焊接压力施加于焊头与上层铝箔的接触面上，对焊头施加频率为35KHz，振幅为25μm位移载荷。

1.2 仿真结果分析

在焊接压力300N、焊接时间0.1s、焊头振幅25μm、工作频率35KHz条件下模拟的温度场如图2-a所示。热影响区多集中于焊头下方的塑性变形区域，焊接界面最高温度达383℃，尚未达到铝箔熔点（660℃），且沿竖直方向快速递减。应力场如图2-b所示，应力集中同样主要出现在焊头下方与铝箔接触部位，焊头的最大应力为57MPa，铝箔的最大应力为40MPa，低于其最大破坏应力55MPa，焊接过程铝箔发生了塑性变形。超声焊接过程铝箔在摩擦压力和热场共同作用下发生冷态非熔化的焊接，与超声焊接机理分析[2]吻合。

2 工艺参数优化选型

2.1 试验方法及结果

最优工艺参数对实际焊接具有指导作用，对提高焊接强度和焊接精度具有决定性作用。实际工作中可调参数往往只有焊接压力、焊接速度以及所选用铝箔原材料的热处理状态。文章采用通用的正交试验法进行参数的优化选型，不考虑三因素间交互作用，每个因素取三个水平，设计成三因素三水平的仿真正交试验，并分别测试其剥离破坏强度。

2.2 试验结果分析

试验数据服从正态分布，可进行极差计算分析。对焊接强度影响程度大小依次为：焊接速度、焊接压力、铝箔热处理状态。可选择焊接压力在第三水平，焊接速度在第三水平，铝箔状态第一水平作为初选的优化焊接工艺参数。

图3表征了各因素水平与焊接剥离强度的关系，焊接速度和焊接压力尚未达到使焊缝剥离强度最大的值。可固定铝箔类型，调整焊接速度及焊接压力做进一步试验，但进一步增大焊接速度时容易出现虚焊现象，增大焊接压力时又容易出现过焊现象。因此最终得到的最佳参数组合为焊接速度为6mm/s，焊接压力为2.2MPa，铝箔状态为O1态。

执行上述参数完成的铝箔焊接试验件焊缝外观平整，连续均匀，无虚焊、过焊等焊接缺陷。采用通用国标对焊缝进行剪切强度测试，结果表明其剪切强度为55±2.2MPa，且破坏并未出现在焊缝处，焊接强度已达到母材自身抗拉强度，符合设计预期。

3 结论

文章针对专用超高速旋转压力容器内壁铝箔防腐层焊接封口技术进行研究。通过有限单元仿真和试验验证确定了最终的焊接工艺参数，并得到试验应用。结论如下：

a.建立了铝箔超声焊接有限元仿真模型，对焊接过程中焊头及铝箔的应力场及温度场进行仿真;

b.采用仿真正交试验法对焊接速度、焊接压力及铝箔热处理状态等关键参数进一步优化选型，并优化了焊接工艺参数组合;执行该参数得到的焊接试验件整体情况良好;

c.该项研究为铝箔超声焊接工艺的有限元仿真分析及具体参数选型提供参考依据，具有一定工程应用价值。

【参考文献】

[1]涂益民，等. 轻铝箔材料超声波焊接的研究现状[J]. 轻合金加工技术，2011（39）：16～20.

[2]高阳，陈风波，等. 塑料超声波焊接质量影响因素的研究进展[J]. 宇航材料工艺，2006（6）：9～13.

[3]张卫东. 铝箔分切机的超声波焊接应用[J]. 有色设备，2013（5）：47～50.

[4]谭险峰. 焊接工艺参数对温度场影响的试验与数值模拟研究[J]. 中国机械工程，2005，16（7）：641～644.

[5]曹军. 正交试验在焊接工艺评定中的应用[J].生产应用-焊接，2007（12）：47～59.

[6]曾纯，等.超声波铝箔焊接中的温度与应力分布[J]. 上海交通大學学报，2010（44）：54～57.

[7]申杰，金先龙，郭毅之.超声波焊接振动问题的数值仿真方法[J].焊接学报2006，27（3）：13～16.