CN112518079B - 一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法 - Google Patents

一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，步骤包括：将主动冷却结构中的铝合金多孔微通道扁管依次进行无水乙醇清洗、超声波水清洗、干燥，采用激光清洗预处理多孔微通道扁管待焊区域表面，将主动冷却结构中的铝合金汇流管依次进行表面酸洗、干燥；以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管，然后打磨预热区域表面；将铝合金多孔微通道扁管插入汇流管并装配固定；在汇流管焊缝周围进行氩弧焊打底焊接；采用氩弧焊进行堆焊至获得良好接头。通过该方法对铝合金多孔微通道扁管、汇流管进行焊接，获得了内外部质量、气密性良好的主动冷却结构，可有效防止了薄壁铝合金多孔微通道扁管易焊穿、溶蚀、焊后堵塞等缺陷。

Description

一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，特别涉及一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法。
背景技术
随着航空、航天飞行器的发展，飞行速度越来越高，飞行器表面将遭受严重的气动加热，这将降低材料的力学性能，结构在热载荷作用下产生热应力进而加剧结构变形，如果热量传导至飞行器机身及内部也可能导致内部重要部件失效，因此需要采用主动冷却结构进行热防护控制。铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构可以使得冷却介质在结构内部有序流动，带走热量从而使结构本身的温度保持在较低范围内。
但是，铝合金多孔微通道扁管壁厚十分小(0.15mm～0.45mm)，采用常规熔焊方法将极易造成薄壁铝合金多孔微通道扁管焊穿，采用钎焊方法则极易导致表面溶蚀，使得结构不满足气密性要求。同时，扁管由于通道尺寸较小，焊接过程产生的多余物(如飞溅的金属、钎焊反应物或溶剂等)进入主动冷却结构内部后也会导致焊后堵塞等缺陷，影响冷却效果。
可见，目前迫切需要本领域技术人员提供一种适用于铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构的熔焊焊接方法以进一步提高焊接质量和气密性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的薄壁铝合金多孔微通道扁管易焊穿、溶蚀、焊后堵塞等问题，提供一种用于铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构的熔焊焊接方法，获得了内外部质量、气密性良好的主动冷却结构。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，包括以下步骤：
(1)将主动冷却结构中的铝合金多孔微通道扁管及汇流管进行预处理；
(2)以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管，然后打磨预热区域表面；
(3)将铝合金多孔微通道扁管插入汇流管并装配固定；
(4)在汇流管焊缝中心周围2mm-3mm范围内进行氩弧焊打底焊接，所用电流为30A-60A；
(5)采用氩弧焊进行堆焊，且在焊接过程中汇流管中通过惰性气体进行保护。
进一步的，步骤(1)中，铝合金多孔微通道扁管预处理过程为依次进行无水乙醇清洗、超声波水清洗、干燥后，再次清洗多孔微通道扁管待焊区域表面；汇流管预处理过程为依次进行表面酸洗、干燥。
进一步的，铝合金多孔微通道扁管预处理过程中再次清洗的方式采用激光清洗，以去除待焊区域表面氧化层，防止多孔微通道扁管的薄壁破损。
进一步的，所述步骤(2)中，以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管所使用电流与堆焊时所使用的电流一致。
进一步的，所述步骤(3)中，装配固定所用工装为圆头顶杆，采用圆头顶杆从扁管、汇流管两侧进行固定，避免工装夹持装置与多孔微通道扁管及汇流管大面积接触使得热量被快速传走，影响焊接质量。
进一步的，步骤(4)和步骤(5)中，均采用低频脉冲氩弧焊，所述低频脉冲氩弧焊频率范围为8Hz-10Hz。
进一步的，所述步骤(5)中，堆焊使用的电流为20A-40A。
进一步的，所述步骤(4)中，打底焊接使用的电流比步骤(5)中堆焊使用的电流高10A-20A。
进一步的，所述步骤(4)和步骤(5)中，焊丝采用铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm。
进一步的，步骤(4)和步骤(5)中，焊枪喷嘴连续地喷出保护气体流量为5-7L/min，在焊接过程中，汇流管中通氩气对焊缝背部及汇流管内部通道表面进行保护，气体流量为3-5L/min。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过一种用于铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构的熔焊焊接方法，实现了壁厚存在较大差异的薄壁结构铝合金多孔微通道扁管(壁厚0.15～0.45mm)与汇流管(壁厚≥2mm)的熔焊连接，扁管无焊穿或其他缺陷；
(2)本发明所述焊接方法中，增加了激光清洗步骤，既可有效去除铝合金表面氧化层，也可有效防止采用酸洗或机械打磨的方式引起多孔微通道扁管的薄壁破损；采用打底焊接可以保证汇流管与焊道金属第一层的连接质量，避免过大的热输入引起多孔微通道扁管的薄壁破损，同时也能对扁管起到预热作用；采用堆焊使汇流管与多孔微通道扁管管壁实现连接，保证焊接结构气密性。
(3)本发明所述焊接方法中，采用大量实验确定了打底焊接及堆焊所使用的最优参数范围，以获得最佳的焊接效果；
(4)通过本发明方法获得的主动冷却结构焊接接头内外部质量良好，无裂纹、无孔洞等缺陷，气密性良好，在0.2MPa气压作用下保压30min无泄漏；
(5)采用熔焊的方法，与常规的火焰钎焊方法相比，工艺参数可控，结构服役安全性更高；与常规的感应钎焊方法相比，不采用钎剂，可避免对母材的溶蚀，同时减少焊后多余物的产生，避免扁管微通道被堵塞；
(6)可实现1系、3系、6系铝合金等异种材料扁管与汇流管的连接，焊接工艺适应性良好。
附图说明
图1为本发明铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构的熔焊焊接方法示意图；
图2为本发明汇流管表面低频脉冲氩弧焊打底焊接区域示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法包括以下步骤：
(1)将主动冷却结构中的铝合金多孔微通道扁管及汇流管进行预处理；
(2)以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管，然后打磨预热区域表面；
(3)将铝合金多孔微通道扁管插入汇流管并装配固定；
(4)在汇流管焊缝中心周围2mm-3mm范围内进行氩弧焊打底焊接，所用电流为30A-60A，如图2所示。
(5)采用氩弧焊进行堆焊，且在焊接过程中汇流管中通过惰性气体进行保护。
进一步的，所述步骤(1)中，铝合金多孔微通道扁管预处理过程为依次进行无水乙醇清洗、超声波水清洗、干燥后，再次清洗多孔微通道扁管待焊区域表面；汇流管预处理过程为依次进行表面酸洗、干燥。
进一步的，铝合金多孔微通道扁管预处理过程中再次清洗的方式采用激光清洗，以去除待焊区域表面氧化层，防止多孔微通道扁管的薄壁破损。
进一步的，所述步骤(2)中，以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管所使用电流与堆焊时所使用的电流一致。
进一步的，所述步骤(3)中，装配固定所用工装为圆头顶杆，采用圆头顶杆从扁管、汇流管两侧进行固定，避免工装夹持装置与多孔微通道扁管及汇流管大面积接触使得热量被快速传走，影响焊接质量，如图1所示。
进一步的，所述步骤(4)和步骤(5)中，均采用低频脉冲氩弧焊，所述低频脉冲氩弧焊频率范围为8Hz-10Hz。
进一步的，所述步骤(5)中，堆焊使用的电流为20A-40A。
进一步的，所述步骤(4)中，打底焊接使用的电流比步骤(5)中堆焊使用的电流高10A-20A。
进一步的，所述步骤(4)和步骤(5)中，焊丝采用铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm。
进一步的，所述步骤(4)和步骤(5)中，焊枪喷嘴喷出保护气体流量为5-7L/min；在焊接过程中汇流管中通氩气对焊缝背部及汇流管内部通道表面进行保护，气体流量为3-5L/min。
本发明提出一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，能够解决现有技术中存在的薄壁铝合金多孔微通道扁管易焊穿、溶蚀、焊后堵塞等缺陷等问题，获得了内外部质量、气密性良好的主动冷却结构。本发明将满足航空航天等领域对铝合金主动冷却结构高质量焊接的需求，具有重要的科学和工程意义，应用前景广泛。
实施例1
选取壁厚为0.15mm的1100铝合金多孔微通道扁管，壁厚为2.0mm的6005A铝合金汇流管作为主动冷却结构材料。
本发明实施例的铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构熔焊焊接方法具体包括以下流程：
首先，将铝合金多孔微通道扁管依次进行无水乙醇清洗、超声波水清洗、干燥，采用激光清洗预处理多孔微通道扁管待焊区域表面；将铝合金汇流管依次进行表面酸洗、干燥。
其次，以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管，预热时电流为20A，脉冲频率为8Hz，保护气体流量5L/min，然后采用砂纸打磨预热区域表面；
然后，将铝合金多孔微通道扁管插入汇流管并装配固定，固定时采用圆头顶杆作为夹持工装，避免装配工装夹持装置与扁管、汇流管大面积接触，防止热量被快速传递；
然后，在汇流管表面待焊焊缝中心周围2mm-3mm范围内进行低频脉冲氩弧焊打底焊接。焊丝采用5A06铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm；打底焊接电流为30A，脉冲频率为8Hz；气体流量为5L/min。在焊接过程中，汇流管中通氩气进行保护，气体流量为3L/min。打底焊接时应避免热源、熔池靠近扁管。
最后，采用低频脉冲氩弧焊在打底焊焊缝表面进行堆焊，焊丝采用5A06铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm，焊接电流20A，脉冲频率为9Hz；气体流量5L/min。在焊接过程中，汇流管中通氩气进行保护，气体流量为3L/min。
焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测，焊缝中无裂纹、孔洞、夹杂物等缺陷，表明焊缝内部质量良好。对该结构进行气密性检测，在0.2MPa气压作用下保压30min无泄漏。
实施例2
选取壁厚为0.25mm的3102铝合金多孔微通道扁管，壁厚为2.0mm的6005A铝合金汇流管作为主动冷却结构材料。
本发明实施例的铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构熔焊焊接方法具体包括以下流程：
首先，将铝合金多孔微通道扁管依次进行无水乙醇清洗、超声波水清洗、干燥，采用激光清洗预处理多孔微通道扁管待焊区域表面；将铝合金汇流管依次进行表面酸洗、干燥。
其次，以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管，预热时电流为30A，脉冲频率为10Hz，保护气体流量7L/min，然后采用砂纸打磨预热区域表面；
然后，将铝合金多孔微通道扁管插入汇流管并装配固定，固定时采用圆头顶杆作为夹持工装，避免装配工装夹持装置与扁管、汇流管大面积接触，防止热量被快速传递；
然后，在汇流管表面待焊焊缝中心周围2mm-3mm范围内进行低频脉冲氩弧焊打底焊接。焊丝采用5A06铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm；打底焊接电流为40A，脉冲频率为8Hz；气体流量为7L/min。在焊接过程中，汇流管中通氩气进行保护，气体流量为3L/min。打底焊接时应避免热源、熔池靠近扁管。
最后，采用低频脉冲氩弧焊在打底焊焊缝表面进行堆焊，焊丝采用5A06铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm，焊接电流30A，脉冲频率为8Hz；气体流量6L/min。在焊接过程中，汇流管中通氩气进行保护，气体流量为4L/min。
焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测，焊缝中无裂纹、孔洞、夹杂物等缺陷，表明焊缝内部质量良好。对该结构进行气密性检测，在0.2MPa气压作用下保压30min无泄漏。
实施例3
选取壁厚为0.30mm的1100铝合金多孔微通道扁管，壁厚为3.0mm的6005A铝合金汇流管作为主动冷却结构材料。
本发明实施例的铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构熔焊焊接方法具体包括以下流程：
首先，将铝合金多孔微通道扁管依次进行无水乙醇清洗、超声波水清洗、干燥，采用激光清洗预处理多孔微通道扁管待焊区域表面；将铝合金汇流管依次进行表面酸洗、干燥。
其次，以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管，预热时电流为40A，脉冲频率为10Hz，保护气体流量7L/min，然后采用砂纸打磨预热区域表面；
然后，将铝合金多孔微通道扁管插入汇流管并装配固定，固定时采用圆头顶杆作为夹持工装，避免装配工装夹持装置与扁管、汇流管大面积接触，防止热量被快速传递；
然后，在汇流管表面待焊焊缝中心周围2mm-3mm范围内进行低频脉冲氩弧焊打底焊接。焊丝采用5A06铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm；打底焊接电流为60A，脉冲频率为10Hz；气体流量为7L/min。在焊接过程中，汇流管中通氩气进行保护，气体流量为5L/min。打底焊接时应避免热源、熔池靠近扁管。
最后，采用低频脉冲氩弧焊在打底焊焊缝表面进行堆焊，焊丝采用5A06铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm，焊接电流40A，脉冲频率为10Hz；气体流量7L/min。在焊接过程中，汇流管中通氩气进行保护，气体流量为5L/min。
焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测，焊缝中无裂纹、孔洞、夹杂物等缺陷，表明焊缝内部质量良好。对该结构进行气密性检测，在0.2MPa气压作用下保压30min无泄漏。
实施例4
选取壁厚为0.45mm的1100铝合金多孔微通道扁管，壁厚为3.0mm的3003铝合金汇流管作为主动冷却结构材料。
本发明实施例的铝合金多孔微通道扁管主动冷却结构熔焊焊接方法具体包括以下流程：
首先，将铝合金多孔微通道扁管依次进行无水乙醇清洗、超声波水清洗、干燥，采用激光清洗预处理多孔微通道扁管待焊区域表面；将铝合金汇流管依次进行表面酸洗、干燥。
其次，以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管，预热时电流为40A，脉冲频率为9Hz，保护气体流量6L/min，然后采用砂纸打磨预热区域表面；
然后，将铝合金多孔微通道扁管插入汇流管并装配固定，固定时采用圆头顶杆作为夹持工装，避免装配工装夹持装置与扁管、汇流管大面积接触，防止热量被快速传递；
然后，在汇流管表面待焊焊缝中心周围2mm-3mm范围内进行低频脉冲氩弧焊打底焊接。焊丝采用5A06铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm；打底焊接电流为55A，脉冲频率为8Hz；气体流量为7L/min。在焊接过程中，汇流管中通氩气进行保护，气体流量为5L/min。打底焊接时应避免热源、熔池靠近扁管。
最后，采用低频脉冲氩弧焊在打底焊焊缝表面进行堆焊，焊丝采用5A06铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm，焊接电流40A，脉冲频率为9Hz；气体流量6L/min。在焊接过程中，汇流管中通氩气进行保护，气体流量为5L/min。
焊后，经目视检测焊缝表面无裂纹、飞溅物，表明焊缝表面质量良好。对焊接接头进行X射线无损检测，焊缝中无裂纹、孔洞、夹杂物等缺陷，表明焊缝内部质量良好。对该结构进行气密性检测，在0.2MPa气压作用下保压30min无泄漏。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将主动冷却结构中的铝合金多孔微通道扁管及汇流管进行预处理；
(2)以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管，然后打磨预热区域表面；
(3)将铝合金多孔微通道扁管插入汇流管并装配固定；
(4)在汇流管焊缝中心周围2mm-3mm范围内进行氩弧焊打底焊接，所用电流为30A-60A；
(5)采用氩弧焊进行堆焊，且在焊接过程中汇流管中通过惰性气体进行保护；
铝合金多孔微通道扁管壁厚为0.15mm～0.45mm；
所述步骤(4)和步骤(5)中，焊丝采用铝合金焊丝，焊丝直径0.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，所述步骤(1)中，铝合金多孔微通道扁管预处理过程为依次进行无水乙醇清洗、超声波水清洗、干燥后，再次清洗多孔微通道扁管待焊区域表面；汇流管预处理过程为依次进行表面酸洗、干燥。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，铝合金多孔微通道扁管预处理过程中再次清洗的方式采用激光清洗，以去除待焊区域表面氧化层，防止多孔微通道扁管的薄壁破损。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，所述步骤(2)中，以氩弧焊电弧作为热源预热汇流管所使用电流与堆焊时所使用的电流一致。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，所述步骤(3)中，装配固定所用工装为圆头顶杆，采用圆头顶杆从扁管、汇流管两侧进行固定，避免工装夹持装置与多孔微通道扁管及汇流管大面积接触使得热量被快速传走，影响焊接质量。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，所述步骤(4)和步骤(5)中，均采用低频脉冲氩弧焊，所述低频脉冲氩弧焊频率范围为8Hz-10Hz。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，所述步骤(5)中，堆焊使用的电流为20A-40A。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，所述步骤(4)中，打底焊接使用的电流比步骤(5)中堆焊使用的电流高10A-20A。
9.根据权利要求1所述的一种铝合金多孔微通道主动冷却结构熔焊方法，其特征在于，所述步骤(4)和步骤(5)中，焊枪喷嘴喷出保护气体流量为5-7L/min；在焊接过程中汇流管中通氩气对焊缝背部及汇流管内部通道表面进行保护，气体流量为3-5L/min。
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