CN110497066A - 一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，属于铝合金焊接技术领域。该方法在常规焊接方法焊接铝合金的基础上，以同步送粉方式同时将SiCp均匀地加入熔池中，形成以SiCp/Al复合材料为主的焊接接头。本发明利用SiCp/Al复合材料强化机制，加入的SiCp可引起基体金属的晶格畸变，增加位错密度，且SiCp本身也具有比较高的硬度和耐磨性，可解决常规焊接方法焊接铝合金时出现的焊接接头软化问题，使得焊接接头具有高的强度、硬度和优良的耐磨性。

Description

一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法
技术领域
本发明属于铝合金焊接技术领域，具体涉及一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法。
背景技术
铝合金因具有重量轻、抗腐蚀、强度高、易成形和无低温脆性等优点，广泛应用于航空航天、汽车、机械制造、舰船及化学工业中。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
目前铝合金的焊接方法主要集中在钨极氩弧焊(TIG)、熔化极气体保护焊(MIG/MAG)、等离子弧焊、激光焊等。TIG焊钨极电弧稳定，特别适合焊接铝合金薄板，热输入易于调整，焊接时噪音小且无金属飞溅；MIG/MAG焊适用于中厚板焊接，焊接设备简单，熔深大，焊接效率较高，焊接质量好，焊接可达性好，适应性好，对长、短曲线焊缝都能很好焊接且易于实现自动化；等离子弧焊焊接速度快、焊缝熔深大、热影响区小、焊接变形小；激光焊能量密度高，热输入量小，焊接变形小，冷却速度快，焊接速度快、功能多、适应性强、可靠性高，能得到组织微细的焊缝。
但无论是哪种上述焊接方法，都存在焊接接头软化的问题，较低的焊缝强度导致接头性能降低，达不到与母材等强的要求，特别是热处理强化铝合金的焊接接头软化问题尤为严重，强度系数大大降低，这影响了整个工件的使用寿命，从而在一定程度上限制了铝合金在焊接结构中的广泛应用。
SiCp/Al复合材料强化机制是指通过将SiCp加入铝或者铝合金材料中，引起基体金属的晶格畸变，增加位错密度，而同时SiCp本身也具有比较高的硬度和耐磨性，因此加入SiCp后的材料具有高的强度、硬度和优良的耐磨性。如果能将此机制和常规铝合金焊接方法有效结合起来，必将大大提高铝合金焊接接头性能，不仅有利于铝合金焊接技术的发展，更将推动铝合金更大范围的应用。
中国专利CN 108723596 A公开了一种提高铝合金激光焊接头性能的方法。将TiB2粒子以粉末形式与酒精混合调成糊状后加入铝合金板焊接面上的凹槽中，并通过激光焊接将两板焊接在一起。中国专利CN 108098115 A，公开了一种用于镁合金的纳米增强活性钨极氩弧焊接方法。纳米增强活性剂由Cr2O3和SiC陶瓷颗粒混合而成，将纳米增强活性剂与丙酮混合调成糊状后用扁平毛刷将其涂敷在试样上表面，待丙酮挥发后进行TIG焊接。无论是将增强颗粒以粉末形式与酒精混合调成糊状后加入焊前已加工的凹槽，还是将包含增强颗粒的纳米增强活性剂与丙酮混合调成糊状后用扁平毛刷将其涂敷在试样上表面，这种人工涂抹的方式都难以保证在酒精或丙酮挥发后增强颗粒可以均匀覆盖于焊接处，因此，虽然该类型发明方法可以提高焊接接头的性能，但未能有效提升焊缝微观组织和力学性能的均匀一致性。
相较上述增强颗粒的加入方式，中国专利CN 108296665 A公开了一种纳米颗粒介入式焊缝组织改性方法、装置及焊丝，采用气体保护非熔化极电弧焊，通过中空钨极向熔池同轴喷射纳米颗粒，改善焊缝力学性能，实现可靠连接。但该方法只适用于气体保护非熔化极电弧焊，因此可焊接工件的种类和尺寸范围有限；钨极距离熔池较近，焊接产生的飞溅极易堵塞中空的钨极，不仅影响送粉过程稳定性，对放电效果和钨极寿命也都是不利的；中空钨极和与中空钨极连接的纳米颗粒喷射装置使得整套焊接设备比较复杂，且制作成本较高、实现难度大。
通过调研相关文献以及专利可以得出，寻找一种适用范围广、送粉过程更稳定的基于增强颗粒强化机制的铝合金焊接方法具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，用于克服现有技术的缺陷，能够在具备焊接铝合金焊接接头优良特性的同时，利用SiCp/Al复合材料强化机制，通过加入SiCp大大提高焊接接头的强度、硬度和耐磨性。
为了达到上述目的，本发采用的技术方案为：
一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，在结合多种常规焊接方法的基础上，将SiCp以同步送粉方式均匀地加入熔池之中，形成以SiCp/Al复合材料为主的焊接接头，借助SiCp/Al复合材料强化机制以提高焊接接头强度、硬度和耐磨性，包括如下步骤：
步骤一：加工铝合金板材坡口，去除铝合金表面氧化膜，对SiCp进行预处理并将SiCp放入送粉器中。所述预处理是将SiCp置于90℃-200℃的干燥箱中烘干2-6h，去除水蒸气，以避免在送粉过程中发生黏结，影响送粉。所述加工坡口为双边V形坡口或单边V形坡口，坡口角度在40°-60°之间；所述SiCp平均粒径为0.5μm-200μm。
步骤二：将两待焊铝合金板材对接并通过夹具固定于工作台上，调整送粉喷嘴和各焊接设备之间的相对位置关系，送粉器通过送粉管分别与高纯氩气瓶、送粉喷嘴连接在一起，利用高纯氩气将送粉器中的SiCp通过送粉喷嘴吹入熔池。所述送粉喷嘴和各焊接设备之间的相对位置关系应当满足在同一平面内；若焊接设备中有送丝嘴，则送丝嘴与送粉喷嘴同侧且送丝嘴在送粉喷嘴之下。
步骤三：打开电源，调整焊接参数，打开焊接保护气以及送粉需要的高纯氩气，开始焊接的同时开始送粉。
步骤四：焊接结束，停止送粉，关闭保护气以及送粉所需的高纯氩气，结束全部焊接流程。
进一步的，所述多种常规焊接方法为TIG焊、MIG/MAG焊、等离子弧焊、激光焊；
进一步的，所述铝合金板材厚度范围为2mm-30mm。
进一步的，所述SiCp平均粒径为0.5μm-200μm。
进一步的，所述去除铝合金表面氧化膜是通过机械清理与化学清洗相结合而实现的。
与其它焊接技术相比，本发明方法具有如下优点：
(1)适用范围广。首先，本发明方法可适用于多种常规焊接方法，而不仅仅局限于某一种特定的焊接方法；其次，由于每种常规焊接方法的加工范围不同，因此可适用于焊接的铝合金种类以及尺寸范围更广。
(2)送粉过程稳定。本发明方法采用专业的送粉喷嘴进行实时同步送粉，且送粉距离可调，在实现送粉均匀的基础上尽可能避免了由于焊接飞溅造成的出粉口易堵塞的问题，从而最大程度保证了送粉过程的顺利进行。
(3)本发明利用SiCp/Al复合材料强化机制，加入的SiCp可引起基体金属的晶格畸变，增加位错密度，且SiCp本身也具有比较高的硬度和耐磨性，可解决常规焊接方法焊接铝合金时出现的焊接接头软化问题，使得焊接接头具有高的强度、硬度和优良的耐磨性。
附图说明
图1为基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金TIG焊示意图；
图2为基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金MIG/MAG焊示意图；
图3为基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金激光焊(侧向送粉)示意图；
图4为基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金激光焊(同轴送粉)示意图；
图中：1焊丝；2送丝嘴；3SiCp；4送粉喷嘴；5钨极；6铝合金板材；7激光束。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
实施例1
参见图1，本发明提供一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：釆用6061-T651铝合金板材6，大小为5mm×100mm×200mm，选用ER4043盘装铝合金焊丝1，将铝合金板材6的坡口加工为双边V形坡口，坡口角度为60°，釆用机械清理与化学清洗相结合的方法去除铝合金表面氧化膜，对SiCp3进行预处理并将SiCp3放入送粉器中；
步骤二：将两个待焊接的铝合金板材6对接并通过夹具固定于工作台上，调整送丝嘴2、送粉喷嘴4、焊枪(含钨极5)之间的相对位置，三者处于同一平面内，送丝嘴2与水平面呈20°，送丝嘴2与送粉喷嘴4之间的夹角为30°，送粉喷嘴4与焊枪之间的夹角为45°。
步骤三：打开电源，调整焊接参数，电弧电流为130A，交流占空比为80％，交流频率为180Hz，钨极高度为1.5mm，打开作为焊接保护气的高纯氩气以及送粉需要的高纯氩气，保护气流量为12L/min，先引弧，随后同时送粉、送丝，开始焊接，焊接速度为600mm/min；
步骤四：焊接结束，熄灭电弧，停止送粉、送丝，关闭氩气瓶，结束全部焊接流程。
实施例2
参见图2，本发明提供一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：釆用6082-T6铝合金板材6，大小为6mm×150mm×300mm，选用ER5087盘装铝合金焊丝1，将铝合金板材6的坡口加工为双边V形坡口，坡口角度为40°，釆用机械清理与化学清洗相结合的方法去除铝合金表面氧化膜，对SiCp3进行预处理并将SiCp3放入送粉器中；
步骤二：将两个待焊接的铝合金板材6对接并通过夹具固定于工作台上，调整送粉喷嘴4与焊枪之间的相对位置，送粉喷嘴4与水平面呈30°，送粉喷嘴4与焊枪之间的夹角为60°；
步骤三：打开电源，调整焊接参数，电弧电流为245A，焊接电压为20V，线能量为5.7kJ/cm，打开作为焊接保护气的高纯氩气以及送粉需要的高纯氩气，保护气流量为20L/min，先引弧，随后送粉，开始焊接，焊接速度为400mm/min；
步骤四：焊接结束，熄灭电弧，停止送粉，关闭氩气瓶，结束全部焊接流程。
实施例3
参见图3，本发明提供一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：釆用6082-T6铝合金板材6，大小为6mm×50mm×250mm，选用ER4047盘装铝合金焊丝1，将铝合金板材6的坡口加工为双边V形坡口，坡口角度为50°，釆用机械清理与化学清洗相结合的方法去除铝合金表面氧化膜，对SiCp3进行预处理并将SiCp3放入送粉器中；
步骤二：将两个待焊接的铝合金板材6对接并通过夹具固定于工作台上，调整送丝嘴2、送粉喷嘴4、激光器(发射激光束7)之间的相对位置，三者处于同一平面内，送丝嘴2与水平面呈20°，送丝嘴2与送粉喷嘴4之间的夹角为30°，送粉喷嘴4与激光器之间的夹角为55°；
步骤三：打开电源，调整焊接参数，激光功率为4300W，离焦量为0mm，打开作为焊接保护气的高纯氩气以及送粉需要的高纯氩气，采用同轴保护气，保护气流量为15L/min，激光熔化板材的同时开始送粉、送丝，开始焊接，焊接速度为600mm/min；
步骤四：焊接结束，关闭激光器，停止送粉、送丝，关闭氩气瓶，结束全部焊接流程。
实施例4
参见图4，本发明提供一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：釆用7A52铝合金板材6，大小为3mm×80mm×160mm，选用ER5183盘装铝合金焊丝1，将铝合金板材6的坡口加工为单边V形坡口，坡口角度为40°，釆用机械清理与化学清洗相结合的方法去除铝合金表面氧化膜，对SiCp3进行预处理并将SiCp3放入送粉器中；
步骤二：将两个待焊接的铝合金板材6对接并通过夹具固定于工作台上，调整送丝嘴2与激光器(发射激光束7)之间的相对位置，激光器与送粉喷嘴4同轴，送丝嘴2与水平面呈20°，送丝嘴2与激光器之间的夹角为70°；
步骤三：打开电源，调整焊接参数，激光功率为3000W，离焦量为0mm，打开作为焊接保护气的高纯氩气以及送粉需要的高纯氩气，采用同轴保护气，保护气流量为15L/min，激光熔化板材的同时开始送粉、送丝，开始焊接，焊接速度为600mm/min；
步骤四：焊接结束，关闭激光器，停止送粉、送丝，关闭氩气瓶，结束全部焊接流程。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，其特征在于，在结合多种常规焊接方法的基础上，将SiCp以同步送粉方式均匀地加入熔池之中，形成以SiCp/Al复合材料为主的焊接接头，借助SiCp/Al复合材料强化机制提高焊接接头强度、硬度和耐磨性，包括如下步骤：
步骤一：加工铝合金板材坡口，去除铝合金表面氧化膜，对SiCp进行预处理并将SiCp放入送粉器中；所述预处理是将SiCp置于90℃-200℃的干燥箱中烘干2-6h；所述加工坡口为双边V形坡口或单边V形坡口，坡口角度在40°-60°之间；
步骤二：将两待焊铝合金板材对接并通过夹具固定于工作台上，调整送粉喷嘴和各焊接设备之间的相对位置关系，送粉器通过送粉管分别与高纯氩气瓶、送粉喷嘴连接在一起，利用高纯氩气将送粉器中的SiCp通过送粉喷嘴吹入熔池；所述送粉喷嘴和各焊接设备之间的相对位置关系应当满足在同一平面内；若焊接设备中有送丝嘴，则送丝嘴与送粉喷嘴同侧且送丝嘴在送粉喷嘴之下；
步骤三：打开电源，调整焊接参数，打开焊接保护气以及送粉需要的高纯氩气，开始焊接的同时开始送粉；
步骤四：焊接结束，停止送粉，关闭保护气以及送粉所需的高纯氩气，结束全部焊接流程。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，其特征在于，所述多种常规焊接方法为TIG焊、MIG/MAG焊、等离子弧焊、激光焊。
3.根据权利要求1所述的一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，其特征在于，所述铝合金板材厚度范围为2mm-30mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，其特征在于，所述SiCp平均粒径为0.5μm-200μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于SiCp/Al复合材料强化机制的铝合金焊接方法，其特征在于，所述去除铝合金表面氧化膜是通过机械清理与化学清洗相结合而实现的。
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