CN105710511A - 一种合金焊接接头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合金焊接接头的制备方法，可以降低焊接接头中的气孔缺陷。所述方法包括步骤：1)对工件施加第一电弧，使工件熔化并形成焊接熔池；2)对尚未凝固的熔池施加第二电弧，通过第二电弧的加热搅拌作用，促进熔池中的气体逸出。第二电弧的作用主要体现在加热和搅拌，加热作用可以适当的延长熔池液态停留时间，此时熔池内部气体逸出阻力较小，同时，在搅拌作用下，微小气孔相互碰撞并聚集从而加速逸出熔池。对比采用预热或重熔工艺来预防和减少气孔方法，增加第二电弧后电弧能量利用率提高，节约资源的同时避免了焊缝区域的多次加热，焊接效率更高。

Description

一种合金焊接接头的制备方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种合金焊接接头制备方法。
背景技术
铝合金具有密度小、综合力学性能高，耐腐蚀性能、低温性能和导电导热性能好，易加工成型等一系列特点，被广泛的应用于在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中。其中，铝合金的应用离开焊接技术的支持是难以完成的。目前焊接铝合金最为常见、在工业应用中最为广泛的焊接方法是TIG和MIG焊。
TIG焊以钨极为电极，电弧在钨极与母材之间产生，铝合金TIG焊一般采用交流，利用电弧在负半周具有的阴极破碎作用，去除铝氧化层。使用TIG焊焊接铝合金可以得到成形性好、品质较高的接头。但为防止钨极的烧损必须限制焊接最大电流，所以TIG焊焊接速度慢、效率低，常被用在铝合金薄板焊接和缺陷补焊。与TIG焊不同，使用MIG焊焊接铝合金时焊丝作电极，可以采用比TIG焊更大的焊接电流，电弧功率更高、焊接速度更快；采用直流反接可以获取更好阴极雾化清理作用，保证焊缝质量。目前MIG焊(包括脉冲MIG焊、双丝MIG焊等工艺)已经成为国内高速列车和船舶用铝合金的主流焊接方法。但MIG焊焊接铝合金接头软化比较严重，随着铝合金作为金属结构材料应用范围和用量不断提升，铝合金的焊接质量和焊接效率问题愈加突出。
为了解决铝合金焊接的效率与质量问题，一些采用复合热源对铝合金进行焊接的方法被提出，如激光-MIG焊、等离子-MIG焊等。复合焊接不是两种单热源的简单叠加，而是两者相互作用、相互加强，发挥两者优势，形成一种复合、高效的热源。用复合焊焊接铝合金能够大幅度提高焊接效率。相比于传统的焊接方法，复合电弧的焊接效果深而且焊道窄、焊接变形小，这些特点在中、厚板焊接上优势更为明显。
通过大量的研究发现，使用复合焊的方法焊接的铝合金时，焊接效率有明显提升，但焊缝中存在数量较多的气孔。氢在液态铝和固态铝中的溶解度相差约20倍，在快速结晶过程中，溶解度突变，来不及逸出的氢会在焊缝中析出形成气泡。焊缝中的气孔不仅对接头致密性有很大的影响，而且会削弱接头的有效承载截面积，造成应力集中，显著降低接头的强度、塑性和韧性，特别对动态负载强度和疲劳强度更为不利。常规焊接方法采用的焊接速度比较低,液态金属凝固较慢，气体的逸出比较充分，但对于复合焊,由于焊接速度快、热输入小，熔池凝固更为迅速，使得气体来不及从熔池逸出，造成焊缝中残留的气孔数量增加。黎硕在“铝合金激光-MIG复合焊接气孔缺陷研究”一文中通过使用激光-MIG复合的方法对铝合金进行焊接，发现通过焊前清理工件表面的氧化膜并采用干燥惰性气体保护焊接熔池显著减少焊缝内部的氢气孔和夹层气孔，但是焊缝内部依旧存在较多的工艺气孔。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的合金焊接接头的制备方法，使所得焊接接头中的气孔缺陷显著减少。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案为一种合金焊接接头的制备方法，包括以下步骤：1)对工件施加第一电弧，使工件熔化并形成焊接熔池；2)对尚未凝固的焊接熔池施加第二电弧，通过第二电弧的加热搅拌作用，从而促进熔池中的气体逸出。第二电弧的作用主要体现在加热和搅拌，第二电弧的加热作用可以适当的延长熔池液态停留时间，此时熔池内部气体逸出阻力较小，同时，在第二电弧对熔池的搅拌作用下，微小气孔相互碰撞并聚集，从而加速逸出熔池。对比采用预热或重熔工艺来预防和减少气孔方法，增加第二电弧可以充分利用电弧能量，节约资源的同时避免了焊缝的多次加热，焊接效率更高。
进一步，所述第一电弧为复合焊电弧，由第一焊枪产生。在复合焊电弧之后添加第二电弧，通过第二电弧的加热作用延长焊接熔池的液态存在时间、降低熔池内部的温度梯度，促进气体逸出熔池，在实现复合焊快速焊接功能的同时，获得气孔倾向小的优质焊接接头。所述复合焊电弧由激光电弧与MIG电弧、TIG电弧、MAG电弧中的任意一种所复合而成；或由等离子电弧与MIG电弧、TIG电弧、MAG电弧中的任意一种所复合而成。
进一步，所述第二电弧为MIG电弧、TIG电弧、MAG电弧或等离子电弧，由第二焊枪产生。由于第二电弧的作用主要在于继续加热和搅拌尚未凝固的熔池，促进气体逸出熔池，不需要对继续在熔池中填充焊丝，因此第二电弧优选为TIG电弧或等离子电弧。
进一步，所述方法还包括在焊接前对工件进行表面处理；所述表面处理包括打磨、抛光和有机溶剂超声清洁处理。表面处理的目的在于降低工件表面的氧化层对焊缝的影响，从而进一步减少接头内部的夹渣、气孔等缺陷。
进一步，所述合金为轻合金。轻合金焊接接头中的气孔缺陷较多，尤其是铝合金和镁合金。在液态和固态时，氢的溶解度相差很大，在快速结晶过程中，溶解度突变，来不及逸出的气体极其容易在焊缝中析出形成气泡。另外，铝合金和镁合金的导热系数大，焊接熔池的液态存在时间更短，气体逸出的时间更短，焊缝中的形成气孔等缺陷的倾向更大。焊缝中的气孔不仅对接头致密性有很大的影响，而且会削弱接头的有效承载截面积，造成应力集中，显著降低接头的强度、塑性和韧性，特别对动态负载强度和疲劳强度更为不利。因此，采用本发明的方法制备上述轻合金的焊接接头时，可以在保证焊接速度的同时减少焊缝中的气孔，从而提升上述轻合金的焊接效率。
进一步，第一焊枪端部、第二焊枪端部与工件待焊面的距离为5-10mm；第一焊枪与第二焊枪之间的距离为8-12mm；焊接速度为0.5-1.5m/min。当第一电弧为等离子-MIG复合焊电弧，第二电弧为TIG电弧时，第一焊枪中的等离子电流为80-120A、等离子流量为3-5L/min、MIG电流为150-270A，第二焊枪中的TIG电流为60-150A。当第一电弧为等离子-MIG复合焊电弧，第二电弧为等离子电弧时，第一焊枪中的MIG电流为150-270A、等离子电流为80-120A、等离子流量为3-5L/min，第二焊枪中的等离子电流为50-80A、等离子流量为2-3L/min。
进一步，第一电弧引燃1-2s后再引燃第二电弧，这样设置的作用在于使第一电弧和第二电弧的能量稳定。进一步，第一电弧、第二电弧和焊缝位于同一竖直平面，第一电弧作用于焊缝并形成熔池，1-2s后所述熔池运动到第二电弧的下端。当要终止焊接过程时，先停止第一电弧，1-2s后再停止第二电弧，这样设置的目的是促使尽可能多的气体排出。
进一步，所述第二电弧对熔池的作用深度为0.4-0.6倍熔深。本发明的发明人在之前的试验中使用等离子-MIG复合焊的方法对6mm厚的铝合金进行焊接，结果发现通过焊前严格表面清理得到的成型质量最优的焊缝中仍然存在一定数量的气孔缺陷，其位置主要分布在焊缝中上部，因此，使第二电弧对焊接熔池的作用深度为0.4-0.6倍熔深。其中，熔深指熔池的最深位与工件表面之间的距离。
附图说明
图1为制备合金焊接接头的工作原理示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，将6mm厚的铝合金工件4固定在工作台上，利用导线3将其接入焊接系统，并同时使第一焊枪1和第二焊枪2一前一后安置在焊缝上方，其中第一焊枪1用于产生等离子-MIG复合焊电弧(第一电弧)5，第二焊枪2用于产生TIG电弧(第二电弧)6。调节第一焊枪1与第二焊枪2之间的距离为8mm且距离铝合金工件4表面6mm。开始焊接时，首先引燃第一电弧5，1-2s后再引燃第二电弧6；其中，引燃第一电弧5时，先引燃等离子电弧51，随后引燃MIG电弧52，两种电弧相互耦合形成第一电弧5。焊接过程中的主要焊接参数为：第一焊枪1中的等离子电流为100A、MIG电流为250A、焊丝7为1.6mm的ER5356焊丝、等离子流量为4L/min；第二焊枪2中的TIG电流为100A；焊接速度为1m/min。当要终止整个焊接过程时，先停止等离子-MIG复合焊电弧5，1-2s后再停止TIG电弧6。
通过在显微镜下观察可知，在相同的工艺条件下，当仅采用等离子-MIG复合焊电弧时，所得铝合金焊接接头中存在较多的气孔。与之相比，当在等离子-MIG复合焊电弧之后增加TIG电弧时，对应的铝合金焊接接头中的气孔显著减少。
实施例2
如图1所示，将3mm厚的镁合金工件4固定在工作台上，利用导线3将其接入焊接系统，并同时使第一焊枪1和第二焊枪2一前一后安置在焊缝上方，其中第一焊枪1用于产生等离子-MIG复合焊电弧(第一电弧)5，第二焊枪2用于产生TIG电弧(第二电弧)6。调节第一焊枪1与第二焊枪2之间的距离为8mm且距离镁合金工件4表面5mm。开始焊接时，首先引燃第一电弧5，1-2s后再引燃第二电弧6；其中，引燃第一电弧5时，先引燃等离子电弧51，随后引燃MIG电弧52，两种电弧相互耦合形成第一电弧5。焊接过程中的主要焊接参数为：第一焊枪1中的等离子电流为80A、MIG电流为170A、焊丝7为1.6mm的AZ31镁合金焊丝、等离子流量为3.2L/min；第二焊枪2中的TIG电流为70A；焊接速度为0.8m/min。当要终止整个焊接过程时，先停止等离子-MIG复合焊电弧5，延迟1-2s，再停止TIG电弧6。
通过在显微镜下观察可知，在相同的工艺条件下，当仅采用等离子-MIG复合焊电弧时，所得镁合金焊接接头中存在较多的气孔。与之相比，当在等离子-MIG复合焊电弧之后增加TIG电弧时，对应的镁合金焊接接头中的气孔显著减少。
实施例3
如图1所示，将6mm厚的铝合金工件4固定在工作台上，利用导线3将其接入焊接系统，并同时使第一焊枪1和第二焊枪2一前一后安置在焊缝上方，其中第一焊枪1用于产生等离子-MIG复合焊电弧(第一电弧)5，第二焊枪2用于产生等离子电弧(第二电弧)6。调节第一焊枪1与第二焊枪2之间的距离为8mm且距离铝合金工件4表面6mm。开始焊接时，首先引燃第一电弧5，1-2s后再引燃第二电弧6；其中，引燃第一电弧5时，先引燃等离子电弧51，随后引燃MIG电弧52，两种电弧相互耦合形成第一电弧5。焊接过程中的主要焊接参数为：第一焊枪1中的等离子电流为100A、MIG电流为250A、焊丝7为1.6mm的ER5356焊丝、等离子流量为4L/min；第二焊枪2中的等离子电流为60A、等离子流量为2.3L/min；焊接速度为1m/min。当要终止整个焊接过程时，先停止等离子-MIG复合焊电弧5，延迟1-2s，再停止等离子电弧6。
通过在显微镜下观察可知，在相同的工艺条件下，当仅采用等离子-MIG复合焊电弧时，所得铝合金焊接接头中存在较多的气孔。与之相比，当在等离子-MIG复合焊电弧之后增加等离子电弧时，对应的铝合金焊接接头中的气孔显著减少。

Claims (10)

1.一种合金焊接接头的制备方法，包括以下步骤：1)对工件施加第一电弧(5)，使工件(4)熔化并形成焊接熔池；2)对尚未凝固的焊接熔池施加第二电弧(6)。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一电弧(5)为复合焊电弧，由第一焊枪(1)产生。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述复合焊电弧由激光电弧与MIG电弧、TIG电弧、MAG电弧中的任意一种所复合而成；或由等离子电弧与MIG电弧、TIG电弧、MAG电弧中的任意一种所复合而成。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二电弧(6)为MIG电弧、TIG电弧、MAG电弧或等离子电弧，由第二焊枪(2)产生。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述方法还包括在焊接前对工件(4)进行表面处理；所述表面处理包括打磨、抛光和有机溶剂超声清洁处理。
6.如权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于：所述合金为铝合金或镁合金。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：第一焊枪(1)端部、第二焊枪(2)端部与工件(4)待焊接区域的距离为5-10mm；第一焊枪(1)与第二焊枪(2)之间的距离为8-12mm；焊接速度为0.5-1.5m/min。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：第一电弧(5)、第二电弧(6)和焊缝位于同一竖直平面，第一电弧(5)作用于焊缝并形成熔池，1-2s后所述熔池运动到第二电弧(6)的下端。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：当要终止焊接过程时，先停止第一电弧(5)，1-2s后再停止第二电弧(6)。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第二电弧(6)对焊接熔池的作用深度为0.4-0.6倍熔深。
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