CN107442921B - 一种异种铝合金材料的电子束焊接方法 - Google Patents

一种异种铝合金材料的电子束焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异种铝合金材料的电子束焊接方法，属于焊接技术领域。所述方法包括：步骤一、设计焊接接头，焊接接头采用锁底对接形式；步骤二、装配形成一个待焊接工件；步骤三、将待焊接工件放置于真空室内并抽真空；步骤四、对焊缝轨迹进行示教；步骤五、对待焊接工件进行定位焊；步骤六、对待焊接工件进行正式焊接，焊接参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦‑(0.01～0.03)A，电子束流50～70mA，焊接速度900～1100mm/s；步骤七、对焊缝进行修饰焊接，焊接参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.05～0.1)A，电子束流30～40mA。本发明可改善焊缝质量，减少焊缝缺陷。

Description

一种异种铝合金材料的电子束焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种异种铝合金材料的电子束焊接方法。
背景技术
5A06与6005A变形铝合金是在航空航天和国防军工领域广泛应用的结构材料。5A06铝合金是Al-Mg系防锈铝，具有较高的强度、良好的腐蚀稳定性和焊接性等特点。6005A铝合金是欧洲开发的Al-Mg-Si系变形铝合金。6005A铝合金不仅具有中等强度、良好的机械性能、抗腐蚀性能和较好的焊接性能，而且具有优异的热挤压性能，它可以挤压成各种形状复杂的大型薄壁空心、实心型材。在航空航天产品实际生产中，为了满足不同的使用要求，将5A06和6005A铝合金连接在一起的需要越来越多，这就涉及到异种铝合金材料的焊接。
目前，对于异种铝合金的焊接方法主要有氩弧焊、激光焊和搅拌摩擦焊等方法。这些方法均存在一定的局限性。氩弧焊热输入大，焊接过程构件变形大，容易产生大量裂纹，同时焊接过程中焊缝及热影响区都会出现严重软化现象。搅拌摩擦焊虽然能够避开铝合金熔焊过程中的气孔、裂纹和变形等问题，但是其焊接结构形式比较单一，与熔焊相比，焊接效率低，不利于广泛应用。激光焊接具有焊接热输入量可控、热影响区小、焊接速度快、焊接效率高、焊接变形小等优点，但是，由于铝合金自身的高反射性，通常焊缝熔深有限，无法实现大厚度合金材料的焊接，且焊缝内部易产生气孔缺陷。因此，开发一种更加有效的焊接5A06/6005A异种材料的方法无疑是至关重要的。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种可改善焊缝质量，减少焊缝缺陷的异种铝合金材料的电子束焊接方法。
本发明的技术方案为：
一种异种铝合金材料的电子束焊接方法，所述异种铝合金材料为型号5A06的铝合金板以及型号6005A的铝合金板，所述焊接方法包括：
步骤一、设计焊接接头，所述焊接接头采用锁底对接形式，将型号5A06的铝合金板设置于锁底，将型号6005A的铝合金板设置在锁底上侧；
步骤二、装配形成一个待焊接工件；
步骤三、将所述待焊接工件放置于真空室内并抽真空，真空室的真空度为2×10- 2Pa～7×10-2Pa；
步骤四、对焊缝轨迹进行示教，示教过程使电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；
步骤五、对所述待焊接工件进行定位焊，定位焊参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.01～0.03)A，电子束流20～30mA，焊接速度1000mm/s；
步骤六、对所述待焊接工件进行正式焊接，焊接参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-(0.01～0.03)A，电子束流50～70mA，焊接速度900～1100mm/s；
步骤七、对焊缝进行修饰焊接，焊接参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.05～0.1)A，电子束流30～40mA，焊接速度1000mm/s。
优选的是，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述焊接接头的厚度为5～7mm。
优选的是，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤六中，电子束流与焊接接头的厚度具有以下对应关系：当所述焊接接头的厚度从5mm增加至7mm时，所述电子束流从50mA线性增加至70mA。
优选的是，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤四中，在进行示教时，所采用的电子束流为2～4mA。
优选的是，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤五中，在进行定位焊时，每段焊缝的长度为20～40mm。
优选的是，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤二中，装配之后，焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度。
优选的是，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤二中，在装配之前，还进行焊前清理，对型号5A06的铝合金板和型号6005A的铝合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理。
优选的是，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，在所述步骤七之后，还进行步骤八，所述步骤八中，对焊缝表面进行打磨清理，去除表面的污染物与氧化层。
本发明所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法的有益效果为：
(1)本发明使用真空电子束焊接铝合金，能量集中、热输入小、热影响区小、焊接变形小，同时真空环境可有效防止焊缝的氧化与元素烧损。
(2)本发明采用修饰焊接，有利于将熔池内部的部分气体释放出来，减少焊缝气孔率，修饰焊缝表面，提高焊缝质量。
(3)本发明尤其适合对厚度为5-7mm的5A06/6005A异种铝合金焊接接头进行焊接。焊缝表面平整美观，无氧化、裂纹等缺陷，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，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。焊接接头抗拉强度达到232-245MPa，超过6005A母材强度280MPa的80％以上，延伸率为7.4-8％。
附图说明
图1为本发明所述的型号5A06的铝合金板以及型号6005A的铝合金板所形成的焊接接头的结构示意图；
图2为本发明所述的厚度为5mm的焊接接头的焊缝表面形貌图；
图3为本发明所述的厚度为7mm的焊接接头的焊缝表面形貌图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明提供了一种异种铝合金材料的电子束焊接方法，所述异种铝合金材料为型号5A06的铝合金板以及型号6005A的铝合金板，所述焊接方法包括：
步骤一、设计焊接接头，所述焊接接头采用锁底对接形式，将型号5A06的铝合金板1设置于锁底，将型号6005A的铝合金板2设置在锁底上侧(如图1所示)，从而形成了锁底结构3。焊缝4形成于锁底结构3之上。
步骤二、装配形成一个待焊接工件。
步骤三、将所述待焊接工件放置于真空室内并抽真空，真空室的真空度为2×10- 2Pa～7×10-2Pa。
步骤四、对焊缝4轨迹进行示教，示教过程使电子束5束斑始终处于焊缝中间的位置。具体地，当真空度满足要求后，调用NC程序，使用较小的电子束流对焊缝轨迹进行示教。
步骤五、对所述待焊接工件进行定位焊，定位焊参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.01～0.03)A，电子束流20～30mA，焊接速度1000mm/s。优选地，沿着待焊接工件的焊缝4进行均匀地定位焊。
步骤六、对所述待焊接工件进行正式焊接，焊接参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-(0.01～0.03)A，电子束流50～70mA，焊接速度900～1100mm/s。
步骤七、对焊缝4进行修饰焊接，焊接参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.05～0.1)A，电子束流30～40mA，焊接速度1000mm/s。
电子束焊接是指在真空环境中，利用汇聚的高速电子束流轰击焊件连接部位所产生的热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接热输入小、焊接热影响区小、适应性强、易于实现自动化等优点，可以满足未来航空航天产品结构复杂多样的需求，特别适用于对焊接热输入要求较为严格的材料焊接。另外，电子束焊接是在高真空下进行的，良好的真空条件可以保护熔池，防止金属元素的氧化和烧损，而且对焊缝金属有脱气作用，特别适合活性金属工件的焊接。
此外，本发明采用修饰焊接，有利于将熔池内部的部分气体释放出来，减少焊缝气孔率，修饰焊缝表面，提高焊缝质量。
本发明中所采用的型号为5A06的铝合金板的化学成分按重量百分比计为：Mg-6.28％，Mn-0.58％，Ti-0.16％，Fe-0.17％，Al余量；所采用的型号为6005A的铝合金板的化学成分按重量百分比计为：Si-0.75％，Fe-0.35％，Cu-0.30％，Mn-0.50％，Mg-0.56％，Al余量。
具体地，可以采用法国泰克米特中压电子束焊机进行焊接，电子枪最大输出功率为15kW，可焊铝合金最大厚度为70mm。
在一个优选的实施例中，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述焊接接头的厚度为5～7mm。
本发明特别适用于对厚度为5～7mm的待焊接工件进行焊接。所形成的焊缝表面平整美观，无氧化、裂纹等缺陷，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，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。
在一个优选的实施例中，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤六中，电子束流与焊接接头的厚度具有以下对应关系：当所述焊接接头的厚度从5mm增加至7mm时，所述电子束流从50mA线性增加至70mA。
随着焊接接头厚度的增加，电子束流也可以呈线性增加。
在一个优选的实施例中，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤四中，在进行示教时，所采用的电子束流为2～4mA。
在一个优选的实施例中，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤五中，在进行定位焊时，每段焊缝的长度为20～40mm。
在一个优选的实施例中，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤二中，装配之后，焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度。
在一个优选的实施例中，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，所述步骤二中，在装配之前，还进行焊前清理，对型号5A06的铝合金板和型号6005A的铝合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理。焊前清理可以避免杂质对焊接产生干扰，避免杂质影响焊缝质量。
在一个优选的实施例中，所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法中，在所述步骤七之后，还进行步骤八，所述步骤八中，对焊缝表面进行打磨清理，去除表面的污染物与氧化层。
以下为进一步说明本发明所述的技术方案，现提供以下实施例。
实施例一
对5mm厚5A06/6005A异种铝合金平板对接焊。如附图1所示，接头结构形式为锁底对接，型号5A06铝合金板一侧留有锁底2mm，型号6005A铝合金板位于锁底上侧。
工件定位焊，每段长度25mm，定位焊参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.03A，电子束流20mA，焊接速度1000mm/s。
正式焊接，焊接参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.02A，电子束流50mA，焊接速度900mm/s。
焊缝表面修饰焊接，焊接参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.05A，电子束流35mA，焊接速度1000mm/s。
如图2所示，本实施例得到的平板对接焊缝表面平整美观，无氧化、裂纹等缺陷。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，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到232MPa，超过6005A母材强度280MPa的80％以上，延伸率为7.4％。
实施例二
对7mm厚5A06/6005A异种铝合金平板对接焊。接头结构形式为锁底对接，型号5A06合金板一侧留有锁底3mm，型号6005A的铝合金板位于锁底上侧。
工件定位焊，每段长度30mm，定位焊参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.03A，电子束流25mA，焊接速度1000mm/s。
正式焊接，焊接参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.03A，电子束流70mA，焊接速度1000mm/s。
焊缝表面修饰焊接，焊接参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.1A，电子束流35mA，焊接速度1000mm/s。
如附图3所示，本实施例得到的平板对接焊缝表面平整美观，无氧化、裂纹等缺陷，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，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到245MPa，超过6005A母材强度280MPa的80％以上，断裂延伸率为8％。
实施例三
对5mm厚5A06/6005A异种铝合金平板对接焊。接头结构形式为锁底对接，型号5A06铝合金板一侧留有锁底2mm，型号6005A铝合金板位于锁底上侧。
工件定位焊，每段长度20mm，定位焊参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.01A，电子束流30mA，焊接速度1000mm/s。
正式焊接，焊接参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.01A，电子束流50mA，焊接速度900mm/s。
焊缝表面修饰焊接，焊接参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.05A，电子束流30mA，焊接速度1000mm/s。
本实施例得到的平板对接焊缝表面平整美观，无氧化、裂纹等缺陷。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，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到235MPa，超过6005A母材强度280MPa的80％以上，延伸率为7.7％。
实施例四
对7mm厚5A06/6005A异种铝合金平板对接焊。接头结构形式为锁底对接，型号5A06合金板一侧留有锁底3mm，型号6005A的铝合金板位于锁底上侧。
工件定位焊，每段长度40mm，定位焊参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.03A，电子束流25mA，焊接速度1000mm/s。
正式焊接，焊接参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-0.03A，电子束流70mA，焊接速度1100mm/s。
焊缝表面修饰焊接，焊接参数：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+0.1A，电子束流40mA，焊接速度1000mm/s。
本实施例得到的平板对接焊缝表面平整美观，无氧化、裂纹等缺陷，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，符合GJB1718A-2005标准I级焊缝要求。接头极限抗拉强度达到249MPa，超过6005A母材强度280MPa的80％以上，断裂延伸率为8.6％。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种异种铝合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述异种铝合金材料为型号5A06的铝合金板以及型号6005A的铝合金板，所述焊接方法包括：
步骤一、设计焊接接头，所述焊接接头采用锁底对接形式，将型号5A06的铝合金板设置于锁底，将型号6005A的铝合金板设置在锁底上侧；
步骤二、装配形成一个待焊接工件；
步骤三、将所述待焊接工件放置于真空室内并抽真空，真空室的真空度为2×10-2Pa～7×10-2Pa；
步骤四、对焊缝轨迹进行示教，示教过程使电子束束斑始终处于焊缝中间的位置；
步骤五、对所述待焊接工件进行定位焊，定位焊参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.01～0.03)A，电子束流20～30mA，焊接速度1000mm/s；
步骤六、对所述待焊接工件进行正式焊接，焊接参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦-(0.01～0.03)A，电子束流50～70mA，焊接速度900～1100mm/s；
步骤七、对焊缝进行修饰焊接，焊接参数为：工作距离200mm，加速电压50kV，聚焦电流表面焦+(0.05～0.1)A，电子束流30～40mA，焊接速度1000mm/s；
所述焊接接头的厚度为5～7mm；
所述步骤四中，在进行示教时，所采用的电子束流为2～4mA；
所述步骤五中，在进行定位焊时，每段焊缝的长度为20～40mm；
所述步骤六中，电子束流与焊接接头的厚度具有以下对应关系：当所述焊接接头的厚度从5mm增加至7mm时，所述电子束流从50mA线性增加至70mA。
2.如权利要求1所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤二中，装配之后，焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度。
3.如权利要求1所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，所述步骤二中，在装配之前，还进行焊前清理，对型号5A06的铝合金板和型号6005A的铝合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理。
4.如权利要求1所述的异种铝合金材料的电子束焊接方法，其特征在于，在所述步骤七之后，还进行步骤八，所述步骤八中，对焊缝表面进行打磨清理，去除表面的污染物与氧化层。
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