CN111014927A - 一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，该焊接方法采用真空电子束焊接方法，电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以“8”形扫描轨迹为重复单元，由多个“8”形扫描轨迹交错排列而成，其中，所述“8”形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。本发明中焊接方法适用于因在铸造铝合金中添加锶变质剂使得合金吸氢造成针孔倾向较大、材料致密性较差的材料，也可适用于普通的铸造铝合金的焊接中，适用广泛，对消除气孔有极佳的效果，且极大增强了焊接处的抗拉强度。

Description

一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种焊接方法，特别涉及一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法。
背景技术
在铸造铝合金中添加锶变质剂，可以提高合金流动性，有利于复杂结构舱体的壁厚控制，但锶变质会使合金吸氢而增加铸件的针孔度，使铝液针孔倾向较大，降低了材料的致密性。电子束焊接时，氢原子在液态熔池的溶解度较大，冷却过程中溶解度急剧减小，母材中的针孔效应使得熔池的气泡更容易成核、聚集，由于真空电子束焊焊接速度快，聚集的气泡来不及从熔池中逸出，往往会出现大量的密集型大尺寸气孔，焊缝的质量无法满足GJB1718A-2005《电子束焊接》I级焊接标准要求。针对这一难题，目前尚未有相关的文献资料提出相应解决方法。
发明内容
基于铝合金焊接时存在的问题，即添加锶变质剂使合金吸氢而增加铸件的针孔度，针孔效应使得熔池气泡更易成核、聚集，真空电子束焊焊接速度快，聚集的气泡来不及从熔池中逸出，往往会出现大量的密集型大尺寸气孔，进而导致焊接处抗拉强度低，表面粗糙，外观差。本发明人进行了锐意研究，提供了一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，利用电子束焊接时，通过控制电子枪中的电磁线圈使电子束产生摆动扫描，使电子束焊缝适当加宽，这种摆动起到对焊缝熔池的搅拌作用，有助于气孔的逸出，避免气孔缺陷，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供以下技术方案：
一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，该焊接方法采用真空电子束焊接方法，电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以“8”形扫描轨迹为重复单元，由多个“8”形扫描轨迹交错排列而成，其中，所述“8”形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。
进一步地，焊接方法焊接的产品为铸造铝合金，包括添加锶变质剂的铸造铝合金、以及不添加锶变质剂的铸造铝合金。
进一步地，待焊接产品上，焊缝接头采用锁底接头形式。
进一步地，锁底接头的对接厚度可以达到10～30mm。
进一步地，该焊接方法允许焊缝对接阶差≤0.3mm，对接间隙≤0.2mm。
进一步地，在焊接时，真空电子束焊接包括定位焊、深熔焊、重熔焊、修饰焊四个焊接过程，每个焊接过程中电子束均采用“8”字形摆动扫描的形式进行焊接，所述“8”字形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。
进一步地，“8”字形扫描轨迹产生方法为：利用x轴和y轴构建一个经过焊缝、且垂直电子束流的平面即焊缝表面，其中，x轴平行于焊缝，x轴的方向与焊接方向相同，y轴垂直于焊缝，电子束以双正弦的形式进行扫描，即同时相对于x轴和y轴做正弦形式的摆动，所合成出来的扫描图形的重复单元就是以焊缝中心一点为中心的“8”字形扫描轨迹。
进一步地，“8”字形扫描轨迹纵向摆动幅值Vx大于“8”字形扫描轨迹横向摆动幅值Vy。
进一步地，“8”字形扫描轨迹纵向在沿着焊缝方向长度为4mm，所述“8”字形扫描轨迹横向与焊缝垂直方向长度为2mm。
进一步地，扫描频率为500Hz～800Hz。
本发明提供的一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，带来了有益的技术效果：
(1)本发明中焊接方法，适用于因在铸造铝合金中添加锶变质剂使得合金吸氢进而针孔倾向较大、材料致密性较差的材料，也可适用于普通的铸造铝合金的焊接中，适用广泛，对消除气孔有极佳的效果；
(2)本发明采用“8”字形摆动扫描的形式进行真空电子束焊接，电子束流使熔池金属的前端部熔化的同时，对熔池后部再次加热，使熔池液态时间延长，增加气孔逸出的时间，同时还起到对焊缝熔池的搅拌，促进气孔逸出；
(3)本发明焊接过程包括定位焊、深熔焊、重熔焊、修饰焊，其中，定位焊将焊件相对位置固定，防止变形及位错，同时起到预热的效果；深熔焊使焊件的焊缝位置完全熔合，重熔焊是对焊缝的再次熔，消除焊缝中残余的少量气孔；修饰焊可将焊缝表面与母材进行光滑过渡；该四种焊接方式的组合，有效的实施了对接锁底焊缝的高抗拉强度、低气泡量、高外观质量的焊接。
附图说明
图1示出“8”字形扫描轨迹与焊缝的位置关系；
图2示出锁底接头结构；
图3示出焊缝接头的横截面形貌；
图4示出“8”字形扫描的轨迹形成方式；
图5示出电子束形成“8”字形扫描的波形显示图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
本发明提供了一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，如图1所示，该焊接方法采用真空电子束焊接方法，电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以“8”形扫描轨迹为重复单元，由多个“8”形扫描轨迹交错排列而成，其中，所述“8”形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。
在本发明中，该焊接方法焊接的产品为铸造铝合金，包括添加锶变质剂的铸造铝合金、以及不添加锶变质剂的铸造铝合金。其中，铸造铝合金区别于变形铝合金，其是指合金成分大于共晶点的铝合金，其存在共晶组织，塑性较差，不宜压力加工，但流动性好，适宜铸造的铝合金。
在本发明中，待焊接产品上，焊缝接头采用锁底接头形式，如图2和图3所示。锁底接头的对接厚度可以达到10～30mm，锁底厚度可以为3～10mm。
进一步地，该焊接方法允许焊缝对接阶差≤0.3mm，对接间隙≤0.2mm。
在本发明中，在焊接时，真空电子束焊接包括定位焊、深熔焊、重熔焊、修饰焊四个焊接过程，每个焊接过程中电子束均采用“8”字形摆动扫描的形式进行焊接，所述“8”字形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。
定位焊将焊件相对位置固定，防止变形及位错，同时起到预热的效果，深熔焊使焊件的焊缝位置完全熔合，重熔焊是对焊缝的再次熔，消除焊缝中残余的少量气孔，修饰焊可将焊缝表面与母材进行光滑过渡。该四种焊接过程的组合，有效的实施了对接锁底焊缝的高抗拉强度、低气泡量、高外观质量的焊接。
利用真空电子束进行焊接时，通过电子枪中的电磁线圈使电子束产生“8”字形摆动扫描，电子束流使熔池金属的前端部熔化的同时，对熔池后部再次加热，使熔池液态时间延长，增加气孔逸出的时间，同时还起到对焊缝熔池的搅拌，促进气孔逸出。
如图4和图5所示，“8”字形扫描轨迹产生方法为：利用x轴和y轴构建一个经过焊缝、且垂直电子束流的平面(即焊缝表面)，其中，x轴平行于焊缝，x轴的方向与焊接方向相同，y轴垂直于焊缝，电子束以双正弦的形式进行扫描，即同时相对于x轴和y轴做正弦形式的摆动，所合成出来的扫描图形的重复单元就是以焊缝中心一点为中心的“8”字形扫描轨迹。
优选地，“8”字形扫描轨迹纵向摆动幅值Vx大于“8”字形扫描轨迹横向摆动幅值Vy，如“8”字形扫描轨迹纵向摆动幅值Vx为“8”字形扫描轨迹横向摆动幅值Vy的两倍，即Vx/Vy可以为6mm/3mm、4mm/2mm或者2mm/1mm。
更优选地，所述“8”字形扫描轨迹纵向在沿着焊缝方向长度为4mm，所述“8”字形扫描轨迹横向与焊缝垂直方向长度为2mm。
更优选地，扫描频率(即在单位时间内“8”字形扫描轨迹的个数)为500Hz～800Hz，在此高频率下，前一个“8”字形扫描轨迹与后一个“8”字形扫描轨迹存在较大重叠，也利于熔池液态时间延长，增加气孔逸出的时间。
在本发明中，对于待焊处对接厚度10mm时，定位焊的加速电压为50V，焊接速度为800mm/min，聚焦电流1860mA，焊接束流20A，扫描频率500Hz，扫描幅值Vx/Vy为4mm/2mm；
深熔焊的加速电压为50V，焊接速度为800mm/min，聚焦电流1840mA，焊接束流87A，扫描频率500Hz，扫描幅值Vx/Vy为4mm/2mm；
重熔焊的加速电压为50V，焊接速度为800mm/min，聚焦电流1840mA，焊接束流87A，扫描频率500Hz，扫描幅值Vx/Vy为4mm/2mm；
修饰焊的加速电压为50V，焊接速度为800mm/min，聚焦电流1890mA，焊接束流40A，扫描频率500Hz，扫描幅值Vx/Vy为4mm/2mm。
对于待焊处对接厚度25mm时：
定位焊的加速电压为60V，焊接速度为600mm/min，聚焦电流1750mA，焊接束流30A，扫描频率500Hz，扫描幅值Vx/Vy为4mm/2mm；
深熔焊的加速电压为60V，焊接速度为600mm/min，聚焦电流1730mA，焊接束流126A，扫描频率500Hz，扫描幅值Vx/Vy为4mm/2mm；
重熔焊的加速电压为60V，焊接速度为600mm/min，聚焦电流1730mA，焊接束流126A，扫描频率500Hz，扫描幅值Vx/Vy为4mm/2mm；
修饰焊的加速电压为60V，焊接速度为600mm/min，聚焦电流1780mA，焊接束流70A，扫描频率500Hz，扫描幅值Vx/Vy为4mm/2mm。
在本发明中，该焊接方法还包括对待焊接产品的预处理：采用刮刀刮削待焊接产品的对接面，并打磨焊缝表面位置，如打磨宽度10～15mm，打磨至表面露出金属光泽，清洁待焊部位。
具体地，该焊接方法的流程包括：
步骤(1)，焊前采用刮刀刮削试板对接面，并打磨焊缝表面位置，宽度10～15mm，打磨至表面露出金属光泽，清洁待焊部位；
步骤(2)，采用焊接工装将待焊产品装配在工装架上，将待焊产品送进真空室，抽真空使真空度达到要求如6×10-4mbar；
步骤(3)，对试板进行真空电子束焊接，包括定位焊、深熔焊、重熔焊、修饰焊，电子束采用“8”字形摆动扫描的形式进行焊接；
步骤(4)，焊接完成后，真空室进气，拆除工装后检查焊缝背面质量，以不穿透焊缝对接锁底面为自检合格。
实施例
实施例1
选用ZL114A铸造铝合金试板，采用锁底接头，对接厚度10mm，锁底厚度3mm。
焊前采用刮刀刮削试板对接面，并打磨焊缝表面位置，宽度10～15mm，打磨至表面露出金属光泽，清洁待焊部位；
采用焊接工装将待焊试板装配在工装架上，将待焊试板送进真空室，抽真空使真空度达到6×10-4mbar；
对试板进行真空电子束焊接，包括定位焊、深熔焊、重熔焊、修饰焊，电子束采用“8”字形摆动扫描的形式进行焊接；焊接参数如表所示：
表1真空电子束焊接参数
Figure BDA0002294483510000061
Figure BDA0002294483510000071
焊接完成后，真空室进气，拆除工装后检查焊缝背面质量，焊缝对接锁底面未穿透。
对电子束焊缝内部质量进行X射线检测，焊缝内部质量符合GJB1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级标准。
对试板焊缝进行三次取样，检测力学性能，经检测，本实施例试板焊缝抗拉强度为291MPa、301MPa、297MPa，达到母材的91％、94％、93％。焊缝力学性能达到GJB 1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级标准。
实施例2
在某型燃料舱筒体上实施，待焊处外径560mm，材料为添加锶变质剂的ZL114A铸造铝合金，待焊处筒体为锁底接头结构，对接厚度25mm，锁底厚度5mm。具体焊接方法如下：
筒体待焊部位清理：焊前采用刮刀刮削试板对接面，并打磨焊缝表面位置，宽度15mm，打磨至表面露出金属光泽，然后用无水酒精清洁待焊部位；
采用铝合金焊接工装将筒体对接装配在一起，调节电子枪到焊缝表面工作距离为400mm，焊缝时对接阶差≤0.3mm，对接间隙≤0.2mm，将待焊工件吊装到电子束焊机的回转装置上，将待焊试板送进真空室，抽真空使真空度达到6×10-4mbar；
选用表2电子束焊参数，依次进行定位焊、深熔焊、重熔焊、修饰焊，电子束采用“8”字形摆动扫描的形式进行焊接；
表2真空电子束焊接参数
Figure BDA0002294483510000072
Figure BDA0002294483510000081
焊接完成后，真空室进气，拆除工装后检查焊缝背面质量，焊缝对接锁底面未穿透。
焊缝内部质量检测：完成焊接，对电子束焊缝内部质量进行X射线检测，要求焊缝质量符合GJB 1718A-2005《电子束焊接》Ⅰ级标准。
焊接完成。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，该焊接方法采用真空电子束焊接方法，电子束采用摆动扫描的形式进行焊接，摆动扫描所形成的扫描轨迹以“8”形扫描轨迹为重复单元，由多个“8”形扫描轨迹交错排列而成，其中，所述“8”形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。
2.根据权利要求1所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，焊接方法焊接的产品为铸造铝合金，包括添加锶变质剂的铸造铝合金、以及不添加锶变质剂的铸造铝合金。
3.根据权利要求1所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，待焊接产品上，焊缝接头采用锁底接头形式。
4.根据权利要求3所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，锁底接头的对接厚度可以达到10～30mm。
5.根据权利要求3所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，该焊接方法允许焊缝对接阶差≤0.3mm，对接间隙≤0.2mm。
6.根据权利要求1所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，在焊接时，真空电子束焊接包括定位焊、深熔焊、重熔焊、修饰焊四个焊接过程，每个焊接过程中电子束均采用“8”字形摆动扫描的形式进行焊接，所述“8”字形扫描轨迹的纵向在沿着焊缝方向上，所述“8”字形扫描轨迹的横向与焊缝方向垂直。
7.根据权利要求1所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，“8”字形扫描轨迹产生方法为：利用x轴和y轴构建一个经过焊缝、且垂直电子束流的平面即焊缝表面，其中，x轴平行于焊缝，x轴的方向与焊接方向相同，y轴垂直于焊缝，电子束以双正弦的形式进行扫描，即同时相对于x轴和y轴做正弦形式的摆动，所合成出来的扫描图形的重复单元就是以焊缝中心一点为中心的“8”字形扫描轨迹。
8.根据权利要求1所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，“8”字形扫描轨迹纵向摆动幅值Vx大于“8”字形扫描轨迹横向摆动幅值Vy。
9.根据权利要求8所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，“8”字形扫描轨迹纵向在沿着焊缝方向长度为4mm，所述“8”字形扫描轨迹横向与焊缝垂直方向长度为2mm。
10.根据权利要求1所述的消除铝合金电子束焊缝接头气孔缺陷的焊接方法，其特征在于，扫描频率为500Hz～800Hz。
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