CN109732240A

CN109732240A - 一种用于2219铝合金变极性tig焊接的活性剂及其使用方法

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Publication number: CN109732240A
Application number: CN201910208685.1A
Authority: CN
Inventors: 栗慧; 曹霞; 沈洪雷; 卜经纬; 张丹丹; 张建梅; 刘峰; 潘卫华; 梁勇
Original assignee: Changzhou Institute of Technology
Current assignee: Changzhou Institute of Technology
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明公开了一种用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂及其使用方法，包括活性剂粉末，该活性剂粉末由质量百分比为50～78％的AlF₃粉末、10％～25％的ZnF₂粉末、0.2％～11％的LiF粉末、10％～17％的NOCOLOK钎剂粉末和0.3％～8％的K₂SiF₆粉末组成，其使用方法包括制备活性剂粉末、制备糊状或膏状活性剂、2219铝合金工件表面处理、涂覆活性剂和焊接五个步骤。本发明活性剂可以显著降低2219铝合金工件变极性TIG焊接时焊缝气孔的产生，使焊缝熔深增加1.6倍以上，焊缝成形良好，同时明显提高了焊缝接头处的抗拉强度。

Description

一种用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂及其使用方法

技术领域

本发明涉及铝合金焊接技术领域，具体涉及一种用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂及其使用方法。

背景技术

2219铝合金属于Al-Cu-Mn系可热处理强化又可变形强化的高强度硬铝合金，其焊接接头的工作温度范围在-253℃～+200℃之间都具有良好的力学性能，由于合金成分中主要元素Cu的质量百分含量很高， w(Cu)在5.8％～6.8％之间，合金中又添加了晶粒细化剂如Ti、Zr、V，且固相线温度较高，使2219铝合金具有热裂纹倾向低，断裂韧度高的优点，对焊接工艺要求较为简化，使2219铝合金制造的贮箱结构性能大大提高，是我国新一代低温运载火箭贮箱的主要结构材料，也是美国航天飞机大型液氧液氢贮箱的主要结构材料，为航空航天领域所认可。

目前，我国所用的2219铝合金是参照美国同牌号2219铝合金的成分配比和冶金工艺研制出来的，与国外同牌号的2219Al-Cu-Mn合金相比，焊接裂纹明显降低，但焊缝内气孔生成率高，制约了贮箱高质量的焊接。焊接2219铝合金贮箱结构三种主要方法为搅拌摩擦焊 (FSW)、变极性等离子弧焊(VPPAW)和变极性氩弧焊(VPTIG)，其中搅拌摩擦焊(FSW)是一种高效率、低耗能、低成本的固相连接方法，适于焊接常规熔焊工艺难于焊接的高强铝合金，消除了气孔产生的根源——熔化结晶，但工艺复杂，装备投资大；变极性等离子弧焊(VPPAW)是将等离子弧与变极性电源技术相结合的专门针对铝及铝合金自动焊接开发的一种工艺，具有优异的去除焊缝气孔能力，工艺柔性比搅拌摩擦焊好，但VPPAW的设备和工艺比较复杂是其主要缺点；变极性氩弧焊(VPTIG)是我国新型运载火箭贮箱制造的主要焊接工艺，包括手工焊和自动焊，适用于贮箱箱底、筒段环缝、叉形环纵缝等主要结构焊缝的焊接，采用变极性TIG焊用于正在立项研制中的长征5号运载火箭5m直径贮箱焊接结构制造方案中，但2219铝合金变极性TIG焊接头仍然存在气孔发生率高、熔合线附近出现密集气孔等质量难题。

20世纪60年代乌克兰巴顿焊接研究所(PWI)首次将活性剂引入到钛合金的焊接中，用于消除钛合金焊接过程中产生的气孔缺陷，发现活性剂可以增加焊缝熔深，从而提出了活性化TIG焊的概念。从 20世界90年代开始，该焊接技术方法和应用得到迅速发展。近年来，国外研究者对不锈钢及碳钢的A-TIG焊接头进行了更为细致的研究。不仅关注A-TIG焊的焊缝成形、焊缝熔深增加机理外，还较多关注了 A-TIG焊缝的组织结构、冶金特征和接头力学性能。本发明将活性剂技术引入到2219铝合金变极性TIG焊接，通过研制2219铝合金变极性 TIG焊专用活性剂配方，以解决变极性TIG焊接2219铝合金的气孔问题，同时增大焊缝熔深，提高接头拉伸强度。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种用于 2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂及其使用方法，该活性剂可以显著降低2219铝合金工件变极性TIG焊接时焊缝气孔的产生，使焊缝熔深增加1.6倍以上，焊缝成形良好，同时明显提高了焊缝接头处的抗拉强度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，包括活性剂粉末，该活性剂粉末由质量百分比为50～78％的AlF₃粉末、10％～25％的ZnF₂粉末、0.2％～11％的LiF 粉末、10％～17％的NOCOLOK钎剂粉末和0.3％～8％的K₂SiF₆粉末组成。

为了便于该活性剂粉末的应用实施，优选的技术方案是，所述活性剂为所述活性剂粉末和有机溶剂混合而成的糊状或膏状活性剂。糊状或膏状的活性剂便于在工件焊接处表面进行涂覆附着，同时有机溶剂的挥发性能较好，便于该糊状或膏状活性剂中有机溶剂成分的自然挥发溢出。

为了保证糊状或膏状活性剂中有机溶剂成分的挥发速度，同时兼顾糊状或膏状活性剂配置人员的身体健康，进一步优选的技术方案还有，所述有机溶剂为无水乙醇。无水乙醇具有良好的挥发性能优良，且其挥发后对人体危害较小。

为了保证糊状或膏状活性剂在工件焊接表面的涂覆效率，进一步优选的技术方案还有，所述该糊状或膏状活性剂由质量百分比为 90～95％的活性剂粉末和5～10％的无水乙醇混合而成。该比例的配置的糊状或膏状活性剂的粘稠度适中，其在2219铝合金材质表面的涂覆效率和粘附性能均较好。

为了进一步降低2219铝合金工件变极性TIG焊接焊缝的气孔发生率，增加焊缝熔深和焊缝接头处的抗拉强度，进一步优选的技术方案还有，所述活性剂粉末由质量百分比为58％的AlF₃粉末、20％的ZnF₂粉末、5％的LiF粉末、12％的NOCOLOK钎剂粉末和5％的K₂SiF₆粉末组成。

为了保证糊状或膏状活性剂与2219铝合金工件表面的贴合度，进一步优选的技术方案还有，所述活性剂粉末的粒度为100～300目。

为了确保该活性剂的顺利应用实施，现提出一种用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂的使用方法，包括如下步骤：

S1：制备活性剂粉末，将AlF₃粉末、ZnF₂粉末、LiF粉末、 NOCOLOK钎剂粉末和K₂SiF₆粉末分别碾磨，并按照上述的质量百分比进行混合，得活性剂粉末；

S2：制备糊状或膏状活性剂，按照上述的质量百分比，将步骤S1 制备的活性剂粉末和无水乙醇进行混合，搅拌均匀，得糊状或膏状活性剂；

S3：2219铝合金工件表面处理，采用机械方法对2219铝合金工件的焊接表面进行打磨处理，直至出现金属光泽；

S4：涂覆活性剂，用扁毛刷将步骤S2制备的糊状或膏状活性剂均匀涂覆在步骤S3处理后的2219铝合金工件焊接表面，其中活性剂的涂覆量为5～7mg/cm²；

S5：焊接，待2219铝合金工件焊接表面涂覆活性剂中的无水乙醇完全蒸发后，沿活性剂的涂覆长度方向进行焊接。

本发明活性剂使用方法简单，便于该活性剂的工业化应用实施和普及推广。

为了保证该糊状或膏状活性剂的分散均匀度，优选的技术方案还有，在所述步骤S2中，还包括将制备的糊状或膏状活性剂至于超声波振荡器中处理20～30min。超声波震荡一方面可以有效驱除该糊状或膏状活性剂中的气体分子，另一方面可以使该糊状或膏状活性剂中固液相分散更均匀，提高了该糊状或膏状活性剂与2219铝合金工件焊接表面的涂布均匀性和紧密贴合度，即保证了2219铝合金工件焊接接头处的焊接质量。

为了确保2219铝合金工件表面打磨处理后的洁净度，进一步优选的技术方案还有，在所述步骤S3中，完成2219铝合金工件表面打磨处理后，采用丙酮对打磨处理后的焊接表面清洗处理，并晾干。

本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明活性剂可以显著降低2219铝合金工件变极性TIG焊接时焊缝气孔的产生，使焊缝熔深增加1.6倍以上，焊缝成形良好，同时明显提高了焊缝接头处的抗拉强度。

2、所述活性剂为所述活性剂粉末和有机溶剂混合而成的糊状或膏状活性剂。糊状或膏状的活性剂便于在工件焊接处表面进行附着，同时有机溶剂的挥发性能较好，便于该糊状或膏状活性剂中有机溶剂成分的自然挥发溢出。

3、所述该糊状或膏状活性剂由质量百分比为90～95％的活性剂粉末和5～10％的无水乙醇混合而成。该比例的配置的糊状或膏状活性剂的粘稠度适中，其在2219铝合金材质表面的涂覆效率和粘附性能均较好。

4、本发明活性剂使用方法简单，便于该活性剂的工业化应用实施和普及推广。

5、在所述步骤S2中，还包括将制备的糊状或膏状活性剂至于超声波振荡器中处理20～30min。超声波震荡一方面可以有效驱除该糊状或膏状活性剂中的气体分子，另一方面可以使该糊状或膏状活性剂中固液相分散更均匀，提高了该糊状或膏状活性剂与2219铝合金工件焊接表面的涂布均匀性和紧密贴合度，即保证了2219铝合金工件焊接接头处的焊接质量。

附图说明

图1是本发明工件焊接结构图；

图2是本发明实施例1中2219铝合金板体焊缝接头横截面形貌图；

图3是本发明对比例1中2219铝合金板体焊缝接头横截面形貌图；

图4是本发明实施例1中2219铝合金板体焊缝接头组织结构图；

图5是本发明对比例1中2219铝合金板体焊缝接头组织结构图。

图中：1、2219铝合金板体母材；2、热影响区；3、焊缝；4、盖面层；5、打底层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

以下各实施例和对比例中2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂所需的各种原料组分的详细信息，如表1所示。

表1 2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂各种原料组分信息

实施例1

将本发明中的活性剂粉末用于2219铝合金板体的焊接，使用方法包括：

S1：制备活性剂粉末，将AlF₃粉末、ZnF₂粉末、LiF粉末、 NOCOLOK钎剂粉末和K₂SiF₆粉末分别碾磨，并将质量百分比为58％的AlF₃粉末、20％的ZnF₂粉末、5％的LiF粉末、12％的NOCOLOK钎剂粉末和5％的K₂SiF₆粉末进行混合，得活性剂粉末；

S2：制备糊状或膏状活性剂，将步骤S1制备的活性剂粉末和无水乙醇分别按照质量比为92％和8％进行混合，搅拌均匀，得糊状或膏状活性剂；

S3：2219铝合金板体表面处理，采用砂纸对2219铝合金板体的焊接表面进行打磨处理，直至出现金属光泽；

S4：涂覆活性剂，用扁毛刷将步骤S2制备的糊状或膏状活性剂均匀涂覆在步骤S3处理后的2219铝合金板体焊接表面，其中活性剂的涂覆量为6mg/cm²；

S5：焊接，待2219铝合金板体焊接表面涂覆活性剂中的无水乙醇完全蒸发后，沿活性剂的涂覆长度方向进行焊接。

如图1所示，采用盖面-打底焊接工艺对2219铝合金板体的对接处进行变极性TIG焊接，其中1为2219铝合金板体母材，2为热影响区，焊缝3包括盖面层4和打底层5，其焊接工艺参数如表2所示，实施例1 中2219铝合金板体焊缝接头横截面形貌图如图2所示，实施例1中2219 铝合金板体焊缝接头组织结构图如图4所示。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，所述步骤S1活性剂中各组分质量百分比为：50％的AlF₃粉末、25％的ZnF₂粉末、0.2％的LiF粉末、16.8％的NOCOLOK钎剂粉末和8％的K₂SiF₆粉末；所述步骤S2中活性剂粉末和无水乙醇分别按照质量比为90％和10％进行混合配置；所述步骤S4 中活性剂的涂覆量为5mg/cm²。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于，所述步骤S1活性剂中各组分质量百分比为：70％的AlF₃粉末、10％的ZnF₂粉末、9.7％的LiF粉末、10％的NOCOLOK钎剂粉末和0.3％的K₂SiF₆粉末；所述步骤S2中活性剂粉末和无水乙醇分别按照质量比为95％和5％进行混合配置；所述步骤 S4中活性剂的涂覆量为6.5mg/cm²。

实施例4

实施例4与实施例1的区别在于，所述步骤S1活性剂中各组分质量百分比为：78％的AlF₃粉末、11％的ZnF₂粉末、0.5％的LiF粉末、10％的NOCOLOK钎剂粉末和0.5％的K₂SiF₆粉末；所述步骤S2中活性剂粉末和无水乙醇分别按照质量比为94％和6％进行混合配置；所述步骤 S4中活性剂的涂覆量为7mg/cm²。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的2219铝合金板体焊接时未使用本发明中的活性剂。对比例1中2219铝合金板体焊缝接头横截面形貌图如图3所示，对比例1中2219铝合金板体焊缝接头组织结构图如图5所示。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于，对比例2的2219铝合金板体中焊接时未使用本发明中的活性剂。

对比例3

对比例3与实施例3的区别在于，对比例3的2219铝合金板体中焊接时未使用本发明中的活性剂。

对比例4

对比例4与实施例4的区别在于，对比例4的2219铝合金板体中焊接时未使用本发明中的活性剂。

表2实施例1和对比例1中2219铝合金变极性TIG焊接工艺参数

根据标准《GB/T2651-2008焊接接头拉伸试验方法》，在CSS-2205 型电子万能试验机上对焊接件进行拉伸试验，试验结果如表3所示。

表3实施例1～4和对比例1～4焊接接头的力学性能测试对比数据

注释：焊缝截面情况优、差等级是实施例1～4和对比例1～4相比较的结果。

实验结果：如图2和图3所示，实施例1焊缝接头处横截面相貌显示实施例1的质地均一性优于对比例1焊缝接头处横截面相貌，说明实施例1采用本发明的活性剂后有效加深了焊缝的熔深；如图4和图5所示，实施例1焊缝接头处组织结构中的气孔明显少于对比例1焊缝接头处组织结构中的气孔，即对比分析实施例1和对比例1可知，实施例1 中在打底层涂覆活性剂之后，有效减小了热影响区的宽度，热影响区宽度的减小，说明本发明活性剂收缩了焊接电弧，改善了焊接接头处的质量。

如表3所示，实施例1～4中在打底层涂覆活性剂后的焊缝熔深均为对比例1～4中未涂覆活性剂的焊缝熔深的1.6倍以上，且实施例1～4中 2219铝合金板材的屈服强度、抗拉强度、断后延长率、焊缝熔深、端口位置和焊缝截面情况均优于对比例1～4，说明本发明的活性剂有效的改善了2219铝合金变极性TIG焊接的截面情况，实现了发明目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，其特征在于，包括活性剂粉末，该活性剂粉末由质量百分比为50～78％的AlF₃粉末、10％～25％的ZnF₂粉末、0.2％～11％的LiF粉末、10％～17％的NOCOLOK钎剂粉末和0.3％～8％的K₂SiF₆粉末组成。

2.如权利要求1所述的用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，其特征在于，所述活性剂为所述活性剂粉末和有机溶剂混合而成的糊状或膏状活性剂。

3.如权利要求2所述的用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，其特征在于，所述有机溶剂为无水乙醇。

4.如权利要求3所述的用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，其特征在于，所述该糊状或膏状活性剂由质量百分比为90～95％的活性剂粉末和5～10％的无水乙醇混合而成。

5.如权利要求1～4任意一项所述的用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，其特征在于，所述活性剂粉末由质量百分比为58％的AlF₃粉末、20％的ZnF₂粉末、5％的LiF粉末、12％的NOCOLOK钎剂粉末和5％的K₂SiF₆粉末组成。

6.如权利要求5所述的用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，其特征在于，所述活性剂粉末的粒度为100～300目。

7.一种如权利要求6所述的用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：制备活性剂粉末，将AlF₃粉末、ZnF₂粉末、LiF粉末、NOCOLOK钎剂粉末和K₂SiF₆粉末分别碾磨，并按照权利要求1所述的质量百分比进行混合，得活性剂粉末；

S2：制备糊状或膏状活性剂，按照权利要求4所述的质量百分比，将步骤S1制备的活性剂粉末和无水乙醇进行混合，搅拌均匀，得糊状或膏状活性剂；

8.如权利要求7述的用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，其特征在于，在所述步骤S2中，还包括将制备的糊状或膏状活性剂至于超声波振荡器中处理20～30min。

9.如权利要求8述的用于2219铝合金变极性TIG焊接的活性剂，其特征在于，在所述步骤S3中，完成2219铝合金工件表面打磨处理后，采用丙酮对打磨处理后的焊接表面清洗处理，并晾干。