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摘 要：某型机发动机辅助动力系统APU进气道壳体组件为焊接零件。该组件结构复杂，由壳体壁板、法兰、衬板、角筋、加强筋等43项零件组合焊接而成，基体材料为TC4钛合金，属于复杂构型熔焊和电阻焊组合焊接装配件。为解决此种特型结构复杂焊接体零件，减少焊接操作难度，进行了特型电极及氩弧焊背面保护夹具的设计、制造和试验，通过试验和成功应用，总结出发动机辅助动力系统APU进气道壳体组件焊接工艺方案及氩弧焊背面保护夹具，解决了焊机结构与零件结构相互干涉无法焊接的问题，零件焊缝达到设计和质量要求。
关键词：TC4 特型电极 氩弧焊保护 焊接夹具
中图分类号：V463 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0087-02
钛合金具有比强度高，耐腐蚀、耐低温以及高温下具有高的疲劳强度，低的膨胀系数，良好的可加工性等优点。钛合金制作的零件性能不受环境限制，在航空工业中广泛应用。
该组件焊接工艺共涉及1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm 3种厚度钛合金材料、5种结合形式，其中电阻焊所占焊接量比重最大。电阻焊是通过电阻热使工件结合面熔化，在下压力作用下形成熔核，产生牢固接头的一种焊接工艺。氩弧焊是利用氩气对金属材料的保护，通过高电流产生的电弧热使被焊材料与焊丝达到冶金结合的一种焊接工艺。
1 APU进气道壳体组件焊接特性
该组件结构复杂，由壳体壁板、法兰、衬板、角筋、加强筋等43项零件组合焊接而成，属于复杂构型熔焊和电阻焊组合焊接装配件，焊接过程中发现，由于组成进气道壳体的壁板为双曲面结构，其曲度变化导致各结构件间夹角差异极大，且密封法兰与对接法兰“V”型结构交汇处距离狭小，部分位置的焊点受板材夹角与设备结构尺寸的限制无法焊接。全组件有1 000余处电阻焊焊点，近1/3焊点利用现有的电阻焊设备无法焊接。其次，全组件有14处焊缝由氩弧焊焊接，由于组件空间尺寸较大、结构开敞，焊缝反面通氩保护困难，焊接质量无法保证。
2 APU进气道壳体组件焊接特型电极的设计
2.1 电阻焊焊机的结构特点
电阻焊焊机含上电极、下电极及电极座等部分，常规上、下电极分别装卡于上、下电极座上。焊接时上电极下压，下电极支撑，共同作用。由于下电极需承受极大下压力（具体压力以工件结合厚度选择，通常以MPa计算），因此承力部位基体较粗，要求具有足够的刚度。另外，焊接时要求工件待焊平面水平放置，与上、下电极间保持垂直，如倾斜则无法形成完好的焊点。
该组件因焊机结构与零件结构干涉无法焊接的区域主要有6部分，由此产生的装卡不到位（工件待焊区不水平）、电极接触不到工件表面和上电极无位移空间等问题使制造过程无法进行。
2.2 APU进气道壳体组件焊接特型电极的设计
针对不同干涉区域的尺寸差异和焊机结构特点，需设计特型电极，完成该组件的电阻焊制造部分。上、下电极共设计6个型号。电极材料为紫铜，尺寸由装卡状态确定。通过弯曲、加长、降低、偏心等方式，形成电极作用点中心位置的移动，以适应焊点位置。同时，在允许范围内调节上、下电极支座，以达到最佳焊接状态，且焊接前均进行试片焊接，通过撕破检验与拉力检验等方式进行验证，以保证焊点质量。
2.3 焊接工艺流程的设计
焊接过程中干涉区域应遵循一定的焊接顺序，需设计完善的工艺流程，焊接时特型电极分别组合使用，配合壳体组件的旋转摆放，才能完成焊接。每次电极更换需重新调试设备，做焊接试片检验，耗时费力，焊接时应遵循一定的焊接顺序，在尽可能少换电极的前提下完成焊接。焊接流程设计已在装配制造指令中完整体现，经实际验证后已确定焊接顺序，并已在工艺流程中完善工序安排，能够顺利地焊接出合格产品。
2.4 背面保护
氩弧焊焊接区域共14处，钛合金氩弧焊要求对焊缝正反面均需通氩气进行保护，防止氢、氧等有害元素对焊缝的侵蚀和损害。针对氩弧焊焊接区域焊缝较短，基本分布于直角角接处的特点，设计背面保护焊夹具以保证焊接质量。
焊接时，操作者持焊枪于焊缝正面操作，焊枪自带保护气装置可对枪头施焊区域进行通氩保护，焊缝背部则放置背面保护焊夹具并用弓形夹夹紧。此背面保护夹具按照焊缝背面零件结构尺寸设计，夹具体上密布φ1.0 mm通气孔。保护气体（氩气）由前端导管通入夹具体内，经密布的通气孔在需保护位置形成稳定均匀的气体层，达到保护效果。
在实际制造过程中，新设计的特型电极与背面保护夹具均产生了最初预期的使用效果，在对焊点焊缝进行质量监测后，验证了特型电极与背面保护夹具的可靠性与稳定性。最终，顺利完成对该复杂构形零件的所有焊接部分的制造工作。
2.5 焊接方法
（1）焊前预先通氩气一段时间，然后起弧焊接。
（2）采用较大口径的喷嘴。喷嘴与工件间的距离适当缩小以加强保护。钨丝伸出喷嘴的长度宜短，以不妨碍观察到熔池为限。
（3）采用短弧焊，不摆动焊枪。
（4）焊丝热端在焊接过程中不能脱离保护范围，防止氧化。
（5）停焊时要滞后送气15～30 s，直至焊接区域温度降至250 ℃以下。
2.6 注意事项
（1）焊接操作者应戴洁净的白细纱布手套。
（2）经处理的焊区严禁用手触摸和接触铁质物品。
（3）焊接操作尽可能在室内进行，环境风速应不大于0.5 m/s，避免穿堂风影响。
（4）采用小的焊接线能量，喷嘴与焊件的夹角保持70°～80°。
3 结论
（1）该复杂构形焊接类零件，通过对现有设备的改造和创新及改变电阻焊电极以满足零件结构的变化，设计出合理的焊接方案，符合产品设计和制造要求。
（2）氩弧焊焊接保护工艺方案有效解决了焊缝背面保护的问题，保护下的焊缝呈银白色或淡黄色，符合产品设计和制造要求。
（3）按照焊接工艺的要求对产品进行有效控制，产品质量和焊缝质量比无有效控制有很大提升。
（4）APU进气道壳体组件焊接工艺研究的成果得到了工程化应用的充分验证，特型电極的设计方案及焊缝正、反面保护装置简单实用、快速便捷。目前，此套保护方案已经广泛应用于生产实际。
参考文献
[1] 侯峰，杨晓宇，秦浩明.某型飞机APU进气道防雨帽气动噪声数值模拟与分析[J].结构强度研究，2011（2）：26-29.
[2] 高鹏，王宇，钟剑龙，等.运输类飞机APU进气系统设计方法研究[J].科学技术与工程，2013，13（20）：6020-6023.
关键词：TC4 特型电极 氩弧焊保护 焊接夹具
中图分类号：V463 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（b）-0087-02
钛合金具有比强度高，耐腐蚀、耐低温以及高温下具有高的疲劳强度，低的膨胀系数，良好的可加工性等优点。钛合金制作的零件性能不受环境限制，在航空工业中广泛应用。
该组件焊接工艺共涉及1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm 3种厚度钛合金材料、5种结合形式，其中电阻焊所占焊接量比重最大。电阻焊是通过电阻热使工件结合面熔化，在下压力作用下形成熔核，产生牢固接头的一种焊接工艺。氩弧焊是利用氩气对金属材料的保护，通过高电流产生的电弧热使被焊材料与焊丝达到冶金结合的一种焊接工艺。
1 APU进气道壳体组件焊接特性
该组件结构复杂，由壳体壁板、法兰、衬板、角筋、加强筋等43项零件组合焊接而成，属于复杂构型熔焊和电阻焊组合焊接装配件，焊接过程中发现，由于组成进气道壳体的壁板为双曲面结构，其曲度变化导致各结构件间夹角差异极大，且密封法兰与对接法兰“V”型结构交汇处距离狭小，部分位置的焊点受板材夹角与设备结构尺寸的限制无法焊接。全组件有1 000余处电阻焊焊点，近1/3焊点利用现有的电阻焊设备无法焊接。其次，全组件有14处焊缝由氩弧焊焊接，由于组件空间尺寸较大、结构开敞，焊缝反面通氩保护困难，焊接质量无法保证。
2 APU进气道壳体组件焊接特型电极的设计
2.1 电阻焊焊机的结构特点
电阻焊焊机含上电极、下电极及电极座等部分，常规上、下电极分别装卡于上、下电极座上。焊接时上电极下压，下电极支撑，共同作用。由于下电极需承受极大下压力（具体压力以工件结合厚度选择，通常以MPa计算），因此承力部位基体较粗，要求具有足够的刚度。另外，焊接时要求工件待焊平面水平放置，与上、下电极间保持垂直，如倾斜则无法形成完好的焊点。
该组件因焊机结构与零件结构干涉无法焊接的区域主要有6部分，由此产生的装卡不到位（工件待焊区不水平）、电极接触不到工件表面和上电极无位移空间等问题使制造过程无法进行。
2.2 APU进气道壳体组件焊接特型电极的设计
针对不同干涉区域的尺寸差异和焊机结构特点，需设计特型电极，完成该组件的电阻焊制造部分。上、下电极共设计6个型号。电极材料为紫铜，尺寸由装卡状态确定。通过弯曲、加长、降低、偏心等方式，形成电极作用点中心位置的移动，以适应焊点位置。同时，在允许范围内调节上、下电极支座，以达到最佳焊接状态，且焊接前均进行试片焊接，通过撕破检验与拉力检验等方式进行验证，以保证焊点质量。
2.3 焊接工艺流程的设计
焊接过程中干涉区域应遵循一定的焊接顺序，需设计完善的工艺流程，焊接时特型电极分别组合使用，配合壳体组件的旋转摆放，才能完成焊接。每次电极更换需重新调试设备，做焊接试片检验，耗时费力，焊接时应遵循一定的焊接顺序，在尽可能少换电极的前提下完成焊接。焊接流程设计已在装配制造指令中完整体现，经实际验证后已确定焊接顺序，并已在工艺流程中完善工序安排，能够顺利地焊接出合格产品。
2.4 背面保护
氩弧焊焊接区域共14处，钛合金氩弧焊要求对焊缝正反面均需通氩气进行保护，防止氢、氧等有害元素对焊缝的侵蚀和损害。针对氩弧焊焊接区域焊缝较短，基本分布于直角角接处的特点，设计背面保护焊夹具以保证焊接质量。
焊接时，操作者持焊枪于焊缝正面操作，焊枪自带保护气装置可对枪头施焊区域进行通氩保护，焊缝背部则放置背面保护焊夹具并用弓形夹夹紧。此背面保护夹具按照焊缝背面零件结构尺寸设计，夹具体上密布φ1.0 mm通气孔。保护气体（氩气）由前端导管通入夹具体内，经密布的通气孔在需保护位置形成稳定均匀的气体层，达到保护效果。
在实际制造过程中，新设计的特型电极与背面保护夹具均产生了最初预期的使用效果，在对焊点焊缝进行质量监测后，验证了特型电极与背面保护夹具的可靠性与稳定性。最终，顺利完成对该复杂构形零件的所有焊接部分的制造工作。
2.5 焊接方法
（1）焊前预先通氩气一段时间，然后起弧焊接。
（2）采用较大口径的喷嘴。喷嘴与工件间的距离适当缩小以加强保护。钨丝伸出喷嘴的长度宜短，以不妨碍观察到熔池为限。
（3）采用短弧焊，不摆动焊枪。
（4）焊丝热端在焊接过程中不能脱离保护范围，防止氧化。
（5）停焊时要滞后送气15～30 s，直至焊接区域温度降至250 ℃以下。
2.6 注意事项
（1）焊接操作者应戴洁净的白细纱布手套。
（2）经处理的焊区严禁用手触摸和接触铁质物品。
（3）焊接操作尽可能在室内进行，环境风速应不大于0.5 m/s，避免穿堂风影响。
（4）采用小的焊接线能量，喷嘴与焊件的夹角保持70°～80°。
3 结论
（1）该复杂构形焊接类零件，通过对现有设备的改造和创新及改变电阻焊电极以满足零件结构的变化，设计出合理的焊接方案，符合产品设计和制造要求。
（2）氩弧焊焊接保护工艺方案有效解决了焊缝背面保护的问题，保护下的焊缝呈银白色或淡黄色，符合产品设计和制造要求。
（3）按照焊接工艺的要求对产品进行有效控制，产品质量和焊缝质量比无有效控制有很大提升。
（4）APU进气道壳体组件焊接工艺研究的成果得到了工程化应用的充分验证，特型电極的设计方案及焊缝正、反面保护装置简单实用、快速便捷。目前，此套保护方案已经广泛应用于生产实际。
参考文献
[1] 侯峰，杨晓宇，秦浩明.某型飞机APU进气道防雨帽气动噪声数值模拟与分析[J].结构强度研究，2011（2）：26-29.
[2] 高鹏，王宇，钟剑龙，等.运输类飞机APU进气系统设计方法研究[J].科学技术与工程，2013，13（20）：6020-6023.