CN108296610B - 一种热处理强化铝合金的tig焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热处理强化铝合金的TIG焊接方法，其步骤：（1）根据待焊接工件的材料厚度开制或不开制焊接坡口，在两个工件待焊部位背面安装设置有成形槽的焊接垫板，将待焊工件压紧，调整焊缝与焊接垫板成形槽对中；（2）采用氩气保护变极性TIG焊对待焊部位进行填丝打底焊，形成打底焊缝；（3）采用氩气保护变极性脉冲TIG摆动电弧焊对打底焊缝进行盖面焊，形成盖面焊缝。根据待焊部位的焊接厚度可以在打底焊缝和盖面焊缝间增加一层填充层焊缝。本发明尤其适用于在热处理强化2A14和2219铝合金材质火箭燃料贮箱的焊接生产，可以实现近无缺陷焊接，显著提高接头强度和塑性，极大的提高焊接效率。

Description

一种热处理强化铝合金的TIG焊接方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金的焊接方法，尤其涉及一种热处理强化铝合金的TIG焊接方法。

背景技术

铝合金尤其是采用固溶+人工时效热处理强化的铝合金(如2A14和2219)，具有比强度高、比刚度大和低温性能好等特点，广泛应用于对轻量化要求较高的航空航天产品，但这类铝合金焊接性较差，尤其是7mm及以上厚度的中厚板焊接性能较难保证。主要表现为以下几点：①属于热处理强化材料，焊接时由于焊接热输入的影响，焊接接头的强度和延伸率都会降低，使基体金属近缝区部位的力学性能变坏；②铝与氧的亲和力很强，在空气中极易与氧结合生成致密而结实的Al₂O₃氧化薄膜，在焊接过程中易造成夹渣缺陷，同时液态铝对氢的溶解度比固态铝大很多，焊接过程中焊缝金属的快速凝固如果氢来不及溢出容易促使焊缝产生气孔缺陷；③焊接时其焊缝金属中形成结晶裂纹的倾向性和热影响区形成液化裂纹的倾向性均较大，往往由于过大的内应力而在脆性温度区间内产生热裂纹。

由于材料性能以及焊接技术的限制，早期利用铝合金制造航空航天产品，基本都采用开坡口正面交流TIG焊接+背面焊缝清根再手工交流TIG焊接封底的工艺方法，才能保证接头的强度和塑性满足要求。由于需要对背面焊缝清根和手工封底焊，生产效率较低、手工焊接质量一致性不易保证、劳动强度大。

随着焊接技术的发展，为了克服这类热处理强化铝合金的焊接局限性，新的焊接技术不断涌现，如专利(王国庆，孟凡新，刘宪力，等.一种铝合金的TIG焊接方法[P].申请号：201510065316.3)中提出了采用氦气保护直流TIG不填焊丝打底焊+氩气保护变极性TIG填加焊丝盖面焊接的单面自动焊接方法，这种方法取消了背面焊缝清根再封底焊接工序，同时采用自动焊方式，焊接质量和效率都有较大提升。但这种工艺采用了成本较高的氦气作为保护气，而氦气质量较氩气轻很多，为了保证焊接过程气体保护作用，采用的氦气流量一般是氩气保护流量的1-2倍，成本较高；同时，采用直流焊接导致电弧失去了对铝合金表面氧化膜的阴极清理作用，而必须采用比氩气保护短很多的电弧进行焊接以保证清除氧化膜，这就对焊接装配提出了很高要求；此外，由于采用短弧焊接，不能填加焊丝，无法调节接头性能。

另外一种方法为变极性等离子弧穿孔焊技术，通过自动焊接方式实现单面一次焊双面自由成形，焊接质量和效率也可以较大提升。但变极性等离子弧焊接对装配间隙和错缝提出了严格要求，工艺参数区间较小且设备复杂，焊接质量受设备稳定性和工件型面一致性影响较大；同时，铝合金变极性等离子弧焊需采用立向上的焊接姿态，但在实际生产中，对于广泛存在的空间曲线焊缝(如空间曲面上的法兰焊缝)，难以实现立向上焊。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种热处理强化铝合金的TIG焊接方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种热处理强化铝合金的TIG焊接方法，包括以下步骤：

(1)根据待焊接工件的材料厚度开制或不开制焊接坡口，在两个工件待焊部位背面安装设置有成形槽的焊接垫板，将待焊工件压紧，调整焊缝与焊接垫板成形槽对中；

(2)采用氩气保护变极性TIG焊对待焊部位进行打底焊，形成打底焊缝；

(3)采用氩气保护变极性脉冲TIG摆动电弧焊对打底焊缝进行盖面焊，形成盖面焊缝。

作为优选的技术方案，步骤(1)中，所述待焊接工件的材料厚度＜7mm时不开坡口，厚度≥7mm时开3mm钝边的Y型90°坡口。

作为优选的技术方案，步骤(1)中，将待焊工件压紧的方法为采用背面支撑和正面压紧工装。

作为优选的技术方案，所述TIG焊采用高纯氩气作为保护气体。

作为优选的技术方案，步骤(2)中，所述打底焊采用变极性连续电流焊接，并在打底焊接过程填加焊丝。

作为进一步优选的技术方案，所述打底焊工艺参数—Ar流量：12-15L/min、正向电流EP：170-250A、反向电流EN：230-320A、正向电流时间：3ms、反向电流时间：9ms、焊接速度120-150mm/min、送丝速度300-900mm/min。

作为优选的技术方案，步骤(3)中，所述盖面焊采用变极性脉冲电流焊接，并在盖面焊接过程采用摆动电弧并填加焊丝。

作为进一步优选的技术方案，所述盖面焊工艺参数—Ar流量：12-15L/min、正向电流EP：170-270A、反向电流EN：220-320A、正向电流时间：5ms、反向电流时间：15ms、基值电流：115-240A、脉冲频率：1-2Hz、摆动幅度：5-8mm、电弧在焊缝两侧停留时间：0.2-0.3s、焊接速度140-150mm/min、送丝速度800-2100mm/min。

作为优选的技术方案，步骤(2)中，所述打底焊正面焊缝下凹深度1-1.5mm。

作为优选的技术方案，当待焊部位的焊接厚度≥8mm时，为了调控焊缝成形和接头性能，可以在打底焊缝和盖面焊缝间增加一层填充层焊缝，填充层焊接方法和参数与打底焊相同；所述盖面焊电弧摆动频率与脉冲频率同步，摆幅保证盖面层焊缝的熔合线不与打底层和填充层焊缝熔合线重合。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明尤其适用于2A14和2219等热处理强化铝合金材质火箭燃料贮箱的焊接生产，可以实现近无缺陷焊接，显著提高接头强度和塑性，极大的提高焊接效率。

本发明方法尤其适合焊接的材料厚度为4-12mm；

本发明提供了一种铝合金TIG焊接方法，本方法能实现单面焊接双面成型，与专机或机器人结合容易实现自动化，可以极大的提高焊接效率，同时采用纯氩气保护进行焊接，成本低；

本发明提供了一种铝合金TIG焊接方法，所述方法采用变极性焊接电源进行焊接，钨电极和铝合金工件在电源正负极性间交替变换，当铝合金工件处于负极性时具有阴极清理作用，能够有效去除铝合金表面氧化膜，防止气孔、夹杂等铝合金焊接常见缺陷；

本发明提供了一种铝合金TIG焊接方法，所述方法关键之一是打底焊接过程填加焊丝，能够通过调节焊丝填加量来调控接头性能；同时，通过调节焊丝填加量能够弥补工件板厚差、装配偏差以及焊接变形产生的错缝和间隙对焊接成形和接头性能的影响，增强了焊接过程稳定性和工程适应性；

本发明提供了一种铝合金TIG焊接方法，所述方法关键之一是盖面焊接采用摆动电弧。对于热处理强化铝合金的焊接，在热输入作用下焊接热影响区产生过时效，导致接头强度和延伸率大幅降低，且接头延伸率比接头强度下降更严重。所以，接头强度和塑性的大幅弱化和匹配是其主要问题，尤其对于焊后不能进行热处理的工件，只能通过焊接工艺来调控接头性能；

本发明利用相对较小的电流通过打底和盖面两层焊接，大幅降低了热输入对材料性能的影响，再通过摆动电弧进行盖面焊接形成正面焊缝的同时，利用电弧热对摆幅范围内的接头区域进行热处理作用，尤其是电弧在焊缝两侧需停留一定时间对调控接头性能至关重要，对接头进行适当的软化作用以提高接头塑性，实现强度和塑性的匹配，不需要对接头进行的单独热处理过程。

附图说明

图1为本发明实施例所使用的装置的结构示意图；

图2为打底焊接示意图；

图3为盖面焊接示意图；

图4为焊接接头截面宏观金相图。

图中：1-待焊接工件、2-焊枪、3-变极性TIG焊接电源、4-横摆装置、5-正面压紧工装、6-焊接垫板、7-背面支撑工装、8-打底焊缝、9-盖面焊缝。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

参见图1-3，一种铝合金TIG焊接方法，采用本方法对7mm厚的2A14铝合金进行对接焊，该2A14铝合金经固溶+人工时效处理，母材强度440MPa、断后延伸率10％，标准为焊后接头强度不低于母材的50％、延伸率不低于3％即为合格，所述方法步骤如下：

(1)装配定位

待焊接工件1的板厚为7mm，制备钝边为3mm的Y型90°坡口，将待焊接边30mm范围内打磨至金属光泽；选用弧形成形槽、深度3mm、宽度12mm的焊接垫板6，清理其表面的油污并用丙酮擦拭干净，再利用背面支撑工装7和正面压紧工装5将打磨后的待焊接工件1装配压紧到焊接垫板6上，调整焊缝与焊接垫板6平行，调整后焊缝中心与成形槽中心偏差≤0.5mm，装配间隙≤0.5mm，错缝≤0.5mm；

(2)打底焊接

利用变极性TIG焊接电源3、焊枪2、采用氩气保护进行变极性TIG打底焊，工艺参数—Ar流量：15L/min、正向电流EP：210A、反向电流EN：310A、正向电流时间：3ms、反向电流时间：9ms、焊接速度140mm/min、送丝速度800mm/min；打底后，通过焊接垫板6的成形槽强制成形一定余高和宽度的背面焊缝，正面形成一定深度和宽度的凹形焊缝，即打底焊后通过焊接垫板6形成背面焊漏而正面形成一定宽度和下凹深度的打底焊缝8，如图2所示；

(3)盖面焊接

利用变极性TIG焊接电源、采用氩气保护变极性脉冲TIG焊进行盖面焊，焊接过程中焊枪2在横摆装置4作用下实现电弧垂直于焊接方向摆动并填加焊丝，焊接过程如图3，工艺参数—Ar流量：15L/min、正向电流EP：220A、反向电流EN：300A、正向电流时间：5ms、反向电流时间：15ms、基值电流：180A、脉冲频率：1Hz、摆动幅度：6mm、电弧在焊缝两侧停留时间：0.25s、焊接速度150mm/min、送丝速度1800mm/min，电弧摆动频率与脉冲频率同步，形成盖面焊缝9；

发明人按照该实施步骤分别进行了5组焊接，焊后进行X光透视检测，焊缝无气孔、夹杂、裂纹等缺陷，接头截面宏观金相如图4，每组取3个拉伸试样进行机械性能测试，与正面交流TIG焊接+背面焊缝清根再手工交流TIG焊接封底的传统工艺方法比较，本发明方法的接头抗拉强度330-350MPa(接头强度系数75％-80％)、延伸率5％-6％，传统工艺方法的接头抗拉强度290-305MPa(接头强度系数69％-70％)、延伸率3％-4.5％，从具体数据可以看出本发明方法接头强度和延伸率明显优于传统方法，从数据波动可以看出本发明方法接头性能波动较小，表明工艺稳定性和一致性较好。

实施例2：

一种铝合金TIG焊接方法，采用所述方法对4mm厚的2219铝合金进行对接焊，该2219铝合金经过固溶+人工时效处理，母材强度450MPa、断后延伸率12％，标准为焊后接头强度不低于母材的50％、延伸率不低于3％即为合格，所述方法步骤如下：

(1)装配定位

待焊接工件1板厚为4mm，不需制备坡口，将待焊接边30mm范围内打磨至金属光泽；选用弧形成形槽、深度2mm、宽度10mm的焊接垫板6，清理其表面的油污并用丙酮擦拭干净，再利用背面支撑工装7和正面压紧工装5将打磨后的待焊接工件1装配压紧到焊接垫板6上，调整焊缝与焊接垫板平行，调整后焊缝中心与成形槽中心偏差≤0.5mm，装配间隙≤0.5mm，错缝≤0.5mm；

(2)打底焊接

利用变极性TIG焊接电源、采用氩气保护进行变极性TIG打底焊，工艺参数—Ar流量：15L/min、正向电流EP：180A、反向电流EN：205A、正向电流时间：3ms、反向电流时间：9ms、焊接速度150mm/min、送丝速度600mm/min；打底后，通过焊接垫板的成形槽强制成形一定余高和宽度的背面焊缝，正面形成一定深度和宽度的凹形焊缝。

(3)盖面焊接

利用变极性TIG焊接电源、采用氩气保护变极性脉冲TIG焊进行盖面焊，焊接过程中焊枪2在横摆装置4作用下实现电弧垂直于焊接方向摆动并填加焊丝，焊接过程如图3，焊接过程工艺参数—Ar流量：15L/min、正向电流EP：190A、反向电流EN：215A、正向电流时间：5ms、反向电流时间：15ms、基值电流：150A、脉冲频率：1Hz、摆动幅度：5mm、电弧在焊缝两侧停留时间：0.25s、焊接速度150mm/min、送丝速度1100mm/min，电弧摆动频率与脉冲频率同步，盖面焊后形成一定宽度和余高的盖面焊缝9。

发明人按照该实施步骤分别进行了5组焊接，焊后进行X光透视检测，焊缝无气孔、夹杂、裂纹等缺陷，每组取3个拉伸试样进行机械性能测试，与专利文献(专利名称：一种铝合金的TIG焊接方法[P].申请号：201510065316.3)中4mm板焊接性能比较，本发明方法的接头抗拉强度340-370MPa(接头强度系数76％-82％)、延伸率5％-6％，而该专利文献中的接头抗拉强度330-370MPa(接头强度系数73％-82％)、延伸率4.5％-5％，从具体数据可以看出本发明方法接头强度与之相当，而延伸率较优，即塑性和强度匹配较佳。

本发明的工艺应用在热处理强化2A14和2219铝合金材质火箭燃料贮箱的焊接生产，实现近无缺陷焊接，显著提高接头强度和塑性，极大的提高焊接效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热处理强化铝合金的TIG 焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据待焊接工件的材料厚度开制或不开制焊接坡口，在两个工件待焊部位背面安装设置有成形槽的焊接垫板，将待焊工件压紧，调整焊缝与焊接垫板成形槽对中；

（2）采用氩气保护变极性TIG 焊对待焊部位进行打底焊，形成打底焊缝，所述打底焊采用变极性连续电流焊接，并在打底焊接过程填加焊丝；

（3）采用氩气保护变极性脉冲TIG 摆动电弧焊对打底焊缝进行盖面焊，形成盖面焊缝，所述盖面焊采用变极性脉冲电流焊接，并在盖面焊接过程采用摆动电弧并填加焊丝，电弧摆动频率和电流脉冲频率同步，且电弧在焊缝两侧停留一定时间；所述盖面焊工艺参数—Ar流量：12-15L/min、正向电流EP：170-270A、反向电流EN：220-320A、正向电流时间：5ms、反向电流时间：15ms、基值电流：115-240A、脉冲频率：1-2 .5Hz、摆动幅度：5-8mm、电弧在焊缝两侧停留时间：0 .2-0 .3s、焊接速度140-150mm/min、送丝速度800-2100mm/min。

2.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所述TIG 焊采用高纯氩气作为保护气体。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打底焊工艺参数—Ar流量：12-15L/

min、正向电流EP：170-250A、反向电流EN：230-320A、正向电流时间：3ms、反向电流时间：9ms、焊接速度120-150mm/min、送丝速度300-900mm/min。

4.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述打底焊正面焊缝下凹深

度1-1 .5mm。

5.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，根据待焊部位的焊接厚度在打底焊缝和盖面焊缝间增加一层填充层焊缝，所述盖面焊电弧摆动频率与脉冲频率同步，摆幅保证盖面层焊缝的熔合线不与打底层和填充层焊缝熔合线重合。

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