CN104607779A

CN104607779A - 7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法

Info

Publication number: CN104607779A
Application number: CN201410659624.4A
Authority: CN
Inventors: 李国伟; 韩永全; 陈芙蓉; 樊伟杰; 洪海涛
Original assignee: Inner Mongolia University of Technology
Current assignee: Inner Mongolia University of Technology
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明涉及一种7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法，为解决现有技术焊接质量差问题，其采用立式焊接工艺，将7系高强铝合金工件竖直放置后用夹具固定，在工件一侧水平放置配置自动送丝装置的变极性等离子焊枪，焊枪枪头正对两工件之间的焊缝位置进行变极性等离子弧焊接，所述变极性等离子弧焊接的正、反极性电流选择范围190A～260A，反极性电流选择范围240A～300A。所述等离子焊枪所用电源为变极性等离子弧焊接电源。具有可实现6mm～12mm厚的7系高强铝合金的焊接，焊接过程中能保证液态熔池与固态金属间形成合理的温度梯度区间，可获得稳定穿孔效应并能保证穿孔熔池力和热平衡，可避免焊接热裂纹，气孔等缺陷，焊缝外观均整，焊接变形小，焊接效率高的优点。

Description

7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金焊接方法，特别是涉及一种7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法。

背景技术

7系高强铝合金作为一种新型结构材料，以其高强、轻质、高韧、耐腐蚀等优良特性被广泛应用于航天航空领域。但其焊接性能较差，采用传统的熔焊方法进行焊接时容易产生较大的焊件变形、热应力、气孔和液化裂纹等缺陷。7系高强铝合金由于Zn、Mg元素含量较高导致熔融金属流动性较差，焊接过程中需保证液态熔池与固态金属间形成合理的温度梯度区间。焊接平均电流是影响焊缝成形的最关键参数，其它焊接参数的良好匹配是获得稳定穿孔熔池，实现良好焊缝成形的前提条件。

目前铝合金焊接较多的采用MIG焊后再TIG焊、TIG多道焊、激光焊、搅拌摩擦焊等几种方法，但上述方法都有各自的缺点：MIG焊后再TIG焊工序多，厚板需开坡口，工件变形严重。TIG多道焊检验工序多、容易出现气孔，焊接变形大。激光焊设备投入昂贵，搅拌摩擦焊焊接时焊接工件必须刚性固定，背面要有垫板作支撑。

变极性等离子弧焊是一种能量集中、电弧挺度大和焊后变形小的高能束焊接工艺。焊件不需开坡口、焊道窄，且单面焊双面成形，立焊时有利于排除焊缝中的气体和夹杂，可获得无缺陷焊缝，焊件变形小，生产率高，成本低，在铝合金的焊接中具有很好的应用前景。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种能解决变极性等离子弧焊工艺参数较多导致焊接过程中等离子弧稳定性差，焊接参数变化敏感问题，能保证形成穿孔所需热量和液态熔池与固态金属间形成合理的温度梯度区间，获得稳定穿孔熔池，避免焊接铝合金时热裂纹、气孔等缺陷产生的7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法。

为实现上述目的，本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法是采用立式焊接工艺，将7系高强铝合金工件竖直放置后用夹具固定，在工件一侧水平放置配置自动送丝装置的变极性等离子焊枪，焊枪枪头正对两工件之间的焊缝位置进行变极性等离子弧焊接，所述变极性等离子弧焊接的正极性电流选择范围190A～260A，反极性电流选择范围240A～300A。所述变极性等离子弧焊焊枪配置工件专用夹具，即所述变极性等离子弧焊接的焊件用能减小焊后工件变形的专用夹具夹持。所述变极性等离子弧焊焊枪配置能保证送丝速度可调节控制的自动送丝装置。根据铝合金板材成分和厚度设定焊接所用参数，即所述变极性等离子弧焊接涉及的正、反极性电流、离子气流量、焊接速度、送丝速度、钨极内缩量、喷嘴高度、保护气流量等参数都精确可调，并根据铝合金板材成分和厚度进行上述所选参数调整。具有能解决变极性等离子弧焊工艺参数较多导致焊接过程中等离子弧稳定性差，焊接参数变化敏感问题，能保证形成穿孔所需热量和液态熔池与固态金属间形成合理的温度梯度区间，获得稳定穿孔熔池，避免焊接铝合金时热裂纹、气孔等缺陷产生的优点。

作为优化，所述等离子焊枪所用电源为变极性等离子弧焊接电源，所述焊枪与变极性等离子电源连接。

作为优化，所述变极性等离子弧焊接的正、反极性电流时间比可进行调整，正、反极性电流时间比值为：19ms∶4ms，20ms∶4ms和21ms∶4ms三种。

作为优化，所述变极性等离子弧焊接的热输入通过焊接平均电流来体现，焊接平均电流按下式计算：

I_{m} = \sqrt{\frac{I_{+}^{2} \cdot a + I_{-}^{2} \cdot b}{a + b}} - - - (1)

上式中：I₊为正极性电流，I_-为反极性电流，a和b分别为正、反极性电流的时间比值；根据铝合金板材成分和厚度设定焊接所用参数。

作为优化，所述变极性等离子弧焊接的离子气流量选择范围2.0L/min～2.6L/min。

作为优化，所述变极性等离子弧焊接的焊接速度选择范围150mm/min～230mm/min。

作为优化，所述变极性等离子弧焊接的送丝速度选择范围180mm/min～240mm/min。

作为优化，所述变极性等离子弧焊接的钨极内缩量选择范围3mm～4mm。

作为优化，所述变极性等离子弧焊接的喷嘴高度选择范围4mm～8mm。

作为优化，所述变极性等离子弧焊接的保护气流量选择范围10L/min～20L/min。

总之，本发明提供一种变极性等离子弧焊工艺参数如正、反极性电流、离子气流量、焊接速度、送丝速度等精确可控的高强铝合金变极性等离子弧焊接技术，这种技术能保证形成穿孔所需热量和液态熔池与固态金属间形成合理的温度梯度区间，获得稳定穿孔熔池，避免焊接铝合金时热裂纹、气孔等缺陷的产生。

即，采用该技术优化的焊接参数可实现6mm～12mm厚7系高强铝合金的焊接。该技术包括以下步骤：将工件竖直放置后用夹具固定，在工件的一侧水平放置变极性等离子弧焊枪，所述焊枪与变极性等离子电源连接。焊前进行参数选择：根据铝合金板材成分和厚度设定焊接所用正、反极性电流；正、反极性电流时间比；离子气流量；焊接速度；送丝速度；钨极内缩量；喷嘴高度；保护气流量，设定好工艺参数后完成焊接过程。本发明技术获得焊缝表面成形良好、无缺陷、外观均整、焊件变形小、焊接效率高。

其中，正极性电流可调范围190A～260A，反极性电流240A～300A，离子气流量可调范围为2.0L/min～2.6L/min，焊接速度可调范围为150mm/min～230mm/min，送丝速度范围为180mm/min～240mm/min，钨极内缩量可调范围为3mm～4mm，喷嘴距离焊件表面高度可调范围为4mm～8mm，保护气流量可调范围为10L/min～20L/min。

采用上述技术方案后，本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法具有可实现6mm～12mm厚的7系高强铝合金的焊接，焊接过程中能保证液态熔池与固态金属间形成合理的温度梯度区间，可获得稳定穿孔效应并能保证穿孔熔池力和热平衡，可避免焊接热裂纹，气孔等缺陷，焊缝外观均整，焊接变形小，焊接效率高的优点。

附图说明

图1是7075铝合金采用现有变极性等离子焊方法后试件焊缝正面宏观形貌图；

图2是本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法实施例一的试件焊缝正面宏观形貌图；

图3是实施例一的试件焊缝背面宏观形貌图；

图4是本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法实施例二的试件焊缝正面宏观形貌图；

图5是实施例二的试件焊缝背面宏观形貌图；

图6是本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法实施例三的试件焊缝正面宏观形貌图；

图7是实施例三的试件焊缝背面宏观形貌图；

图8是本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法实施例四的试件焊缝正面宏观形貌图；

图9是实施例四的试件焊缝背面宏观形貌图；。

具体实施方式

如图1所示，7075铝合金采用现有变极性等离子焊方法的实例如下：

采用已公开的焊接10mmLD10铝合金最佳工艺对10mm厚7075铝合金进行变极性等离子弧焊接，该工艺为：正、反极性电流分别为195A和240A，正、反极性电流时间比为19ms∶4ms，经计算平均电流为203.5A，离子气流量为2.8L/min，送丝速度为200mm/min，焊接速度为120mm/min，钨极内缩量为3.5mm，喷嘴高度为6mm，保护气流量为15L/min时，具体步骤如下：

焊前准备：将铝合金焊件用钢刷和砂纸对试件表面进行机械清理，去除表面氧化膜，用丙酮去除表面油污。

工件装夹焊接：将工件用专用夹具竖直固定，调整焊枪位置，在控制面板上设定好所需工艺参数后完成焊接过程，焊后空冷到室温。

用本焊接方法焊后的试件宏观形貌如图1所示。由于焊接过程中未保证液态熔池与固态金属间所需合理的温度梯度区间，导致焊缝未成形，离子气流量过大造成熔化的金属被吹到焊缝背面，形成切割。

本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法综合是采用立式焊接工艺，将7系高强铝合金工件竖直放置后用夹具固定，在工件一侧水平放置配置自动送丝装置的变极性等离子焊枪，焊枪枪头正对两工件之间的焊缝位置进行变极性等离子弧焊接，所述变极性等离子弧焊接的正极性电流选择范围190A～260A，反极性电流选择范围240A～300A。所述等离子焊枪所用电源为变极性等离子弧焊接电源。

所述变极性等离子弧焊接的正、反极性电流时间比可进行调整，正、反极性电流时间比值为：19ms∶4ms，20ms∶4ms和21ms∶4ms三种。

所述变极性等离子弧焊接的热输入通过焊接平均电流来体现，焊接平均电流按下式计算：

I_{m} = \sqrt{\frac{I_{+}^{2} \cdot I_{-}^{2} \cdot b}{a + b}}

所述变极性等离子弧焊接的离子气流量选择范围2.0L/min～2.6L/min。所述变极性等离子弧焊接的焊接速度选择范围150mm/min～230mm/min。所述变极性等离子弧焊接的送丝速度选择范围180mm/min～240mm/min。所述变极性等离子弧焊接的钨极内缩量选择范围3mm～4mm。所述变极性等离子弧焊接的喷嘴高度选择范围4mm～8mm。所述变极性等离子弧焊接的保护气流量选择范围10L/min～20L/min。

经试验证明，本发明上述方法具有可实现6mm～12mm厚的7系高强铝合金的焊接，焊接过程中能保证液态熔池与固态金属间形成合理的温度梯度区间，可获得稳定穿孔效应并能保证穿孔熔池力和热平衡，可避免焊接热裂纹，气孔等缺陷，焊缝外观均整，焊接变形小，焊接效率高的优点。

例举上述方法综合中的具体实例，如下：

实施例一，本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法与上述综合方法的区别是将10mm厚7075铝合金进行变极性等离子弧焊接，选用优化后的工艺参数为正、反极性电流分别为240A和300A，正、反极性电流时间比为21ms∶4ms，经计算平均电流为250A，离子气流量为2.0L/min，送丝速度为220mm/min，焊接速度为150mm/min，钨极内缩量为3mm，喷嘴高度为4mm，保护气流量为15L/min，具体步骤如下：

用本焊接方法焊后的试件宏观形貌如图2-3所示。焊缝表面成形良好、无缺陷、外观均整、焊接变形小。

实施例二，本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法与上述综合方法的区别是将6mm厚7010铝合金进行变极性等离子弧焊接，焊接工艺条件为正、反极性电流分别为190A和240A，正、反极性电流时间比为21ms∶4ms，经计算平均电流为198.8A，离子气流量为2.2L/min，送丝速度为220mm/min，焊接速度为230mm/min，钨极内缩量为3mm，喷嘴高度为4mm，保护气流量为15L/min，具体步骤如下：

工件装卡焊接：将工件用专用夹具竖直固定，调整焊枪位置，在控制面板上设定好所需工艺参数后完成焊接过程，焊后空冷到室温。

用本焊接方法焊后的试件宏观形貌如图4-5所示。焊缝表面成形良好、无缺陷、外观均整、焊接变形小。

实施例三，本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法与上述综合方法的区别是将8mm厚7A52铝合金进行变极性等离子弧焊接，焊接工艺条件为正、反极性电流分别为200A和260A，正、反极性电流时间比为19ms∶4ms，经计算平均电流为211.7A，离子气流量为2.0L/min，送丝速度为180mm/min，焊接速度为200mm/min，钨极内缩量为3.5mm，喷嘴高度为8mm，保护气流量为10L/min，具体步骤如下：

用本焊接方法焊后的试件宏观形貌如图6-7所示。焊缝表面成形良好、无缺陷、外观均整、焊接变形小。

实施例四，本发明7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法与上述综合方法的区别是将12mm厚7075铝合金进行变极性等离子弧焊接，焊接工艺条件为正、反极性电流分别为260A和300A，正、反极性电流时间比为20ms∶4ms，经计算平均电流为267.1A，离子气流量为2.6L/min，送丝速度为240mm/min，焊接速度为180mm/min，钨极内缩量为4mm，喷嘴高度为6mm，保护气流量为20L/min，具体步骤如下：

用本焊接方法焊后的试件宏观形貌如图8-9所示。焊缝表面成形良好、无缺陷、外观均整、焊接变形小。

Claims

1.一种7系高强铝合金变极性等离子弧焊接方法，其特征在于采用立式焊接工艺，将7系高强铝合金工件竖直放置后用夹具固定，在工件一侧水平放置配置自动送丝装置的变极性等离子焊枪，焊枪枪头正对两工件之间的焊缝位置进行变极性等离子弧焊接，所述变极性等离子弧焊接的正极性电流选择范围190A～260A，反极性电流选择范围240A～300A。

2.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述等离子焊枪所用电源为变极性等离子弧焊接电源。

3.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述变极性等离子弧焊接的正、反极性电流时间比可进行调整，正、反极性电流时间比值为：19ms：4ms，20ms：4ms和21ms：4ms三种。

4.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述变极性等离子弧焊接的热输入通过焊接平均电流来体现，焊接平均电流按下式计算：

I_{m} = \sqrt{\frac{I_{+}^{2} \cdot a + I_{-}^{2} \cdot b}{a + b}}

5.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述变极性等离子弧焊接的离子气流量选择范围2.0L/min～2.6L/min。

6.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述变极性等离子弧焊接的焊接速度选择范围150mm/min～230mm/min。

7.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述变极性等离子弧焊接的送丝速度选择范围180mm/min～240mm/min。

8.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述变极性等离子弧焊接的钨极内缩量选择范围3mm～4mm。

9.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述变极性等离子弧焊接的喷嘴高度选择范围4mm～8mm。

10.如权利要求1所述焊接方法，其特征在于所述变极性等离子弧焊接的保护气流量选择范围10L/min～20L/min。