CN105414733B - 电子束焊接异种体系铝合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子束焊接异种体系铝合金的方法，焊接母材为铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金，其具体步骤如下：第一步：接头设计；第二步：焊前清理及装配；第三步：设定电子束的焊接参数；第四步：设定电子束的射入位置；第五步：焊接；第六步：修饰焊接；第七步：焊后清理。该方法提高了焊接质量，降低了焊接成本，同时该方法对环境无特殊要求，无需特殊的焊前焊后处理，焊接过程容易实施，工作效率高，具有很强的应用前景。

Description

电子束焊接异种体系铝合金的方法
技术领域
本发明属于高能束焊接技术领域，具体涉及一种电子束焊接异种体系铝合金的方法。
背景技术
电子束焊接技术是采用电子束作为焊接热源的高能束焊接方法，是一种具有能量密度高、精度高、焊速快、变形小、材料热损伤少等优点的高效焊接技术，目前已广泛应用于航天航空、汽车制造等领域。铝合金材料是目前航天航空领域应用最广的金属材料之一，其比热容大、热导率大等独特性能决定了其焊接时必须采用能量集中的热源，因而电子束焊接在铝合金材料上的研究与应用中受到广泛重视。
在航天产品实际生产中，越来越多地出现要将铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金连接在一起的需求。这两类材料虽同属于铝合金，但铝硅系铸造铝合金存在共晶组织，可热处理强化，焊后软化现象明显；铝镁系变形铝合金为固溶体组织，不可热处理强化，焊后软化不明显，但Mg元素在焊接过程中蒸发，导致焊缝成形性能较差。二者在成分、组织以及冶金性能上都存在很大差异，因此使激光焊接接头存在不均匀性，这种不均匀性会对接头力学性能产生较大影响，使得焊后性能较差，这个问题限制了异种体系铝合金激光焊接技术在实际产品上的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种电子束焊接异种体系铝合金的方法，克服了现有技术铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金在电子束焊接时，焊缝成形质量不佳，接头力学性能较差的不足，提高了焊接质量，降低了焊接成本，同时该方法对环境无特殊要求，无需特殊的焊前焊后处理，焊接过程容易实施，工作效率高，具有很强的应用前景。
为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电子束焊接异种体系铝合金的方法，焊接母材为铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金，其具体步骤如下：
第一步：接头设计，铝硅系铸造铝合金的接头位置设有锁底，铝镁系变形铝合金的接头设置在锁底上侧；
第二步：焊前清理及装配，对铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金进行除油、化学清洗、烘干、打磨刮削处理；
第三步：设定电子束的焊接参数；
第四步：设定电子束的射入位置，电子束由铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金的焊缝中心偏向铝硅系铸造铝合金一侧射入；
第五步：焊接，使用30-50KV的加速电压，选用0.9m/min～1.2m/min的焊接速度，选择电子束的离焦量为表面焦-(0.02-0.06)A，进行焊接；
第六步：修饰焊接，使用50KV的加速电压，选用0.9m/min～1.2m/min的焊接速度，选择电子束的离焦量为表面焦+(0.05-0.12)A，进行二次焊接；
第七步：焊后清理，焊接结束后，对焊缝进行打磨清理，除去污染物与氧化膜。
优选地，根据接头厚度增加或减小，锁底厚度同时增加或减小。
优选地，所述第二步中，铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金固定后焊缝的最大间隙不超过0.15mm。
优选地，所述第三步中，电子束的参数为：加速电压为30-50KV，根据接头厚度从1mm增加到5mm，设定的电子束流从20mA线性递增到40mA。
优选地，所述第四步中，根据接头厚度的变化，电子束射入位置偏离焊缝中心的距离为：0.1mm～0.5mm。
本发明所述的电子束焊接异种体系铝合金的方法的有益效果是：由于本方法改变了焊缝中的元素分布，减少了组织的不均匀性，改善了接头组织性能，焊缝成形质量好。采用电子束偏向铝硅系铸造铝合金一侧进行焊接，通过匹配合适的焊接参数，得到的焊缝均匀平整，接头抗拉强度提高到母材强度的80％以上，能够满足产品使用要求。
可以大大改善异种体系铝合金的电子束焊缝成形质量，改善接头性能，使接头抗拉强度超过母材抗拉强度的80％。
通过改变电子束射入位置，同时根据接头厚度匹配电子束束流及焦点位置，并设计接头形式，达到改善焊缝表面成形质量和焊缝组织性能、提高接头力学性能的目的。
利用本发明技术得到的平板对接焊缝，成形良好，波纹均匀，气体保护良好，焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，气孔直径均小于1.5mm。接头抗拉强度达到268MPa，超过ZL114A母材强度300MPa的80％。
附图说明
图1是本发明所述的电子束焊接异种体系铝合金的方法的焊前的示意图。
图2是本发明所述的电子束焊接异种体系铝合金的方法的焊后的示意图。
图中：1、铸造铝合金；2、变形铝合金；3、锁底；4、焊缝；5、电子束。
具体实施方式
下面对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。
一种电子束焊接异种体系铝合金的方法，焊接母材为铝硅系铸造铝合金1与铝镁系变形铝合金2，所用电子束焊机为中压定枪电子束焊机，电子枪输出最大功率15kW，可焊铝合金厚度为1mm～70mm，该方法具体步骤如下：
第一步：接头设计，接头形式为锁底3对接接头，铝硅系铸造铝合金的接头位置设有锁底3，铝镁系变形铝合金2接头设置在锁底3上侧，根据接头的厚度从1mm增加到5mm，锁底3的厚度逐渐从2mm增加至3mm；
第二步：焊前清理及装配，对铝硅系铸造铝合金1与铝镁系变形铝合金2进行除油、化学清洗、烘干、打磨刮削等焊前表面处理，然后将焊件安装到焊接工装上，保证焊缝4的最大间隙不超过0.15mm；
第三步：为控制焊接缺陷和变形，需在保证焊透及熔合良好的前提下尽量减少热输入量，设定电子束5的焊接参数，加速电压为30-50KV，采用皮下焦焊接，根据接头厚度从1mm增加到5mm，设定的电子束流从20mA线性递增到40mA；
第四步：设定电子束5的射入位置，电子束5的射入位置由铝硅系铸造铝合金1与铝镁系变形铝合金2的焊缝4中心偏向铝硅系铸造铝合金1一侧，根据接头厚度从1mm增加到5mm，电子束5射入位置偏离焊缝中心从0.1mm逐渐增加到0.5mm；
先将电子束5射入位置对到焊缝4上，并设置起点，之后对焊接轨迹进行示教，即手动控制电子束示教点沿焊接路线行走一遍，并将焊接轨迹的坐标信息存储到数控程序中，再在数控程序中加入电子束束斑偏移量，设定电子束的射入位置，均偏向于铝硅系铸造铝合金1一侧，根据接头厚度从1mm增加到5mm，电子束5射入位置偏离焊缝4中心从0.1mm逐渐增加到0.5mm，示意图如图1所示；
第五步：焊接，使用30-50KV的加速电压，选用0.9m/min～1.2m/min的焊接速度，选择电子束的离焦量为JSUR(表面焦)-(0.02-0.06)A，进行焊接；
电子束的离焦量为JSUR(表面焦)-(0.02-0.6)A；由于铸造铝合金母材含气量比较高，为利于气体逸出，焊接速度不宜过快，选取焊接速度在0.9m/min～1.2m/min范围同时施加脉冲波形进行扫描加快气体溢出；电子束的离焦量会影响材料表面熔化斑点的直径和熔池的深宽比，采用负离焦的形式焊接会获得更大熔深，并有利于气体的逸出，减少气孔缺陷；
第六步：修饰焊接，使用50KV的加速电压，选用0.9m/min～1.2m/min的焊接速度，选择电子束的离焦量为JSUR(表面焦)+(0.05-0.12)A之间，进行二次焊接，使得焊缝表面过渡圆滑，无咬边等表面缺陷。
第七步：焊后清理，焊接结束后，对焊缝进行打磨清理，除去污染物与氧化膜。焊后焊缝截面形状的典型特征如图2所示。
实施案例：
试验所用的电子束焊机为法国某公司生产的CT4型电子束焊枪，为三级枪，间热式阴极，阴极加热方式为灯丝电子轰击加热，阴极材料为钨，输出功率为15KW。
一、ZL114A/5A06材料1mm厚结构平板对接焊：
焊接规范如下：接头设计为锁底对接形式，ZL114A一侧留有锁底2mm，电子束加速电压设定为30kV，电子束束流为20mA，电子束位于ZL114A一侧距离焊缝中心0.1mm处，焊接速度1.2m/min，离焦量为JSUR(表面焦)-0.02A。
利用上述焊接规范得到的平板对接焊缝，成形良好，波纹均匀，气体保护良好，焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，存在少量气孔，气孔直径均小于0.2mm。接头抗拉强度达到267MPa，超过ZL114A母材强度300MPa的80％。
二、ZL114A/5A06材料2.5mm厚结构平板对接焊：
焊接规范如下：接头设计为锁底对接形式，ZL114A一侧留有锁底2.5mm，电子束加速电压设定为30kV，电子束束流为33mA，激光束位于ZL114A母材一侧距离焊缝中心0.2mm处，焊接速度1.0m/min，离焦量为JSUR(表面焦)-0.03A。
利用上述焊接规范得到的平板对接焊缝，成形良好，波纹均匀，气体保护良好，焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，存在少量气孔，气孔直径均小于0.5mm。接头抗拉强度达到260MPa，超过ZL114A母材强度300MPa的80％。
三、ZL114A/5A06材料3mm厚结构平板对接焊：
焊接规范如下：接头设计为锁底对接形式，ZL114A一侧留有锁底2.5mm，电子束加速电压设定为40kV，电子束束流为35mA，电子束位于ZL114A母材一侧距离焊缝中心0.3mm处，焊接速度0.9m/min，离焦量为JSUR(表面焦)-0.02A。
利用上述焊接规范得到的平板对接焊缝，成形良好，波纹均匀，气体保护良好，焊缝内部无裂纹、未焊透及未熔合等缺陷，无可见夹杂物，存在少量气孔，气孔直径均小于0.8mm。接头抗拉强度达到265MPa，超过ZL114A母材强度300MPa的80％。
四、ZL114A/5A06材料5mm厚结构平板对接焊：
焊接规范如下：接头设计为锁底对接形式，ZL114A一侧留有锁底3mm，电子束加速电压设定为40kV，电子束束流为42mA，激光束位于ZL114A母材一侧距离焊缝中心0.5mm处，焊接速度1.0m/min，离焦量为JSUR(表面焦)-0.03A。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该技术领域的技术人员能理解和应用本发明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下还可以做出若干简单推演或替换，而不必经过创造性的劳动。因此，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的简单改进都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电子束焊接异种体系铝合金的方法，其特征在于：焊接母材为铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金，其具体步骤如下：
第一步：接头设计，铝硅系铸造铝合金的接头位置设有锁底，铝镁系变形铝合金的接头设置在锁底上侧；
第二步：焊前清理及装配，对铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金进行除油、化学清洗、烘干、打磨刮削处理；
第三步：设定电子束的焊接参数；
第四步：设定电子束的射入位置，电子束由铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金的焊缝中心偏向铝硅系铸造铝合金一侧射入；根据接头厚度的变化，电子束射入位置偏离焊缝中心的距离为：0.1mm～0.5mm；具体操作步骤为：
先将电子束射入位置对到焊缝上，并设置起点，之后手动控制电子束示教点沿焊接路线行走一遍，并将焊接轨迹的坐标信息存储到数控程序中，再在数控程序中加入电子束束斑偏移量，设定电子束的射入位置；
第五步：焊接，使用30-50KV的加速电压，选用0.9m/min～1.2m/min的焊接速度，选择电子束的离焦量为表面焦-0.02到-0.06A，进行焊接；
第六步：修饰焊接，使用50KV的加速电压，选用0.9m/min～1.2m/min的焊接速度，选择电子束的离焦量为表面焦+0.05到+0.12A，进行二次焊接；
第七步：焊后清理，焊接结束后，对焊缝进行打磨清理，除去污染物与氧化膜。
2.根据权利要求1所述的电子束焊接异种体系铝合金的方法，其特征在于：根据接头厚度增加或减小，锁底厚度同时增加或减小。
3.根据权利要求1所述的电子束焊接异种体系铝合金的方法，其特征在于：所述第二步中，铝硅系铸造铝合金与铝镁系变形铝合金固定后焊缝的最大间隙不超过0.15mm。
4.根据权利要求1所述的电子束焊接异种体系铝合金的方法，其特征在于：所述第三步中，电子束的参数为：加速电压为30-50KV，根据接头厚度从1mm增加到5mm，设定的电子束流从20mA线性递增到40mA。
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