CN104233427A

CN104233427A - 一种微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法

Info

Publication number: CN104233427A
Application number: CN201410516016.8A
Authority: CN
Inventors: 朱宗涛; 李远星; 王雪飞; 陈辉
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明公开了一种微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，通过将被处理的焊接接头工件悬置于盛有电解液的电解槽内，工件与电解槽壁分别接微弧氧化电源的阳极和阴极，对铝合金焊接接头进行微弧氧化处理，采用电参数范围为：正向脉冲电压100-800V，正向脉冲宽度50-1000μs，负向脉冲电压50-250V，输出频率50-3000Hz。微弧氧化反应进行20min～40min后，获得膜厚达到20～60μm的表面层。本发明方法借助被处理表面在电解环境下的高电压大电流微弧放电作用，在局部产生较大的压应力，从而降低表面残余拉应力，诱导残余压应力，同时在表面原位生长一层保护表面层。

Description

一种微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法

技术领域

本发明是一种通过微弧氧化处理降低铝合金焊接接头残余应力的方法，释放了焊接接头的残余拉应力，并在表面引入了残余压应力，使得焊接接头应力场得到改善，属于先进材料表面改性处理领域。

背景技术

由于焊接过程中加热和冷却的不均匀性，在焊接结构中易产生的残余应力。铝合金热导系数较高、线膨胀系数较大，在焊接过程中产生的残余应力情况更为严重和复杂，致使铝合金焊接接头既是焊接残余拉应力的峰值区，又是焊趾应力集中区，焊缝的残余应力甚至可能高达屈服应力水平。残余应力会引起焊接接头微观几何不连续，容易形成疲劳裂纹源和造成应力腐蚀，导致铝合金焊接接头的疲劳可靠性和疲劳寿命降低，抗应力腐蚀能力差。尤其是6xxx、7xxx高强铝合金材料，虽然强度高，但静疲劳极限较低，应力腐蚀倾向较大，其焊接接头应力腐蚀敏感性更强，疲劳性能更差，导致焊接工件在服役过程中的安全性和可靠性大大降低，同时极大地影响其使用寿命。因此，研究改善铝合金焊接接头残余应力分布的方法，并使残余拉应力场逐步转变为残余压应力场是一项重要课题。

目前通过焊接后处理的方式来消除焊接接头残余应力的主要方法有焊后热处理、激光冲击处理、超声冲击处理、焊趾修形、喷丸处理、振动法调整残余应力处理等。

但焊后热处理能耗大，周期长，效率低，且经焊后热处理的焊接接头可能由于晶粒异常长大而产生裂纹，引起新的应力集中，而且处理过程中焊接工件表面被氧化，需要进一步对其进行处理，增加成本。

激光冲击处理受限于焊接工件形状，无法强化激光不宜到达的部位，而且光纤难以承受极高功率的高强激光束，成本又高，限制了其生产应用。

超声冲击处理设备能量输出不稳定，可能在焊接接头表层产生有害的残余拉应力甚至局部损伤，造成焊接工件疲劳强度和疲劳寿命降低，应力腐蚀倾向变大。

焊趾修形强化技术主要包括电弧熔修技术和激光熔修技术。电弧熔修技术对保护气体控制和焊缝清理要求较高，准备工作复杂，熔修效果受焊缝位置影响，重熔后焊趾区域残余拉应力可能会增大。激光熔修时的大激光功率容易引起重熔的焊趾发生凹陷，再次造成几何不连续，产生应力集中。

喷丸处理难以保证处理区域上喷丸覆盖率的一致性，残余压应力影响深度不易控制，且处理后焊接工件表面粗糙度提高，塑性变形明显，力学性能可能下降，影响焊接工件的进一步使用。

振动处理结果不稳定，降低高应力区的残余应力的同时可能引起低应力区残余应力的提高，无法降低平均残余应力。而且焊接工件尺寸不能太大，设备工作噪声大。

综上，目前常用的降低铝合金焊接接头残余应力的方法都有其自身的缺点和使用的不稳定性与局限性。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的在于提出一种微弧氧化降低焊接接头残余应力的方法，借助于被处理表面在电解环境下的高电压大电流微弧放电作用，在局部产生较大的压应力，从而降低表面残余拉应力，诱导残余压应力，同时在表面原位生长一层保护表面层。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，通过微弧氧化处理在焊接接头表面制备一表面层以改善焊接接头残余应力分布并提高自身的防腐、耐磨性能；其主要手段为：将被处理焊接接头工件悬置于盛有电解液的电解槽内，工件与电解槽壁分别接微弧氧化电源的阳极和阴极，采用电参数范围为：正向脉冲电压100-800V，正向脉冲宽度50-1000μs，负向脉冲电压50-250V，输出频率50-3000Hz。微弧氧化反应进行20min～40min后，获得膜厚达到20～60μm的涂层。

电解液微弧氧化溶液体系可采用硅酸盐体系、偏铝酸盐、磷酸盐和碳酸盐溶液体系。

所述电参数范围可进一步选择为：正向脉冲电压600V，正向脉冲宽度200μs，负向脉冲电压0V，输出频率500Hz；反应进行30min获膜层厚度5-100μm的表面层。

采用的硅酸盐体系主成膜剂为Na₂SiO₃，浓度范围为10～25g/L；PH调节剂为KOH，其浓度范围为6～20g/L。

硅酸盐体系中可选择添加浓度为10g/L的NaAlO₂、浓度为15g/L的(Na₂P0₃)₆、浓度为5g/L的K₂CO₃，与Na₂SiO₃配合作为成膜剂。可以选择添加浓度为4g/L的Na₂EDTA作络合剂。

采用如上的方法，借助被处理表面在电解环境下的高电压大电流微弧放电作用，在局部产生较大的压应力，从而降低表面残余拉应力，诱导残余压应力，同时在表面原位生长一层保护表面层，不仅能够改善铝合金焊接接头表面残余应力分布状态，还能够对焊接接头起到耐磨和腐蚀防护作用，防止焊接接头服役过程中被划伤，阻碍铝合金焊接接头与腐蚀介质相接触，提高焊接接头的服役寿命。

本发明方法改善铝合金焊接接头表面残余应力分布状态的同时在表面原位生长一层保护表面层，对焊接接头起到耐磨和腐蚀防护作用。除此之外，与焊后热处理、激光冲击、超声冲击等处理方法相比，由于被处理部位处在冷却介质环境下，处理过程不会破坏焊接工件的表面质量，对铝合金焊接接头附加产生不利的热影响和机械损伤。

附图说明

图1是铝合金焊接接头试样微弧氧化处理示意图。

图1中标记：1.铝合金焊接接头试样，2.支架，3.微弧氧化电源，4.反应槽，5.电解液，6.循环泵，7.冷却系统。

图2是铝合金焊接接头微弧氧化处理前后横向残余应力分布图。

具体实施方式

实现本发明的具体步骤如下：

以尺寸为300mm×240mm×4mm的A7N01铝合金熔化级惰性气体保护焊(MIG)焊接接头试样为例，简述铝合金焊接接头微弧氧化处理过程，如图1所示，将待处理的铝合金焊接接头试样1通过支架2悬挂在盛有电解液5的反应槽4中，微弧氧化电源3的输出阳极通过阳极导线与铝合金焊接接头试样1连接，微弧氧化电源3的输出阴极通过阴极导线与不锈钢反应槽4相连接，这样电流从微弧氧化电源5的输出阳极流向铝合金焊接接头试样1，通过电解液5，流向反应槽4，最后流回微弧氧化电源3的输出阴极，构成闭合的回路。当微弧氧化电源3电压达到一定值，铝合金焊接接头试样1表面便会产生微弧放电，放电区域铝合金焊接接头试样1表面与电解液4发生复杂的物理、化学及电化学作用，最终在铝合金焊接接头试样1表面生成一层金属陶瓷层，同时由于局部微弧放电的作用，焊接接头的残余应力会明显下降。图2为用X射线残余应力测试仪测试的铝合金焊接接头试样1，微弧氧化处理前后的残余应力分布情况，由图可见，经过处理的铝合金焊接接头试样1表面不同位置处的横向残余应力都明显降低，且出现一定的残余压应力，因此微弧氧化处理技术可以起到改善铝合金焊接接头残余应力分布的目的。

实施时，在反应槽4中配置弧氧化电解液5，其中主成膜剂为Na₂SiO₃，浓度范围为10～25g/L，同时可以选择添加浓度为10g/L的NaAlO₂、浓度为15g/L的(Na₂P0₃)₆、浓度为5g/L的K₂CO₃，与Na₂SiO₃配合作为成膜剂。PH调节剂为KOH，其浓度范围为6～20g/L。可以选择添加浓度为4g/L的Na₂EDTA作络合剂。

然后对待处理的铝合金焊接接头试样1进行预处理，先用去离子水擦拭试样表面，再用酒精擦拭以去除其表面上的油污，然后风干待用。

对经过预处理的铝合金焊接接头试样1进行微弧氧化处理，具体实施步骤如下：

A)将待处理的铝合金焊接接头试样1通过支架2悬挂在盛有电解液5的反应槽4中。

B)将微弧氧化电源3的输出阳极和阴极通过阳极导线和阴极导线分别与铝合金焊接接头试样1和反应槽4相连接。

C)接通循环泵6和冷却系统7，使微弧氧化反应槽4中的电解液5均匀稳定，并将工作温度稳定控制在20～50℃范围内。

D)接通微弧氧化电源3，调节电参数，确定微弧氧化电源3工作参数范围为：正向脉冲电压100～800V，正向脉冲宽度50～1000μs，负向脉冲电压50～250V，负向脉冲宽度50～200μs，输出频率50～3000Hz。在电极和电解液的共同作用下，微弧氧化反应进行。

E)当微弧氧化反应进行20min～40min后，膜厚达到20～60μm关闭微弧氧化电源3、循环泵6电源和冷却系统7电源。

⑷在微弧氧化过程结束后，取出微弧氧化后的铝合金焊接接头试样1，立即用清水冲洗，然后风干待用。

下面结合附图具体说明本实施方式。

实施例

在反应槽4中配置10L微弧氧化电解液5，其中Na₂SiO₃浓度为12g/L，KOH浓度范围为2g/L，属于硅酸盐溶液体系；也可以是其它的溶液体系，如偏铝酸盐、磷酸盐和碳酸盐溶液体系。

接通循环泵6和冷却系统7，使微弧氧化反应槽4中的电解液5均匀稳定，并将工作温度稳定控制在20～50℃范围内。

本实施过程接通微弧氧化电源3，调节电参数，确定微弧氧化电源3工作参数为：正向脉冲电压600V，正向脉冲宽度200μs，负向脉冲电压0V，输出频率500Hz。根据试样材质、大小及对表面层性能要求不同，可调整电源输出参数，电源参数范围：正向脉冲电压100～800V，正向脉冲宽度50～1000μs，负向脉冲电压50～250V，负向脉冲宽度50～200μs，输出频率50～3000Hz。

本实施过程微弧氧化反应进行30min后，膜厚达到30μm。膜层厚度对应力大小及自身性能都有影响，一般膜层厚度5-100μm。

本实施过程同样适用于对其它可微弧氧化处理的金属及合金(如镁及镁合金、钛和钛合金等)的焊接接头，微弧氧化处理对其焊接接头应力分布有类似的改善效果。

Claims

1.一种微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，通过微弧氧化处理在焊接接头表面制备一表面层以改善焊接接头残余应力分布并提高自身的防腐、耐磨性能；其主要手段为：将被处理的焊接接头工件悬置于盛有电解液的电解槽内，工件与电解槽壁分别接微弧氧化电源的阳极和阴极，采用电参数范围为：正向脉冲电压100-800V，正向脉冲宽度50-1000μs，负向脉冲电压50-250V，输出频率50-3000Hz。微弧氧化反应进行20min～40min后，获得膜厚达到20～60μm的涂层。

2.根据权利要求1所述的微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述电解液微弧氧化溶液体系可采用硅酸盐体系、偏铝酸盐、磷酸盐和碳酸盐溶液体系。

3.根据权利要求1所述的微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述电参数范围为：正向脉冲电压600V，正向脉冲宽度200μs，负向脉冲电压0V，输出频率500Hz；反应进行30min获膜层厚度5-100μm的表面层。

4.根据权利要求2所述的微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述硅酸盐体系主成膜剂为Na₂SiO₃，浓度范围为10～25g/L；PH调节剂为KOH，其浓度范围为6～20g/L。

5.根据权利要求4所述的微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，其特征在于，所述硅酸盐体系可以选择添加浓度为10g/L的NaAlO₂、浓度为15g/L的(Na₂P0₃)₆、浓度为5g/L的K₂CO₃，与Na₂SiO₃配合作为成膜剂。可以选择添加浓度为4g/L的Na₂EDTA作络合剂。

6.根据权利要求4所述的微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，其特征在于，Na₂SiO₃浓度为12g/L，KOH浓度为2g/L。

7.根据权利要求1所示的一种微弧氧化改善铝合金焊接接头残余应力的方法，其特征在于，除铝合金焊接接头外，还可施于其它合金，如镁及镁合金、钛和钛合金焊接接头。