CN109023191A - 一种提高铝合金cmt焊接头耐磨性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高铝合金CMT焊接头耐磨性的方法，在铝合金CMT中结合超声冲击，或者在铝合金CMT焊接过程中，超声冲击装置冲击铝板，对焊接中液态金属具有搅拌作用，促进树枝晶晶枝在交变力矩的作用下发生折破碎，接头晶粒细化，导致接头耐磨性增加；或者在焊接后对接头超声冲击处理，接头内气孔减少，增加接头的密实度，同时焊缝表面晶粒细化，产生纳米层。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，更加具体地说，利用超声冲击通过超声振动的方法，改善铝合金CMT焊接头的耐磨性能。
背景技术
冷金属过渡技术(Cold Metal Transfer，CMT)是奥地利福尼斯公司在钢与铝焊接、无飞溅引弧技术以及微连接技术基础之上开发的一种低热输入量的焊接技术。CMT技术的创新之处在于将熔滴过渡与送丝过程结合，从而实现了无飞溅焊接，并且降低了焊接过程的热输入量，由于铝合金在热输入较大的情况下焊接，会在接头产生热裂纹，因此CMT技术适合于铝合金焊接。由于铝合金由于质量轻、导热性能好，又具有一定耐蚀性能，因此，在汽车工业及机器制造业中广泛用来制作一些滑动摩擦条件下使用的零件。特别是近三十年来，这方面的开发与应用尤为迅速。但由于铝合金硬度低、耐磨性差，限制了其作为机械构件的应用范围。因此，有必要提高铝合金的耐磨性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高铝合金CMT焊接头耐磨性能的方法。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种提高铝合金CMT焊接头耐磨性的方法，采用超声冲击与铝合金CMT焊接接头予以作用：
采用第一方案—对铝合金CMT焊接接头进行超声冲击处理，超声冲击过程中超声冲击针始终沿着焊缝法线方向，确保焊缝表面和焊趾都被完全冲击；由于超声冲击处理后，接头表面发生塑性变形，在接头内部临近焊缝表面1mm内的气孔遭到挤压，致使气孔体积变小或者气孔被消除，有效的改善铝合金CMT焊接接头的气孔数量和气孔体积，从而提高接头的致密度和硬度，同时焊缝表面晶粒细化，产生纳米层；
或者采用第二方案—在铝合金CMT焊接过程中，使用超声冲击装置冲击待焊接的铝合金板，以使焊接全过程中伴随超声冲击，在焊接过程中，焊接全过程伴随超声振动。焊接过程，由于超声冲击针周期性撞击铝合金板，超声振动相当于给液态熔池施加一个交变外力，在液态金属中具有搅拌作用，促进树枝晶晶枝在交变力矩的作用下发生折破碎，接头晶粒细化，导致接头耐磨性增加。
在采用第一方案时，利用天津天东恒科技发展有限公司生产的超声冲击机对铝合金接头进行超声冲击，打开超声冲击机开关，将频率调为18—20kHz；在铝合金CMT焊接接头处反复超声冲击3—5遍。
在采用第二方案时，超声冲击的频率为15—20kHz。
在采用第二方案时，选择待焊接的铝合金和超声冲击设备位置固定不变，即超声冲击设备的冲击针与铝合金接触位置不变，焊枪进行行走，冲击针与焊枪最短的距离是80—100mm。
本发明技术方案使用超声冲击设备，在焊接全过程伴随超声振动或者在焊接后予以超声处理，超声振动铝合金CMT接头与未经过超声振动的铝合金CMT接头进行对比，有效提高焊接接头的耐磨性。
附图说明
图1为本发明中超声振动铝合金CMT焊示意图。
图2为本发明中磨盘示意图和磨损试样示意图，其中(a)磨损试样示意图，(b)磨损盘示意图。
图3为本发明中超声冲击和未超声冲击的摩擦系数示意图(1)。
图4为本发明中超声冲击和未超声冲击的磨损量对比示意图(2)。
图5为本发明中超声冲击铝合金接头横截面的示意图，图中已经标出需要超声冲击的位置，包括焊缝和焊趾。
图6为本发明中超声冲击和未超声冲击的摩擦系数示意图(1)。
图7为本发明中超声冲击和未超声冲击的磨损量对比示意图(2)。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
图1为超声振动铝合金CMT焊接过程示意图。如图1所示，在焊接过程，冲击针的冲击位置保持不变，冲击针与焊枪的最短距离是80mm。本发明涉及的试验母材为铝合金6061，试件规格为300×150×4mm，焊丝选用ER4043。采用直流冷金属过渡技术CMT对4mm板厚的铝合金进行平板堆焊试验。试验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMTAdvanced 4000型焊机，超声冲击选用天津天东恒科技发展有限公司生产的超声冲击机。
其主要实现步骤如下：
1.堆焊试验前用钢丝刷将铝板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜；
2.设定焊接参数，送丝速度为5m/min，超声行走速度和焊枪总体行走速度均为30cm/min，频率调为20kHz，气体流量为20L/min；
3.将待焊试样，用夹具固定；打开超声冲击机开关，超声冲击频率为20kHz，5秒后予以稳定，超声冲击机位置不变，焊枪行走；
4.堆焊结束后，关闭超声冲击开关。
5.摩擦磨损试验
摩擦磨损试验在MMU-5G材料端面高温摩擦磨损试验机上进行，摩擦磨损盘选用Cr12MoV。试验力为100N，转速为100r/min，磨损时间为15min，试验条件为干摩擦，环境温度为25℃。
步骤：(1)利用线切割沿着焊缝纵向方向切割磨损试样，磨损试样的长度方向与焊缝表面相切。磨损试样示意图如图2所示。
(2)试验前使用电子分析天平称量试样重量，称量3次取平均值。
(3)将磨损试样在磨盘上进行磨损试验。磨盘示意图如图2所示。
(4)试验后再次使用电子分析天平称量试样重量，称量3次取平均值。
(5)计算磨损试验前后试样的磨损量。
超声振动与未超声振动试样的磨损系数，如图3所示。超声振动与未超声振动试样的磨损量，如图4所示。在同等试验条件下，材料摩擦系数和磨损量越小，其耐磨性越好。通过图3和图4说明，在焊接过程中，超声振动可以增加接头的耐磨性。主要因为焊接过程，在超声振动作用增加了液态金属的搅动，使熔池中正在生长的树枝晶晶枝在交变力矩的作用下发生折破碎，导致耐磨性增加。
实施例2
本发明涉及的实验母材为铝合金6061，试件规格为300×150×4mm，焊丝选用ER4043。采用直流冷金属过渡技术CMT(cold metal transfer)对4mm板厚的铝合金进行平板堆焊试验。试验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMT Advanced 4000型焊机。其主要实现步骤如下：
1.堆焊试验，堆焊前用钢丝刷将铝板上的氧化膜去除，直到露出金属光泽，用酒精将施焊处表面各约30-40mm范围内的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜；
2.设定焊接参数，送丝速度为5m/min，焊枪总体行走速度为30cm/min，气体流量为20L/min；
3.将已经堆焊的试样，用夹具固定；
4.利用天津天东恒科技发展有限公司生产的超声冲击机对铝合金接头进行超声冲击，打开超声冲击机开关，将频率调为18—20kHz；
5.采用冲击针直径为4mm超声冲击进行手动冲击焊缝表面和焊趾，超声冲击过程中冲击针始终沿着焊缝法线方向，确保焊缝表面和焊趾都被完全冲击，反复冲击3遍。图5是超声冲击铝合金接头横截面的示意图。
6.采用与实施例1相同的摩擦磨损试验，结果如附图6和7所示。在同等试验条件下，材料摩擦系数和磨损量越小，其耐磨性越好。通过附图对比说明，超声冲击处理后，接头的耐磨性增加。其原因是：对接头超声冲击处理后，接头内气孔减少，增加接头的密实度；同时，在超声冲击作用下，焊缝表面晶粒细化，产生纳米层。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种提高铝合金CMT焊接头耐磨性的方法，其特征在于，采用超声冲击与铝合金CMT焊接接头予以作用：
采用第一方案—对铝合金CMT焊接接头进行超声冲击处理，超声冲击过程中超声冲击针始终沿着焊缝法线方向，确保焊缝表面和焊趾都被完全冲击；由于超声冲击处理后，接头表面发生塑性变形，在接头内部临近焊缝表面1mm内的气孔遭到挤压，致使气孔体积变小或者气孔被消除，有效的改善铝合金CMT焊接接头的气孔数量和气孔体积，从而提高接头的致密度和硬度，同时焊缝表面晶粒细化，产生纳米层；
或者采用第二方案—在铝合金CMT焊接过程中，使用超声冲击装置冲击待焊接的铝合金板，以使焊接全过程中伴随超声冲击，在焊接过程中，焊接全过程伴随超声振动；焊接过程，由于超声冲击针周期性撞击铝合金板，超声振动相当于给液态熔池施加一个交变外力，在液态金属中具有搅拌作用，促进树枝晶晶枝在交变力矩的作用下发生折破碎，接头晶粒细化，导致接头耐磨性增加。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝合金CMT焊接头耐磨性的方法，其特征在于，在采用第一方案时，频率调为18—20kHz；在铝合金CMT焊接接头处反复超声冲击3—5遍。
3.根据权利要求1所述的一种提高铝合金CMT焊接头耐磨性的方法，其特征在于，在采用第二方案时，超声冲击的频率为15—20kHz。
4.根据权利要求1所述的一种提高铝合金CMT焊接头耐磨性的方法，其特征在于，在采用第二方案时，选择待焊接的铝合金和超声冲击设备位置固定不变，即超声冲击设备的冲击针与铝合金接触位置不变，焊枪进行行走，冲击针与焊枪最短的距离是80—100mm。
5.超声冲击在提高铝合金CMT焊接头耐磨性中的应用，其特征在于，采用超声冲击与铝合金CMT焊接接头予以作用：采用第一方案—对铝合金CMT焊接接头进行超声冲击处理，超声冲击过程中超声冲击针始终沿着焊缝法线方向，确保焊缝表面和焊趾都被完全冲击；或者采用第二方案—在铝合金CMT焊接过程中，使用超声冲击装置冲击待焊接的铝合金板，以使焊接全过程中伴随超声冲击，在焊接过程中，焊接全过程伴随超声振动。
6.根据权利要求5所述的超声冲击在提高铝合金CMT焊接头耐磨性中的应用，其特征在于，铝合金为铝合金6061。
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