CN111618403A

CN111618403A - 一种铝合金熔化焊装置

Info

Publication number: CN111618403A
Application number: CN202010468215.1A
Authority: CN
Inventors: 胡云瑞; 徐达; 杨海; 史学海; 郭世彬; 盛慧章; 蒙波; 李海波; 刘雪飞; 李佐政
Original assignee: CRRC Sifang Co Ltd
Current assignee: CRRC Sifang Co Ltd
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-09-04

Abstract

本发明公开了一种铝合金熔化焊装置包括：焊接设备，其包括焊枪；固定装置，其上端与所述焊接设备固定连接；冷却设备，其与所述固定装置的下端连接；其中，所述冷却设备与所述焊枪的夹角为45±5°。所述焊枪的喷口距离焊缝20±5mm；冷源距熔池45±10mm。本发明采用固定装置将精准控制冷却设备与焊接设备之间的角度，能够有效降低热源后方材料的温度峰值，使焊缝及其周围区域材料变形更加协调，且使焊缝区的纵向残余拉应力峰值明显降低；能够缩小热影响区，细化晶粒；其中焊接接头的拉伸强度、疲劳强度明显提升；疲劳断口裂纹扩展区的面积大，瞬断区面积和疲劳辉纹间距减小；可以有效提升铝合金熔化焊焊接接头的力学性能。

Description

一种铝合金熔化焊装置

技术领域

本发明涉及铝合金焊接技术领域，尤其涉及一种铝合金熔化焊装置。

背景技术

熔化焊作为一种传统的焊接方式，具有焊接过程稳定，焊缝成形优良，焊接接头质量高，便于自动化等优点。但是熔化焊由于热源集中，对金属材料高温加热导致金属材料产生热影响区，材料受热变形导致焊缝产生残余应力，这大大降低金属材料的机械强度。

采用随焊冷却方式能够减少焊后材料高温停留时间，降低焊缝焊后残余应力，同时能够使焊接接头各部位晶粒细化，在一定程度上提高焊接接头强度。

现有技术CN202571572U公开了它包括焊头、外壳、送丝管路、进气管路和进水管路，焊头固定在外壳端部，送丝管路、进气管路和进水管路设置在外壳内，进水管路在送丝管路内，进气管路的出气端在焊头部位，所述的进水管路的出水口上设置有形成喷雾的喷头。但是纯水路冷却的装置易使得焊接界面形成众多气孔，影响焊接质量。

综上，现在急需一种铝合金熔化焊装置，解决现有技术中焊接接头强度低以及焊缝气泡多等问题。

发明内容

为解决上述现有技术中问题，本发明提供一种铝合金熔化焊装置，能够有效提升铝合金熔化焊焊接接头的力学性能。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铝合金熔化焊装置，包括：

焊接设备，其包括焊枪；

固定装置，其上端与所述焊接设备固定连接；

冷却设备，其与所述固定装置的下端连接；

其中，所述冷却设备与所述焊枪的夹角为45±5°。

在本发明的一些实施例中，所述冷却设备包括导管和喷枪，所述喷枪与所述焊枪的夹角为45±5°。

在本发明的一些实施例中，所述焊枪的喷口距离焊缝20±5mm；冷源距熔池45±10mm。

在本发明的一些实施例中，所述喷枪的朝向与所述焊枪的前进方向相反。

在本发明的一些实施例中，所述固定装置用于调节所述冷却装置的高度、角度和流量。

在本发明的一些实施例中，所述导管包括导水管和导气管，分别用于导流液体和气体。

在本发明的一些实施例中，所述导水管的一端设于所述喷枪上，所述导水管的另一端固定于水容器中。

在本发明的一些实施例中，所述导气管的一端设于所述喷枪上，所述导气管的另一端与气泵固定连接。

在本发明的一些实施例中，在所述喷枪上，所述导气管的安装位置高于所述导水管的安装位置。

在本发明的一些实施例中，所述铝合金熔化焊装置还包括保护结构；其与所述焊枪固定连接。

在本发明的一些实施例中，所述保护结构为圆弧状，其凹面朝向所述喷枪，用于保护焊接保护气体，避免冷却水蒸发后对焊接保护气体造成影响的作用。

上述铝合金熔化焊装置的工作原理为：

在焊接前，首先通过所述固定装置将所述冷却装置中的喷枪的高度以及与焊枪之间的角度调节好；在焊接过程中，利用水泵及气泵将冷却用液体和气体通过各个导管泵入到喷枪中，所述喷枪将液体水雾化后喷至焊缝处从而对焊缝进行冷却。其中保护结构位于所述喷枪和所述焊枪之间，且并不在所述喷枪的喷射范围内；该保护结构能够有效保证冷却气体和气化后的水蒸气不会对焊接保护气体造成影响。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

一、本发明采用固定装置将精准控制冷却设备与焊接设备之间的角度，能够有效降低热源后方材料的温度峰值，使焊缝及其周围区域材料变形更加协调，且使焊缝区的纵向残余拉应力峰值明显降低。

二、本发明利用冷却设备，对焊缝进行冷却降温，避免单纯冷却液体或冷却气体的降温，能够缩小热影响区，细化晶粒；其中焊接接头的拉伸强度、疲劳强度明显提升；疲劳断口裂纹扩展区的面积大，瞬断区面积和疲劳辉纹间距减小；可以有效提升铝合金熔化焊焊接接头的力学性能。

三、本发明中设计了保护结构，圆弧状的罩面将所述焊枪与所述喷枪完全隔离开，能够保证冷却气体及气化后的水蒸气不会对焊接保护气体造成影响，从而进一步提高焊接接头的强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述冷却装置的结构示意图。

附图标记：

1-固定装置；2-喷枪；3-导水管；4-导气管；5-水容器；6-焊枪；7-焊接设备；8-保护结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

如图1所示，一种铝合金熔化焊装置，包括：固定装置1、焊接设备7、冷却设备。焊接设备7的前端设有焊枪6；冷却设备包括有喷枪2、导水管3、导气管4和水容器5。其中固定装置1的上端与焊接设备7固定连接；固定装置1的下端与喷枪2固定连接。

固定装置1是具有多个转接头的结构，能够精准的调节喷枪2和焊枪6之间的角度以及喷枪2本身的高度和流量等。在本实施例1中，喷枪2与焊枪6的夹角为45°。喷枪2的朝向与焊枪6的前进方向相反。焊枪6的喷口距离焊缝20mm；冷源距熔池45mm。

导水管3用于导流冷却液体，本实施例1中采用的冷却液体为水，导水管3的一端设于喷枪2上，导水管3的另一端固定于水容器5中。导气管4用于导流冷却气体，本实施例1中采用的冷却气体为氩气；导气管4的一端设于喷枪2上，导气管4的另一端与气泵固定连接。

在喷枪2上，导气管4的安装位置高于导水管3的安装位置；在焊接过程中，利用冷却气体氩气对冷却水进行冲击，形成水雾从而对焊缝进行冷却。

本实施例1中的铝合金熔化焊装置还包括保护结构8；其固定在焊枪6上。保护结构8为圆弧状，其圆弧状的罩面将焊枪6与喷枪2完全隔离开，能够保证冷却气体及气化后的水蒸气不会对焊接保护气体造成影响，从而进一步提高焊接接头的强度；该保护结构8避开了喷枪2的雾化范围，从而杜绝了水蒸气到达圆弧状罩面后凝结成水滴对未来得及冷却的焊缝造成影响，避免焊缝表面形成较多的气孔。

上述铝合金熔化焊装置的工作原理为：

在焊接前，首先通过固定装置1将冷却装置中的喷枪2的高度以及与焊枪6之间的角度调节好；在焊接过程中，利用水泵及气泵将冷却用液体和气体通过各个导管泵入到喷枪2中，喷枪2将液体水雾化后喷至焊缝处从而对焊缝进行冷却。其中保护结构8位于喷枪2和焊枪6之间，且并不在喷枪的喷射范围内；该保护结构8能够有效保证冷却气体和气化后的水蒸气不会对焊接保护气体造成影响。

实施例2

在本实施例中，与实施例1相比，区别在于：喷枪2与焊枪6的夹角为40°；焊枪6的喷口距离焊缝15mm；冷源距熔池35mm。

实施例3

在本实施例中，与实施例1相比，区别在于：喷枪2与焊枪6的夹角为50°；焊枪6的喷口距离焊缝25mm；冷源距熔池55mm。

实施例4

在本实施例中，与实施例2相比，区别在于：焊枪6的喷口距离焊缝25mm；冷源距熔池35mm。

实施例5

在本实施例中，与实施例3相比，区别在于：焊枪6的喷口距离焊缝15mm；冷源距熔池55mm。

对比例1

在本对比例中，与实施例1相比，区别在于：未设置保护结构8；将冷却设备替换为自然冷却方式。

实验例

(1)温度场:

利用有限元软件MSC.Marc对MIG焊接过程的温度场进行有限元模拟，利用焊缝横截面的形貌对有限元模拟结果进行验证，重点分析快速冷却工艺影响温度峰值以及高温区范围的规律。结果表明:在焊接过程中，温度峰值位于焊缝中间，且焊接温度随到熔池距离的增加而降低;与自然冷却方式相比，快速冷却工艺在焊接过程中可小幅度地降低加热阶段的温度峰值以及高温区域范围，可大幅度缩短冷却阶段的冷却时间。

(2)宏观焊缝形貌及接头微观组织分析:

常规MIG焊接与快速冷却MIG焊接工艺条件下接头表面形貌无明显差异，焊缝均成形良好，表面弧纹均匀，符合典型铝合金MIG焊缝特征。采用光学金相显微镜对接头显微组织进行表征，并对焊缝中不同区域的晶粒形态进行了观察，结果发现:与常规MG焊接工艺相比，在快速冷却MIG工艺下焊缝区及热影响区的宽度明显减小，焊缝区内再结晶生成的等轴晶晶粒更为细小;接头熔合区由柱状晶构成，且在快速冷却条件下晶粒细化，熔合区变窄，熔合线附近气孔及微裂纹数量明显减少。

(3)硬度测试:

采用数显显微硬度计对常规MIG和快速冷却MG条件下接头横截面进行最微度测试，硬度计加载载荷为200g，加载时间为10s，结果表明不同工艺条件下接头横截面硬度均呈“W”形分布;相比于常规焊接工艺，由于快速冷却导致的焊缝区晶粒再结晶长大过程中和热影响区晶粒受热粗化的抑制作用，接头焊缝区和热影响区的硬度均得到了显著提高。

(4)拉伸测试:

按照GBT2651-2008国家标准进行了常规MIG和快速冷却MIG焊接接头的拉伸强度试验。试验采用美国 Instron-8801型液压伺服试验机进行拉伸性能试验，室温拉伸速率为2mm/min，结果表明在常规工艺下，接头的最大抗拉强度为193.3MP2a，最小为187.9MPa，平均为190.4MPa，可达母材的71.6％。在快速冷却工艺条件下，接头的最大抗拉强度为210.3MPa，最小为201.9MPa，平均为206.6MPa，可达母材的77.8％，快速冷却工艺下的接头抗拉强度较之常规工艺下提升了6.2％。

(5)疲劳测试

对常规MIG和快速冷却MG焊接工艺条件下焊接接头的疲劳性能进行了测试，根据断口图像的疲劳特征对两种工艺下的疲劳断口样貌进行分析。结果表明:基于双对数S-N拟合曲线，快速冷却工艺下的6005A-T6铝合金焊接接头预测疲劳强度为92.1MPa，而常规工艺下的预测值为77.7MPa。快速冷却试件的疲劳强度比常规工艺下提高18.3％;对于幂函数S-N拟合曲线，快速冷却工艺的6005A-T6铝合金焊接接头预测疲劳强度为91.9MPa,而常规工艺下的预测值为77.2MPa。快速冷却试件的疲劳强度比常规工艺下提高19.0％。疲劳试样断口分析发现，不同工艺接头中存在的气孔是裂纹萌生的主要因素；而在快速冷却条件下，接头热影响区的晶粒尺寸増长不明显从而降低了裂纹扩展的速率，提高了MIG焊接头的疲劳性能。

综上，本申请中的技术方案能有效降低热源后方材料的温度峰值，使焊缝及其周围区域材料变形更加协调，且使焊缝区的纵向残余拉应力峰值明显降低。能够缩小热影响区，细化晶粒；接头的拉伸强度、疲劳强度明显提升；焊接试件疲劳断口裂纹扩展区的面积大，瞬断区面积和疲劳辉纹间距减小。可以有效提升铝合金熔化焊焊接接头的力学性能。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，包括：

焊接设备，其包括焊枪；

固定装置，其上端与所述焊接设备固定连接；

冷却设备，其与所述固定装置的下端连接；

其中，所述冷却设备与所述焊枪的夹角为45±5°。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，所述冷却设备包括导管和喷枪，所述喷枪与所述焊枪的夹角为45±5°。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，所述焊枪的喷口距离焊缝20±5mm；冷源距熔池45±10mm。

4.根据权利要求1所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，所述喷枪的朝向与所述焊枪的前进方向相反。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，所述固定装置用于调节所述冷却装置的高度、角度和流量。

6.根据权利要求1所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，所述导管包括导水管和导气管，分别用于导流液体和气体。

7.根据权利要求6所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，所述导水管的一端设于所述喷枪上，所述导水管的另一端固定于水容器中。

8.根据权利要求6所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，所述导气管的一端设于所述喷枪上，所述导气管的另一端与气泵固定连接。

9.根据权利要求6所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，在所述喷枪上，所述导气管的安装位置高于所述导水管的安装位置。

10.根据权利要求1所述的一种铝合金熔化焊装置，其特征在于，所述铝合金熔化焊装置还包括保护结构；其与所述焊枪固定连接；所述保护结构为圆弧状，其凹面朝向所述喷枪。