CN112355458A - 一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，包括以下步骤：步骤一、将高强铝合金加工成焊接试样，对试样进行清理，清除试样表面氧化膜和污染物；其中，高强铝合金为Al‑Zn‑Mg‑Cu系铝合金，各化学成分及质量分数为：Zn 5.1％～6.1％，Mg 2.0％～3.0％，Cu 1.2％～2.0％，Si≤0.50％，Mn≤0.15％，Ti≤0.10％，Cr 0.16％～0.30％，Fe≤0.50％，其余为Al；步骤二、第一道焊：将试样装夹固定在电子束焊机的真空室中，采用对接接头型式，沿试样长度方向进行对接焊，在焊接过程中，采用变化的电子束流进行焊接，电子束流与试样的板厚成线性关系，并在焊接过程中添加圆形电子束扫描；步骤三、修饰焊：采用圆形电子束扫描对铝合金焊缝表面进行修饰焊。本发明具有焊缝表面成形及焊接质量良好等优点。

Description

一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法
技术领域
本发明属于铝合金焊接加工技术领域，涉及一种变厚度高强铝合金的焊接方法，尤其涉及一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法。
背景技术
Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金属于时效强化型铝合金，具有高的比强度、比模量、断裂韧性、抗疲劳性能和耐蚀性等，广泛应用于飞机、轨道车辆、核工业、火箭、汽车和造船等领域中高强度结构件的制造。焊接是制造机械零部件(构件)的主要加工手段之一。由于焊接结构具有接头强度高、结构设计灵活性大、可减轻构件质量等优点，因此，焊接技术的开发与应用已成为扩大高强铝合金在工业生产中应用的关键。
高强铝合金在熔化焊接过程中存在的主要问题有：焊缝气孔、焊接热裂纹、接头区软化等。铝合金在熔化焊接过程中，由于氢在固态Al与液态Al中的溶解度不同，在焊接快速加热和冷却过程中，熔池金属中的氢来不及逸出，将在焊缝中残留形成气孔。由于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金中的Zn、Cu元素含量较高，焊接时熔池金属的流动性较差，焊缝的结晶温度范围宽，易产生热裂纹；此外，高强铝合金属于时效强化型合金，在焊接过程中，受焊接热循环作用，热影响区中的强化相溶解，导致接头区发生软化，降低接头的强度系数。针对变厚度铝合金结构件的焊接，为了获得良好的接头焊缝成形，随着沿焊接长度方向上试样厚度的变化，电子束工艺参数需要相应作逐渐调整，以适应试样焊接时厚度变化所需的合适焊接热输入。
在铝合金的熔化焊接过程中，降低焊缝热裂纹倾向和尽量减轻铝合金焊缝中的气孔率等，以提高焊接接头的质量，一直是焊接工作者努力追求的目标。在焊接方法的选择上，采用电子束焊接工艺，有利于减少焊接热输入，电子束焊接时的真空环境有利于获得纯净度高的焊缝。在焊接过程中，添加一定频率和幅度的圆形电子束扫描，可增强对熔池金属的搅拌作用，有利于改善熔池金属的流动性和焊缝结晶形态，使焊缝中的合金元素均匀分布，促进熔池中的气体逸出，可大大减轻焊缝的气孔倾向，配合使用的修饰焊，可进一步改善焊缝表面成形，细化晶粒，起到提高接头质量的作用。
高强铝合金作为航空航天等领域应用广泛的结构材料之一，经常用于制作焊接结构件。因此，有必要研究开发Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金及其变厚度结构的真空电子束焊接工艺。
发明内容
本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特点是在电子束焊接过程中，综合采取焊接线能量和电子束流能量密度控制，以适应沿焊接方向试样的厚度变化所需要的焊接热输入。同时，在第一道焊(主焊)时添加圆形电子束扫描，随后进行修饰焊工艺处理，可增强对熔池金属的搅拌作用，改善焊缝的结晶形态，促进熔池金属中的气体逸出，大大减轻焊缝的气孔倾向，同时改善焊缝表面成形，促进焊缝中合金元素均匀分布，并细化晶粒，显著改善焊接接头的质量，从而实现变厚度高强铝合金的电子束焊接，以确保高强铝合金焊接构件能在航空航天等领域中安全服役。
为实现上述目的，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，具有这样的特征：包括以下步骤：步骤一、将高强铝合金加工成焊接试样，对焊接试样进行清理，清除试样表面的氧化膜和污染物；其中，高强铝合金为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，各化学成分及质量分数为：Zn 5.1％～6.1％，Mg 2.0％～3.0％，Cu 1.2％～2.0％，Si≤0.50％，Mn≤0.15％，Ti≤0.10％，Cr 0.16％～0.30％，Fe≤0.50％，其余为Al；步骤二、第一道焊：将试样装夹固定在电子束焊机的真空室中，采用对接接头型式，沿试样长度方向进行对接焊，在焊接过程中，采用变化的电子束流进行焊接，电子束流与试样的板厚成线性关系，并在焊接过程中添加圆形电子束扫描；步骤三、修饰焊：采用圆形电子束扫描对铝合金焊缝表面进行修饰焊。
进一步，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，还可以具有这样的特征：其中，所述焊接试样的厚度为3.5～4mm，沿着焊接方向，在150mm长度上，铝合金母材的厚度由3.5mm逐渐变化至4mm。
进一步，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，还可以具有这样的特征：其中，电子束焊机真空室的真空度为5×10-3Pa，加速电压60kV，工作距离300mm。
进一步，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，还可以具有这样的特征：其中，第一道焊中，圆形电子束扫描的扫描频率为500Hz、扫描幅度为1％。
进一步，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，还可以具有这样的特征：其中，第一道焊的电子束流为15～28mA、聚焦电流为578mA、焊接速度为12～20mm/s。
进一步，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，还可以具有这样的特征：其中，修饰焊中，圆形电子束扫描的扫描频率为500Hz、扫描幅度为1％～4.5％。
进一步，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，还可以具有这样的特征：其中，修饰焊的电子束流为15～21mA、聚焦电流为558mA、焊接速度为12～20mm/s。
进一步，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，分别采用机械清理和化学清理方法对焊接试样进行清理。
进一步，本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，机械清理和化学清理的具体过程为：采用机械方法打磨待焊区，用质量分数为10％的NaOH溶液碱洗5min，清水冲洗后，再用质量分数为15％的HNO3溶液酸洗3min，以中和试样表面的碱液，清水冲洗，用丙酮擦拭试样表面，干燥待焊。
本发明的原理是：Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金作为一种时效强化型合金，具有特殊的化学成分及微观组织结构。高强铝合金在熔化焊接过程中存在的主要问题有：焊缝气孔、焊接热裂纹、接头区软化等。采用电子束焊接工艺，有利于减少焊接热输入，电子束焊接时的真空环境有利于获得纯净度高的焊缝。针对变厚度结构，在焊接过程中，综合采取焊接线能量和电子束流能量密度控制，以适应试样焊接时厚度变化所需的合适焊接热输入；与此同时，添加一定频率和幅度的圆形电子束扫描进行焊接，可增强对熔池金属的搅拌作用，有利于改善熔池金属的流动性和焊缝的结晶形态，促进熔池金属中的气体逸出，可大大减轻焊缝的气孔倾向，随后进行的电子束修饰焊工艺处理，可进一步改善接头焊缝的表面成形，细化晶粒，起到提高接头质量的作用。
本发明的有益效果在于：
一、采用电子束焊接工艺，有利于减少焊接热输入，电子束焊接时的真空环境有利于获得纯净度高的焊缝；
二、在焊接过程中，通过综合采取焊接线能量和电子束流能量密度控制，即采用线性变化的电子束流，成功实现了变厚度高强铝合金试样的对接焊，沿着焊接方向，在150mm长度上，铝合金母材的厚度由3.5mm逐渐变化至4mm，对于此类母材的焊接，相对于电子束流不变或其他变化的方式，在第一道焊和修饰焊均采用线性变化电子束流，可以有效提高焊接接头质量；
三、在第一道焊(主焊)接过程中，添加频率为500Hz、幅度为1％的圆形电子束扫描，可增强对熔池金属的搅拌作用，有利于改善熔池金属的流动性和焊缝的结晶形态，促进熔池金属中的气体逸出，可大大减轻焊缝的气孔倾向；
四、在第一道焊(主焊)接完成后，再进行电子束修饰焊工艺处理，可进一步改善焊缝表面成形，细化晶粒，有利于提高焊接接头的质量；
五、电子束焊接工艺过程简单，不需要再附加其他的工艺装备，对操作人员的技术水平要求不高，有利于本技术的推广使用。
附图说明
图1是本发明中变厚度高强铝合金电子束焊接过程示意图。
图2是实施例3接头在第一道焊(主焊)和修饰焊时电子束流的变化图：(a)第一道焊(主焊)；(b)修饰焊。
图3是本发明在不同电子束工艺条件下变厚度高强铝合金接头的宏观形貌照片：(a)实施例1接头；(b)实施例2接头；(c)实施例3接头；(d)实施例4接头；(e)实施例5接头；(f)实施例6接头。
图4是本发明在不同电子束工艺条件下变厚度高强铝合金接头过渡区的微观组织照片：(a)实施例1接头；(b)实施例2接头；(c)实施例3接头；(d)实施例4接头；(e)实施例5接头。
图5是本发明在不同电子束工艺条件下变厚度高强铝合金接头焊缝金属区的微观组织照片：(a)实施例1接头；(b)实施例2接头；(c)实施例3接头；(d)实施例4接头；(e)实施例5接头。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，工艺流程依次为：焊接试样加工→试样表面清理→试样装夹固定→焊机抽真空→电子束扫描第一道焊(主焊)→电子束修饰焊→取出焊件，具体包括以下步骤：
步骤一、采用机械加工方法将高强铝合金加工成焊接试样。
其中，高强铝合金为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，各化学成分及质量分数为：Zn 5.1％～6.1％，Mg 2.0％～3.0％，Cu 1.2％～2.0％，Si≤0.50％，Mn≤0.15％，Ti≤0.10％，Cr0.16％～0.30％，Fe≤0.50％，其余为Al；优选的，Zn 5.71％，Mg 2.3％，Cu 1.52％，Mn0.13％，Fe 0.21％，Si 0.18％，Cr 0.2％，Ti 0.04％，其余为Al。
焊接试样的厚度为3.5～4mm，沿着焊接方向，在150mm长度上，铝合金母材的厚度由3.5mm逐渐变化至4mm。
然后分别采用机械清理和化学清理方法对焊接试样进行严格清理，以清除试样表面的氧化膜和污染物。
具体清理过程为：采用机械方法打磨待焊区，用质量分数为10％的NaOH溶液碱洗5min，清水冲洗后，再用质量分数为15％的HNO3溶液酸洗3min，以中和试样表面的碱液，清水冲洗，用丙酮擦拭试样表面，干燥待焊。
步骤二、第一道焊：将试样装夹固定在电子束焊机的真空室中，采用对接接头型式，沿试样长度方向进行对接焊，在焊接过程中，采用变化的电子束流进行焊接，电子束流与试样的板厚成线性关系，并在焊接过程中添加圆形电子束扫描。
步骤三、修饰焊：采用圆形电子束扫描对铝合金焊缝表面进行修饰焊。
对于变厚度高强铝合金进行电子束焊接，采取不添加填充焊丝的对接焊方式，第一道焊和修饰焊的焊接过程如图1所示。焊接时，电子束焊机真空室的真空度为5×10-3Pa，加速电压60kV，工作距离300mm。第一道焊(主焊)接时的电子束流15～28mA、聚焦电流578mA、焊接速度12～20mm/s，圆形电子束扫描的扫描频率500Hz、扫描幅度1％；修饰焊时的电子束流15～21mA、聚焦电流558mA、焊接速度12～20mm/s，圆形电子束扫描的扫描频率500Hz、扫描幅度1％～4.5％。其中，在焊接过程中采用变化的电子束流进行焊接，电子束流与板厚成线性关系，第一道焊(主焊)和修饰焊时电子束流的变化与试板厚度之间的变化关系(实施例3)如图2所示。各实施例的具体工艺方法及参数如下表所示。
表1各实施例电子束焊接工艺参数
Figure BDA0002750195560000081
其中，实施例3为本申请变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法的具体实施例，实施例1、2、4、5和6为对比例。具体的，实施例1未进行修饰焊，且第一道焊未采用电子束扫描；实施例2的第一道焊未采用电子束扫描；实施例4未进行修饰焊；实施例5采用了较低的焊接速度；实施例6未采用线性变化的电子束流。各实施例完成焊接后观察接头焊缝的表面成形，并对焊接接头的微观组织结构进行检测分析，评价焊接接头的质量。
焊接接头宏观形貌照片：在不同电子束工艺条件下所获得高强铝合金接头的宏观形貌照片如图3所示。从图中可以看出，实施例1接头试样由于焊接时未添加圆形电子束扫描及进行修饰焊处理，焊缝表面成形较差，局部区域存在焊缝成形不良现象；实施例2接头试样焊接时虽然进行了修饰焊，但未添加圆形电子束扫描，影响焊缝的结晶形态，在一定程度上影响接头焊缝成形；实施例4接头试样在焊接时添加圆形电子束扫描，但随后未进行修饰焊，其焊缝成形也不是很理想，焊缝鱼鳞纹不够清晰、连续；实施例3接头试样在焊接时添加了圆形电子束扫描，随后进行修饰焊工艺处理，焊波均匀，焊缝成形良好；实施例5接头试样焊接时添加了圆形电子束扫描和进行修饰焊，但与实施例3接头试样相比，第一道焊(主焊)时电子束流的变化量较大，使得焊接时的热输入变化较大，对焊接试样的熔透作用均匀性变差，直接影响接头焊缝的表面成形，导致焊缝局部区域出现了成形不够均匀的现象。实施例6接头试样焊接时未采用线性变化的电子束流，焊缝成形最差，在试样薄侧(3.5mm侧)存在凹陷相对较大、而在试样厚侧(4mm侧)存在轻微未焊透现象。通过分析比较可知，采用实施例3接头试样的电子束焊接工艺，可获得焊缝表面成形良好的高强铝合金接头，未见有微裂纹和气孔等焊接缺陷，较好实现了变厚度高强铝合金的电子束焊接。
焊接接头过渡区微观组织照片：对高强铝合金电子束焊接头区域的微观组织进行分析，拍摄在不同电子束工艺条件下所获得的变厚度铝合金接头过渡区的微观组织照片如图4所示。图4(a)-(e)中，左侧为热影响区(heat-affected zone，HAZ)，右侧为熔合区(fusion zone，FZ)。从图中可以看出，右侧熔合区中的等轴晶大小均匀，细小的析出相在焊缝组织中均匀分布；左侧热影响区由于受到焊接时的热循环作用，晶粒有所长大。虽然在不同电子束工艺条件下获得的接头过渡区微观组织略有差异，但总体上几种接头的熔合区与母材之间都结合良好，呈冶金结合状态，在整个接头区域未发现有气孔和微裂纹等焊接缺陷。
热影响区保留原始母材的显微组织结构，熔合线处的晶粒沿垂直于熔合线的方向生长，形成典型的柱状晶组织。焊接时添加电子束扫描使实施例3接头焊缝组织中柱状晶的尺寸和数量都有所减小。在熔池冷却过程中，随着柱状晶的生长，在接头焊缝中心，液态金属达到结晶温度，形成许多晶核，同时沿各个方向生长，在熔合区形成典型的等轴状枝晶组织。在电子束焊接过程中，添加圆形电子束扫描，可进一步改善焊缝的结晶形态，使液态金属中形成的晶核数目增加，因此，添加电子束扫描的实施例3接头熔合区晶粒尺寸较细小，如图4(c)所示。
焊接接头焊缝金属区微观组织照片：在不同电子束工艺条件下获得的变厚度高强铝合金接头焊缝金属区的微观组织照片如图5所示。从图中可以看出，接头熔合区主要为等轴晶及等轴树枝晶。几种接头试样的焊缝区晶界处均存在共晶组织。进行电子束焊接时，靠近焊缝中心，温度梯度降低，熔池凝固速度增大，可提高该区域的成分过冷度，促进在焊缝中心形成等轴晶。从图5(a)-(e)中可以看出，不同的电子束焊接工艺条件(包括电子束流的变化、是否添加圆形电子束扫描，以及是否进行修饰焊等)对变厚度铝合金接头焊缝金属区的微观组织具有一定影响。实施例1接头焊缝区的微观组织分布均匀性相对较差，这与该接头在焊接过程中未添加圆形电子束扫描有关，焊缝金属中的合金元素分布及熔池的结晶形态受到一定影响。实施例3接头焊缝区为细小的等轴晶，晶粒分布均匀，晶界共晶组织呈不连续分布，同时在晶内还分布有许多弥散的共晶相。实施例5接头焊缝区中的组织晶粒大小及分布与实施例3接头的有所不同，这与接头焊缝的成形(宏观形貌)相一致。实施例2接头和实施例4接头焊缝金属区的微观组织及其分布介于实施例3接头与实施例5接头之间，其中实施例4接头在第一道焊(主焊)接完成后，未进行修饰焊。由于修饰焊主要对焊缝表面进行重熔，可进一步改善焊缝的表面成形，对焊缝中心的热作用相对较小，因此，实施例4接头焊缝金属区的微观组织与实施例3接头焊缝金属区的微观组织相差不大。但是，从改善接头焊缝的表面成形来看，在第一道焊(主焊)接完成后，再进行修饰焊工艺处理，有利于减轻焊缝的表面缺陷如表面凹陷和气孔等，可在一定程度上提高焊接接头的质量。

Claims (9)

1.一种变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一、将高强铝合金加工成焊接试样，对焊接试样进行清理，清除试样表面的氧化膜和污染物；
其中，高强铝合金为Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，各化学成分及质量分数为：Zn 5.1％～6.1％，Mg 2.0％～3.0％，Cu 1.2％～2.0％，Si≤0.50％，Mn≤0.15％，Ti≤0.10％，Cr0.16％～0.30％，Fe≤0.50％，其余为Al；
步骤二、第一道焊：将试样装夹固定在电子束焊机的真空室中，采用对接接头型式，沿试样长度方向进行对接焊，在焊接过程中，采用变化的电子束流进行焊接，电子束流与试样的板厚成线性关系，并在焊接过程中添加圆形电子束扫描；
步骤三、修饰焊：采用圆形电子束扫描对铝合金焊缝表面进行修饰焊。
2.根据权利要求1所述的变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
其中，所述焊接试样的厚度为3.5～4mm，沿着焊接方向，在150mm长度上，铝合金母材的厚度由3.5mm逐渐变化至4mm。
3.根据权利要求1所述的变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
其中，电子束焊机真空室的真空度为5×10-3Pa，加速电压60kV，工作距离300mm。
4.根据权利要求1所述的变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
其中，第一道焊中，圆形电子束扫描的扫描频率为500Hz、扫描幅度为1％。
5.根据权利要求1所述的变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
其中，第一道焊的电子束流为15～28mA、聚焦电流为578mA、焊接速度为12～20mm/s。
6.根据权利要求1所述的变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
其中，修饰焊中，圆形电子束扫描的扫描频率为500Hz、扫描幅度为1％～4.5％。
7.根据权利要求1所述的变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
其中，修饰焊的电子束流为15～21mA、聚焦电流为558mA、焊接速度为12～20mm/s。
8.根据权利要求1所述的变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
其中，步骤一中，分别采用机械清理和化学清理方法对焊接试样进行清理。
9.根据权利要求8所述的变厚度高强铝合金的电子束焊接工艺方法，其特征在于：
其中，步骤一中，机械清理和化学清理的具体过程为：采用机械方法打磨待焊区，用质量分数为10％的NaOH溶液碱洗5min，清水冲洗后，再用质量分数为15％的HNO3溶液酸洗3min，以中和试样表面的碱液，清水冲洗，用丙酮擦拭试样表面，干燥待焊。
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