CN101890561A

CN101890561A - 一种提高铝合金mig焊焊缝熔深的方法

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Publication number: CN101890561A
Application number: CN 201010230874
Authority: CN
Inventors: 邱小明; 阮野; 白志范; 马菲
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-07-20
Also published as: CN101890561B

Abstract

本发明涉及一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，属于材料加工工程领域。该方法的具体工艺步骤是：第一步，采用颗粒度为40-80μm、纯度为99.9％的SiO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃和TiO₂粉末颗粒，按一定成分配比组合经均匀混合后，制备成铝合金MIG焊专用活性剂，其成分按重量百分比计算(Wt.％)：SiO₂：78-96；Cr₂O₃：2-12；Al₂O₃：1-5；TiO₂：1-5；第二步，按上述设计成分制备好的铝合金MIG焊专用活性剂采用等离子喷涂于被焊铝合金结构件表面，采用MIG焊焊接铝合金结构件。本发明的上述技术方案可实现在同等热输入量的情况下显著提高MIG焊焊缝的熔深。

Description

一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法

技术领域：

本发明涉及一种提高铝合金熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)焊缝熔深的方法，属于材料加工工程领域。

背景技术：

铝合金具有密度低，导热性、耐蚀性和成型性好，价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材和机械制造等部门，是轻合金中应用最广和用量最多的合金。随之而来的铝合金焊接技术尤其是高强铝合金中、厚板结构件的焊接便成为迫切需要解决的问题。提高焊缝熔深和力学性能，减小焊接变形，降低焊接热影响区和焊缝组织的粗化、裂纹和气孔倾向等是研究人员一直关注的技术难题。铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入量小、焊接速度高的高效焊接方法。目前铝合金焊接常用的方法有：激光焊、电子束焊、搅拌摩擦焊(FSW)、TIG焊和MIG焊等。

激光焊接技术具有功率密度大、热输入总量低、焊接速度快、易于工业自动化等优点，焊接铝合金时，在等同热输入量的情况下焊缝的熔深较深、热影响区窄、焊接变形小，特别对热处理铝合金有较大的应用优势。铝及铝合金激光焊接的难点在于对激光束具有极高的表面初始反射率(如CO₂激光超过90％，YAG激光接近80％)和对激光能的吸收率很低，是影响焊缝熔深的主要因素。铝合金激光焊接必须采用大功率的激光电源或者其它措施来提高铝合金对激光能的吸收率，这将使设备成本提高。此外，中、厚板铝合金的激光焊接容易产生气孔和热裂纹等缺陷，现阶段激光焊接多用于铝合金薄板焊接。

电子束焊是另一种高能密度的焊接技术。电子束焊焊接铝合金可以得到优质的焊接接头，且穿透性能好，可以对铝合金厚板进行焊接，但电子束焊要求在真空环境下进行，其应用受到一定的限制。

搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接技术，焊接时避免了熔焊的各种缺陷，适于有色金属材料的焊接，如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金等。目前搅拌摩擦焊在铝合金的焊接方面研究应用较多，已经成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000系列(Al-Cu)、5000系列(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(Al-Zn)和8000系列(Al-Li)等。搅拌摩擦焊焊接铝合金存在的问题是：(1)焊接速度低于熔化焊；(2)焊件夹持要求高；(3)焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞，一般需要补焊或机械切除；(4)搅拌头适应性差且磨损快；(5)工艺不成熟，现仅限于结构简单的构件，如平直的结构、圆形结构。

钨极氩弧焊(TIG焊)焊接技术焊接铝合金时，由于钨电极承载电流能力有限，电弧功率受到制约，致使焊缝熔深较浅，焊接速度低，只适于厚度为3mm以下薄壁焊件的焊接。

熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)焊接铝合金与TIG焊相比，焊丝和电弧的电流密度大，焊丝熔化速度快，焊接生产率和对母材的熔敷效率高，焊缝的熔深较深和焊接变形较小，在铝合金焊接生产中获得较广泛应用，尤其是中、厚板铝合金的焊接大多数采用MIG焊。MIG焊焊接中、厚板铝合金相对于高能密度焊焊接，焊缝熔深较浅，需要采用多层多道焊接才能完成。铝合金焊接接头受到多次焊接热循环的作用，易产生焊接变形，组织形貌和性能发生较大变化，显著降低结构件的承载能力。提高焊缝熔深和减少焊接次数是减小焊接变形，改善接头组织和性能变化行之有效的方法之一。为了减小焊接变形，降低焊接热循环对接头热影响区和焊缝组织与性能的影响，工艺要求焊接过程中尽量减少焊接热输入量，这样必然会降低焊缝熔深和焊接生产效率。如何保证同等热输入量的情况下，提高MIG焊焊接中、厚板铝合金的焊缝熔深，研究人员开展了系列工作。添加活性剂是提高焊缝熔深行之有效的方法之一。

在焊接过程中添加活性剂，早期工作主要是解决TIG焊焊缝熔深的问题。其原理是利用活性剂降低被焊材料的表面张力、改变体系的界面性质和状态，以达到在焊接过程中收缩电弧实现增加焊缝熔深的作用。二十世纪60年，乌克兰巴顿焊接研究所(PEWI)率先开展此方面研究，随后英国焊接研究所(TWI)、日本连接与溶接研究所(JWRI)、美国爱迪生焊接研究所(EWI)和国内一些研究机构都开展了相关研究，并取得了可喜成果，相关研究已在多种期刊发表，见〔1〕Materials characterization，2008，59：40-60；〔2〕Materials and Design，2009，30：2404-2409；〔3〕焊接学报，2008，29(1)：45-50等。用于熔化焊的活性剂配方的专利也很多，如中国专利C200410000345.3、CN200810018264.4和CN200710010469.4、韩国专利KR100860556B1、俄罗斯专利RU2291039C1、RU2289498C1和美国专利US2008029185A1等。上述研究工作主要集中在两方面：一是适用于各种金属材料的活性剂的研制；二是活性剂增加焊缝熔深机理的研究。在焊接过程中添加活性剂，除应用于TIG焊外，已尝试应用于电子束焊、激光焊、CO₂气体保护焊(使用活性焊丝)和钎焊。TIG焊接过程中添加活性剂(A-TIG焊接)，在同等热输入量的情况下焊缝熔深是TIG焊接的3.5倍。CO₂气体保护焊焊接过程添加活性剂，可以减少焊接飞溅，焊后焊缝成形美观。铝合金MIG焊接添加活性剂的应用目前尚未见报道。

发明内容：

本发明的目的是提供一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，通过等离子喷涂技术，将活性剂喷涂于被焊铝合金结构件表面，达到在同等热输入量的情况下显著提高MIG焊焊缝的熔深。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，包括以下工艺步骤：

第一步，采用颗粒度为40-80μm、纯度为99.9％的SiO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃和TiO₂粉末颗粒，按一定成分配比组合经均匀混合后，制备成铝合金MIG焊专用活性剂，其成分按重量百分比计算(Wt.％)：SiO₂：78-96；Cr₂O₃：2-12；Al₂O₃：1-5；TiO₂：1-5；

第二步，按上述设计成分制备好的铝合金MIG焊专用活性剂采用等离子喷涂于被焊铝合金结构件表面，采用MIG焊焊接铝合金结构件；

等离子喷涂活性剂的工艺参数为：喷涂电压为50V，喷涂电流为650A，主气压强为60PSI，次气压强为20PSI，送粉气压强为25-30PSI，喷嘴至工件距离为90mm，喷嘴移动速度为500mm/m。

喷涂量为4-6mg/cm²。

提高铝合金MIG焊焊缝熔深的活性剂，以SiO₂为基础成分，添加Cr₂O₃、Al₂O₃和TiO₂构成铝合金MIG焊接专用活性剂。铝合金MIG焊接专用活性剂合金成分按重量百分比计算(Wt.％)：SiO₂：78-96；Cr₂O₃：2-12；Al₂O₃：1-5；TiO₂：1-5。活性剂基础材料的选择和成分的确定非常重要，在MIG焊焊接铝合金过程中能同时起到活性剂与形核剂作用。SiO₂和Cr₂O₃的电阻率与熔沸点较高，在焊接过程中起到强制收缩电弧的作用，有效提高MIG焊焊接铝合金的焊缝熔深，焊接过程电弧稳定，焊后焊缝成型美观；Al₂O₃和TiO₂能起到较好的形核剂和达到细化组织作用。

本发明所述的一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，是采用颗粒度为40-80μm、纯度为99.9％的SiO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃和TiO₂粉末颗粒按一定成分配比组合均匀混合制备成铝合金MIG焊专用活性剂。铝合金MIG焊接专用活性剂合金成分按重量百分比计算(Wt.％)：SiO₂：78-96；Cr₂O₃：2-12；Al₂O₃：1-5；TiO₂：1-5。

活性剂的颗粒尺寸对MIG焊焊接铝合金的接头质量有重要影响。颗粒尺寸影响喷涂在被焊结构件表面活性剂与工件的附着强度以及被焊结构件接头组织的晶粒大小。适度的颗粒尺寸一方面可以起到活性剂的作用提高MIG焊焊缝熔深；另一方面可以在焊接熔池凝固过程中起到形核剂的作用细化晶粒。此外，被焊结构件表面喷涂单位面积活性剂的量也会影响活性剂的效果。被焊结构件表面喷涂活性剂的量过大，会产生焊缝夹杂、熔合不良和未焊透等焊接缺陷。因此，MIG焊焊接铝合金需要精确控制活性剂的单位面积喷涂量。

按设计成分制备好的铝合金MIG焊专用活性剂采用等离子喷涂技术喷涂于被焊铝合金结构件表面，采用MIG焊焊接铝合金结构件。等离子喷涂技术具有操作方便、生产效率高和粉末适用性广等特点，在喷涂过程中对铝合金的组织和性能、表面受热的程度及变形影响较小，同时涂层致密度和与基材的附着强度较高。因此，本发明将采取等离子喷涂技术替代传统刷和喷活性剂的涂敷工艺。等离子喷涂活性剂的工艺参数为：喷涂电压为50V，喷涂电流为650A，主气压强为60PSI，次气压强为20PSI，送粉气压强为25-30PSI，喷嘴至工件距离为90mm，喷嘴移动速度为500mm/m。

本发明所述的一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法是这样实施的。将被焊结构件表面焊接部位进行打磨粗化，采用等离子喷涂技术将一定成分配比组合均匀混合制备成铝合金MIG焊专用活性剂喷涂于被焊结构件表面进行焊接。

在焊接过程中添加活性剂焊后焊缝熔深增加、余高降低(如图1-3)。该方法的使用可以减少构件焊前组对间隙和坡口角度，这样可以进一步提高工作效率降低焊接工作者的劳动强度；而且由于活性剂在熔池凝固过程中起到形核剂的作用，焊后焊缝组织细化，力学性能提高。

附图说明：

图1是MIG焊焊缝熔深(未添加)。

图2是MIG焊焊缝熔深(配方1)。

图3是MIG焊焊缝熔深(配方9)。

图中h是焊缝熔深。

具体实施方式：

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

本发明所述的一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，采用颗粒度为40-80μm、纯度为99.9％的SiO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃和TiO₂粉末颗粒按一定成分配比组合均匀混合制备成铝合金MIG焊专用活性剂。活性剂的成分按重量百分比计算(Wt.％)：SiO₂：78-96；Cr₂O₃：2-12；Al₂O₃：1-5；TiO₂：1-5。将按设计成分制备好的铝合金MIG焊专用活性剂采用等离子喷涂技术喷涂于被焊结构件表面，采用MIG焊焊接技术焊接铝合金结构件。等离子喷涂工艺参数：喷涂电压为50V，喷涂电流为650A，主气压强为60PSI，次气压强为20PSI，送粉气压强为25-30PSI，喷嘴至工件距离为90mm，喷嘴移动速度为500mm/m。

本发明的提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，达到的技术指标：(1)活性MIG焊焊接技术同相同技术参数的MIG焊相比，一次焊接焊缝熔深提高90-130％；(2)接头拉伸强度提高1-6％。

下述所有实施例均采用颗粒度为40-80μm、纯度为99.9％的SiO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃和TiO₂粉末颗粒按一定成分配比组合均匀混合制备成铝合金MIG焊专用活性剂。活性剂的成分按重量百分比计算(Wt.％)：SiO₂：78-96；Cr₂O₃：2-12；Al₂O₃：1-5；TiO₂：1-5。采用等离子喷涂技术将活性剂按一定单位面积喷涂量均匀的喷涂于被焊结构件表面。等离子喷涂工艺参数相同，即：喷涂电压为50V，喷涂电流为650A，主气压强为60PSI，次气压强为20PSI，送粉气压强为25-30PSI，喷嘴至工件距离为90mm，喷嘴移动速度为500mm/m。实施例见下表1：

表1 活性剂配比及其焊后接头性能

Claims

1.一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

第一步，采用颗粒度为40-80μm、纯度为99.9％的SiO₂、Cr₂O₃、Al₂O₃和TiO₂粉末颗粒，按以下成分配比经均匀混合后，制备成铝合金MIG焊专用活性剂，其成分按重量百分比Wt.％计算：SiO₂：78-96；Cr₂O₃：2-12；Al₂O₃：1-5；TiO₂：1-5；

第二步，按上述设计成分制备好的铝合金MIG焊专用活性剂采用等离子喷涂于被焊铝合金结构件表面，采用MIG焊焊接铝合金结构件。

2.根据权利要求1所述的一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，其特征在于，等离子喷涂活性剂的工艺参数为：喷涂电压为50V，喷涂电流为650A，主气压强为60PSI，次气压强为20PSI，送粉气压强为25-30PSI，喷嘴至工件距离为90mm，喷嘴移动速度为500mm/m。

3.根据权利要求1所述的一种提高铝合金MIG焊焊缝熔深的方法，其特征在于，所述的铝合金MIG焊专用活性剂喷涂量为4-6mg/cm²。