CN105195886A

CN105195886A - 一种铝合金焊接工艺

Info

Publication number: CN105195886A
Application number: CN201510718110.6A
Authority: CN
Inventors: 沈秋
Original assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2015-12-30

Abstract

本发明公开了一种铝合金焊接工艺，对铝合金焊前处理后，通过选择合理的焊接工艺参数，保证电子束焊接质量，并经过后续精加工成型，包括：开卷—冲压成型—油清洗—超声波脱脂处理—清水漂洗—焊前压配—焊接—焊接质量检验—精加工。焊接工艺参数包括焊接铝合金的厚度为0.5—4mm，电子束流15mA—50mA，聚焦电流1.1A—2.9A，加速电压25KV—55KV，焊接速度50—600mm/min。油清洗包括油清洗系统、过滤系统和真空系统，其中，油清洗系统使用专用油作为清洗液。该发明焊缝均匀细密，深宽比大，并且无气孔，焊缝处的抗拉强度等力学性能良好。

Description

一种铝合金焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种铝合金焊接工艺。

背景技术

随着航空制造工业的不断发展，铝合金成为航空航天工业及航空发电机结构中重要的结构材料，它是上世纪70年代初由美国通用电器(GE)公司开发的以高强度、高淬透性和高断裂韧性为特征的近13型铝合金，该合金锻造温度范围宽，特别适合于制作大截面锻件，在航空工业中具有广阔的应用前景。20世纪90年代，西方发达国家将研制出的高强度铝合金，通过整体锻造+数控加工应用于新型航空发动机叶轮部件，显著提高了发动机的效率。

在航空航天的装备和制造过程中，焊接和连接技术始终处于至关重要的地位。铝合金由于其优良的综合性能在航空领域应用的越来越多，铝合金的焊接/连接技术也已成为工业部门的研究热点。连接技术是现代制造工业中不可缺少的加工手段，是通过机械的、物理的或化学的方法，把两种材料或零部件结合在一起。现在生产和制造领域中，很多工程应用时离不开焊接。现在越来越多的产品采用各种焊接方法把不同材料、形状、结构和功能的零部件连接成一个复杂的整体，特别是大型钛制设备。这大大简化了部件整体加工的工序，节省了材料，提高了生产效率。在铝合金的各种连接方法中，焊接作为铝合金加工的重要手段，有着提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面的优势，因此铝合金焊接方面的研究工作一直被国内外焊接工作者重视。铝合金在保护措施良好的条件下可以采用TIG、MIG、电子束焊及摩擦焊等多种方法进行焊接。传统的焊接技术如TIG焊、MIG焊等，由于它们具有设备成本低，操作简便等特点，目前在制造业中仍在广泛应用并居主流地位。但它们在焊接铝合金等特殊材料时受到一定的限制，这是因为它们存在一些缺点，如：能量密度低；焊接速度慢，效率低；焊接参数可控精度差；焊缝深宽比小，厚板工件需采用多层多道焊；焊缝热影响区宽，焊缝性能低；工件变形大，需采用校正措施减少变形；焊缝精度差，重要部件需重新机械加工等。另外，采用TIG，MIG，PAW等方法焊接铝合金时，由于保护气氛及纯度的限制，会使焊接接头的氧、氮、氢的含量增加，焊后易在焊缝区形成脆性相或微气孔，降低焊接接头的塑性和韧性。而电子束焊接是目前最成熟的高能束流加工方法之一，在航空及宇航的焊接结构制造中得到了广泛的应用。电子束焊通常是在真空条件下进行，保护条件良好，焊接适用范围广，能焊接绝大多数的金属及其合金。对于焊接街头，无论工件厚薄都可不开坡口，不加填充金属，单道一次焊接，且速度快，工作距离大，焊接部位可达性好，电子束的运动轨迹可通过电磁力控制。电子束焊接具有能量密度高、穿透力强、焊接效率高、加热范围窄、加热冷却速度极快和显著的锁孔效应特征，这使得电子束焊接过程和普通熔化焊有明显不同。而且电子束焊接具有熔宽比高，焊件变形小，焊缝纯洁度高等特点，尤其适用于钛及铝合金等活性金属的焊接。因此，研究铝合金电子束焊接接头的组织及室温、高温力学性能有着十分重要的意义，为提高焊接质量以及该合金在我国航空工业中的迅速发展和铝合金的进一步推广应用提供理论依据，为各航空材料电子束焊接结构提供完整性评定。

铝合金在保护良好的条件可采用钨极氩弧焊、熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊、真空电子束焊、激光焊等方法进行焊接。

(1)TIG焊(钨极氩弧焊)

TIG焊接是铝合金焊接接合中最常用的方法。焊接时使用直流电，铝合金接正极。在工件处于高温状况时，为保护焊接接头的冷却，以避免和空气相接触，它要靠采用焊炬喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适当流量的氩或氩氦混合气将焊接高温区与空气隔开。其中喷嘴结构和尺寸对焊接质量的影响很大，喷嘴结构不合理时，会出现涡流或刚度不大的层流，前者会带入空气，后者则因干扰破坏层流，同样也会混入空气。空气进入电弧区，玷污熔池，使得焊缝金属冶金质量变坏，焊缝起皱，外观差，这是不允许存在的。另外为了避免近缝区过热，焊接电流应有一定的限制，最大电流一般不能超过300A。这样可不需要开坡口，用单道焊焊接厚度可达3～4mm的合金。大厚度的铝合金对接时需要开坡口，加填充焊丝用多层焊进行焊接。用这种方法焊接时最常见的缺陷是气孔，其次是保护不良。此外钨极夹杂、未焊透和焊缝背面回缩也时有发生。

(2)MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)

MIG焊比TIG焊有较大的热功率，效率高，常用于中厚度产品的焊接；可减少焊接层数、提高焊接速度和生产率、降低成本。焊接时使用直流反极性。为避免焊矩摆动扰乱保护区的气流造成污染及扩大热影响区，应以直线行进方式焊接的原则。该焊接方法焊接时气孔比钨极氩弧焊少，但其主要缺点是飞溅问题，它影响焊缝成形和焊接保护。短路过渡适用于较薄件的焊接，喷射过渡则适用于较厚件的焊接。由于熔化极焊接时填丝较多，故焊接坡口角度较大。另外，要使用杂质少的焊丝或注意焊接作业环境。钨极氩弧焊的拖罩可用于熔化极焊接，只是由于焊接速度较高、高温区较长，拖罩要适当加长，并用流水冷却。

(3)PAW(等离子弧焊)

与TIG焊和MIG焊相比，等离子弧焊具有能量集中、单面焊双面成形、弧长变化对熔透程度影响小、无钨夹杂、气孔少和接头性能好等优点，非常适于钛及铝合金的焊接。等离子焊接使用恒流电源的直流(棒状负极)产生的传热型等离子体，可用“小孔型”和“熔透型”两种方法进行焊接。厚度2.5～15mm的铝合金板材采用“小孔型”方法可一次焊透，并可有效地防止产生气孔。“熔透型”方法适用于各种厚度，但一次焊透的厚度较小，3mm以上一般需要开坡口，填丝多层焊。一般的等离子焊使用氩气中添加5％～7％H2的混合气体来提高电弧的收缩性。但焊接铝合金时，为了避免产生钛的氢化物，使用纯氩或氩与氮的混合气体，且不能混入氢气。

(4)EBW(真空电子束焊)

真空电子束焊接特别适用于钛及铝合金的焊接，这主要是因为它有一系列的优点：加热功率密度大，焊接速度快，焊接冶金质量好，焊缝窄，焊缝深宽比大，焊接角变形小，焊缝及热影响区晶粒细，接头性能好，焊缝和热影响区不会被空气沾污，焊接厚件时效率高等。焊缝中的气孔是焊接铝合金最为普遍的缺陷。存在于被焊金属电弧区中的氢和氧是产生气孔的主要原因。铝合金电子束焊接，其焊缝中气孔缺陷很少，这主要是由于电子束焊接是在真空环境中进行的，焊缝中氧、氮、氢含量极少，因此气孔缺陷很少。

铝及铝合金阳极氧化机理

铝及铝合金阳极氧化过程中作为阳极，阴极只起到了导电和析氢的作用。当铝合金元素或杂质元素溶于电解液中后，有可能在阴极上还原析出。常见的电解液为酸性，一般主要成分为含氧酸。进行阳极氧化时，阳极的电极反应是水放电析出原子氧，原子氧有很强的氧化能力，它与阳极上的铝作用生成氧化物，并放出大量的热。由于氧化膜的化学性质具有两重性，即在酸性溶液中呈碱性，在碱性溶液中呈酸性，因此，在氧化膜的生长、厚度增厚的同时也伴随着氧化膜的溶解，并且溶解反应的作用越来越明显。氧化铝生成与溶解是同时进行的，如果是足够长的时间，生成的氧化膜会完全溶于电解液中，因此氧化膜是表面来不及溶解的氧化铝，只有当氧化铝的生成速度大于溶解速度是，氧化膜才能不断增厚。阳极氧化一开始，工件表面立即生成一层致密的具有很高绝缘性的氧化铝。厚度为0.1——1μm，称为阻挡层。随着氧化膜的生成，电解液对膜的溶解作用也就开始了。由于膜不均匀，膜薄的地方首先被电压击穿，局部发热，氧化膜加速溶解，形成了孔隙，即生成了多孔层。电解液通过孔隙到达工件表面，使反应不断进行。由于氧化膜的生成，又伴有氧化膜的溶解，反复进行。部分氧化膜在电解液中溶解将有助于与氧化膜的继续生成。否则，因为氧化膜的电绝缘性将阻止电流的通过，而使氧化膜的生成停止。

氧化膜的生长过程包括二个相辅相成的方面：膜的电化学生成过程与膜的化学溶解过程，两者缺一不可。并且膜的生长过程必须大于膜的溶解过程，才能获得足够厚度的氧化膜。但是究竟是氧离子迁移通过阻挡层到达基体进行反应，还是铝离子迁移通过阻挡层到达膜层一溶液界面处进行反应呢？很多学者认为，膜的生长发生在阻挡层一基体界面处，即认为迁移通过阻挡层的是氧离子。

发明内容

本发明的目的在于提出一种铝合金焊接工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种铝合金焊接工艺，对铝合金焊前处理后，通过选择合理的焊接工艺参数，保证电子束焊接质量，并经过后续精加工成型，包括：开卷——冲压成型——油清洗——超声波脱脂处理——清水漂洗——焊前压配——焊接——焊接质量检验——精加工。焊接工艺参数包括焊接铝合金的厚度为0.5——4mm，电子束流15mA——50mA，聚焦电流1.1A——2.9A，加速电压25KV——55KV，焊接速度50——600mm/min。油清洗包括油清洗系统、过滤系统和真空系统，其中，油清洗系统使用专用油作为清洗液。

具体实施方式

实施例1

一种铝合金焊接工艺，对铝合金焊前处理后，通过选择合理的焊接工艺参数，保证电子束焊接质量，并经过后续精加工成型，包括：开卷——冲压成型——油清洗——超声波脱脂处理——清水漂洗——焊前压配——焊接——焊接质量检验——精加工。铝合金型号为2A12，尺寸为400mm×500mm×1mm，电子束流15mA，聚焦电流1.1A，加速电压30KV，焊接速度50mm/min。油清洗包括油清洗系统、过滤系统和真空系统，其中，油清洗系统使用专用油作为清洗液，经过该工艺处理后焊缝均匀细密，无杂质。

实施例2

一种铝合金焊接工艺，对铝合金焊前处理后，通过选择合理的焊接工艺参数，保证电子束焊接质量，并经过后续精加工成型，包括：开卷——冲压成型——油清洗——超声波脱脂处理——清水漂洗——焊前压配——焊接——焊接质量检验——精加工。铝合金型号为LF2，尺寸为10mm铝管，电子束流20mA，聚焦电流1.9A，加速电压35KV，焊接速度150mm/min。油清洗包括油清洗系统、过滤系统和真空系统，其中，油清洗系统使用专用油作为清洗液，经过该工艺处理后焊缝热影响区小，无气泡，且焊缝的抗拉强度明显增强。

Claims

1.一种铝合金焊接工艺，其特征在于对铝合金焊前处理后，通过选择合理的焊接工艺参数，保证电子束焊接质量，并经过后续精加工成型，包括：开卷——冲压成型——油清洗——超声波脱脂处理——清水漂洗——焊前压配——焊接——焊接质量检验——精加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的焊接工艺参数包括焊接铝合金的厚度为0.5——4mm，电子束流15mA——50mA，聚焦电流1.1A——2.9A，加速电压25KV——55KV，焊接速度50——600mm/min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的油清洗包括油清洗系统、过滤系统和真空系统，其中，油清洗系统使用专用油作为清洗液。