CN112680682B

CN112680682B - 一种铝合金焊接件的表面处理方法

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Publication number: CN112680682B
Application number: CN202011485101.4A
Authority: CN
Inventors: 陈刚; 张立君; 杨晓禹; 王红杰; 吴瑜
Original assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Current assignee: China Weapon Science Academy Ningbo Branch
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: CN112680682A

Abstract

本发明公开了一种铝合金焊接件的表面处理方法，其特征在于包括以下步骤：1)采用超声冲击设备对铝合金焊接件焊缝两侧的热影响区进行超声冲击，热影响区为四个区域，分别为焊接件A面焊缝两侧的A1区和A2区，焊接件B面焊缝两侧的B1区和B2区，其中A1区与B1区位于焊缝的同一侧，A2区与B2区位于焊缝的同一侧，冲击顺序依次为A1区、B1区、A2区、B2区。本发明通过分区域并按照一定区域顺序进行超声冲击，增加抗应力腐蚀的能力。采用分区域并按照一定区域顺序进行微弧氧化，有效的解决铝合金焊接件在服役过程中海洋环境中应力腐蚀和腐蚀疲劳性能的问题。

Description

一种铝合金焊接件的表面处理方法

技术领域

本发明属于焊接件的表面处理技术领域，具体涉及一种铝合金焊接件的表面处理方法。

背景技术

近年来，随着社会经济的快速发展，全球能源消耗量不断增加。铝合金密度低、比强度高，在船舶、汽车、列车等领域采用铝合金结构件能大大降低结构重量，从而降低能源消耗量。焊接是实现铝合金结构连接的重要方式，而焊接过程是一个复杂的非平衡加热冷却过程，焊件受到不均匀加热产生应力和变形。尤其是在厚板的铝合金焊接过程中，由于板厚导致焊接量比较大，残余应力也相对较大，由于较高的残余应力，高强铝合金在大气与海洋环境下更容易发生应力腐蚀与降低腐蚀疲劳，从而铝合金焊接件发生开裂。

现有的焊接结构件通过降低应力腐蚀与降低腐蚀疲劳来改善焊接件发生开裂的风险，如通过振动时效、超声冲击降低残余应力，但因方法控制不当，不能有效地控制焊接件的应力腐蚀，而微弧氧化、PVD技术、阳极氧化等可以有效降低腐蚀疲劳，提高疲劳寿命，降低铝合金焊接发生开裂的可能，但在焊接件处理过程中，因方法控制不当，提高疲劳寿命的作用不明显。因此，现有的铝合金焊接件无法满足对应力腐蚀与腐蚀疲劳应用较高的技术领域。

因此，针对现有铝合金焊接件的应力腐蚀与腐蚀疲劳性能需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应力腐蚀与腐蚀疲劳性能优异的铝合金焊接件的表面处理方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种铝合金焊接件的表面处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用超声冲击设备对铝合金焊接件焊缝两侧的热影响区进行超声冲击，热影响区为四个区域，分别为焊接件A面焊缝两侧的A1区和A2区，焊接件B面焊缝两侧的B1区和B2区，其中A1区与B1区位于焊缝的同一侧，A2区与B2区位于焊缝的同一侧，冲击顺序依次为A1区、B1区、A2区、B2区；

2)采用超声冲击设备对铝合金焊接件的焊缝进行超声冲击，超声冲击焊接件A面焊缝后再超声冲击焊接件B面焊缝；

3)将焊接件清洗、晾干；

4)采用微弧氧化对焊接件分区域进行处理，焊接件有5个区域，从下到上依次为位于A1区与B1区下侧的Ⅰ区、A1区与B1区、焊缝、A2区与B2区、位于A2区与B2区上侧的Ⅱ区；微弧氧化的顺序依次为：将Ⅰ区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后翻焊接件，将Ⅱ区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后浸入A2区与B2区，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后翻焊接件，将A1区与B1区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；最后将焊接件全部浸入到电解液中进行微弧氧化；

5)微弧氧化处理结束后，将焊接件清洗、干燥。

作为优选，步骤1)中所述A1区、A2区、B1区、B2区为距离焊缝30～50mm的区域；每个区域超声冲击两次，第一次超声冲击电流为1.0～1.8A，超声冲击速度为30～50mm/min，超声冲击时间为(L/30)min～(L/10)min；第二次超声冲击电流为2.0～2.5A，超声冲击速度为30～50mm/min，超声冲击时间为(L/30)min～(L/10)min，其中L为焊接件的长度。L的单位为mm。超声冲击针对热影响区进行，首先采用小电流对热影响区进行冲击，然后再用大电流进行超声冲击对其进行进一步超声冲击，以获得更均匀的表面质量与残余应力的逐渐释放。

作为优选，步骤2)中焊缝处超声冲击电流为2.0～2.8A，超声冲击速度为30～50mm/min，超声冲击时间为(L/60)min～(L/30)min，其中L为焊接件的长度。L的单位为mm。由于焊缝处的残余应力较大并且焊缝处往往硬度较高，所以需要采用较大能量的超声冲击进行。

作为优选，步骤4)中所述Ⅰ区、Ⅱ区的浸入速度为5～10mm/min，所述A1区与B1区、A2区与B2区的浸入速度为2～4.9mm/min。由于Ⅰ区、Ⅱ区是母材位置，并没有经过超声处理，并且是先处理区域，所以浸入速度较快一些；而A1区与B1区、A2区与B2区经过了超声冲击，微弧氧化成形相对较慢，并且是后处理区域，所以浸入速度相对较慢。

作为优选，步骤4)中所述微弧氧化的电解液含有硅酸钠15～40g/L，磷酸钠15～40g/L，氢氧化钠0.5～10g/L，高锰酸钾0.3～7g/L，钨酸钠0.5～3g/L和去离子水。

作为优选，步骤4)中所述微弧氧化采用双脉冲微弧氧化电源对样品进行微弧氧化处理，不锈钢作为阴极，焊接件作为阳极，电解液温度低于25℃。

作为优选，步骤4)中所述Ⅰ区、A1区与B1区、A2区与B2区、Ⅱ区微弧氧化工艺参数：电压为250～350V，频率450～500Hz，占空比为10～20％；焊接件全部浸入到电解液中进行微弧氧化的工艺参数为：电压为350～500V，频率为400～500Hz，占空比为10～20％。通过低电压在除了焊缝的其他区域先成膜，而后采用大的电压对整体进行微弧氧化，这样得到的膜层更为均匀。

采用本发明表面处理后的铝合金焊接件在应力水平为180MPa，应力腐蚀溶液为5g/L的NaCl溶液的条件下，应力腐蚀时间在650h以上。

采用本发明表面处理后的铝合金焊接件在应力水平为100MPa，应力比R为0.06的条件下，疲劳寿命达到1.0×10⁸以上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过分区域并按照一定区域顺序进行超声冲击，可以将不同区域的焊接残余应力更好地释放，降低残余应力，增加抗应力腐蚀的能力。采用分区域并按照一定区域顺序进行微弧氧化，得到的微弧氧化膜层更均匀。采用超声冲击与微弧氧化复合表面处理工艺，有效的解决铝合金焊接件在服役过程中海洋环境中应力腐蚀和腐蚀疲劳性能的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中铝合金焊接件的示意图；其中，T为厚度。

图2为本发明实施例中铝合金焊接件的热影响区的范围；

图3为本发明实施例中焊接件A面的超声冲击区域和微弧氧化区域示意图；

图4为本发明实施例中焊接件B面的超声冲击区域和微弧氧化区域示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1至实施例3的铝合金焊接件采用本发明表面处理方法，包括以下步骤：

1)采用超声冲击设备对铝合金焊接件焊缝两侧的热影响区进行超声冲击，热影响区为四个区域，分别为焊接件A面焊缝两侧的A1区和A2区，焊接件B面焊缝两侧的B1区和B2区，其中A1区与B1区位于焊缝的同一侧，A2区与B2区位于焊缝的同一侧，冲击顺序依次为A1区、B1区、A2区、B2区；参见图2、图3、图4。

3)将完成超声冲击的焊接件采用丙酮或酒精进行洗涤，之后进行超声波水洗，再用酒精或丙酮进行洗涤，洗涤完成用去离子水冲洗，完成后进行晾干；

4)采用微弧氧化对焊接件分区域进行处理，采用双脉冲微弧氧化电源对样品进行微弧氧化处理，不锈钢作为阴极，试件作为阳极，电解液温度始终保持低于25℃。焊接件有5个区域，从下到上依次为位于A1区与B1区下侧的Ⅰ区、A1区与B1区、焊缝、A2区与B2区、位于A2区与B2区上侧的Ⅱ区；微弧氧化的顺序依次为：将Ⅰ区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后翻焊接件，将Ⅱ区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后浸入A2区与B2区，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后翻焊接件，将A1区与B1区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；最后将焊接件全部浸入到电解液中进行微弧氧化；参见图3、图4。

5)微弧氧化处理结束后，将焊接件用去离子水冲洗，随后干燥。

对比例1采用传统的超声冲击对铝合金焊接件进行表面处理，即先冲击完焊接件的A面(包括热影响区和焊缝)，再冲击焊接件的B面(包括热影响区和焊缝)，实施例与对比例1的超声冲击具体参数控制见表1。

对比例2采用传统微弧氧化对铝合金焊接件进行表面处理，即将铝合金焊接件一次性浸入到电解液中，实施例和对比例2的电解液以及微弧氧具体参数控制分别见表2、表3。

采用电子万能试验机对实施例与对比例中的试样进行应力腐蚀试验，选取应力水平为180MPa，应力腐蚀溶液为5g/L的NaCl溶液，其结果如表4所示。从表4中可以看出，实施例1～3的应力腐蚀性能均比对比例1～2的应力腐蚀性能有较大的提高，而应力腐蚀性能最好的实施例2较对比例1的应力腐蚀性能提高了97.97％，比对比例2的应力腐蚀性能提高了55.54％。

疲劳试验在MTS Landmark 370.10疲劳实验系统完成，应力水平为100MPa，应力比R为0.06，当试样寿命达到1.0×10⁸则试验中止，其结果如表4所示。从表4中可以看出，实施例1～3都未发生断裂，对比例1～2发生了断裂，疲劳寿命低于1.0×10⁸。

表1实施例与对比例1的焊接件尺寸以及超声冲击工艺参数

表2实施例与对比例2的微弧氧化电解液参数

表3实施例与对比例2的微弧氧化工艺参数

表4实施例与对比例的应力腐蚀与疲劳性能

编号	应力腐蚀/h	疲劳寿命
			实施例1	654.3	1.0×10<sup>8</sup>
实施例2	701	1.0×10<sup>8</sup>
			实施例3	683.8	1.0×10<sup>8</sup>
对比例1	354.6	7.08×10<sup>7</sup>
			对比例2	450.7	8.286×10<sup>6</sup>

Claims

1.一种铝合金焊接件的表面处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用超声冲击设备对铝合金焊接件焊缝两侧的热影响区进行超声冲击，热影响区为四个区域，分别为焊接件A面焊缝两侧的A1区和A2区，焊接件B面焊缝两侧的B1区和B2区，其中A1区与B1区位于焊缝的同一侧，A2区与B2区位于焊缝的同一侧，冲击顺序依次为A1区、B1区、A2区、B2区；所述A1区、A2区、B1区、B2区为距离焊缝30～50mm的区域；每个区域超声冲击两次，第一次超声冲击电流为1.0～1.8A，超声冲击速度为30～50mm/min，超声冲击时间为(L/30)min～(L/10)min；第二次超声冲击电流为2.0～2.5A，超声冲击速度为30～50mm/min，超声冲击时间为(L/30)min～(L/10)min，其中L为焊接件的长度；

2)采用超声冲击设备对铝合金焊接件的焊缝进行超声冲击，超声冲击焊接件A面焊缝后再超声冲击焊接件B面焊缝；焊缝处超声冲击电流为2.0～2.8A，超声冲击速度为30～50mm/min，超声冲击时间为(L/60)min～(L/30)min，其中L为焊接件的长度；

3)将焊接件清洗、晾干；

4)采用微弧氧化对焊接件分区域进行处理，焊接件有5个区域，从下到上依次为位于A1区与B1区下侧的Ⅰ区、A1区与B1区、焊缝、A2区与B2区、位于A2区与B2区上侧的Ⅱ区；微弧氧化的顺序依次为：将Ⅰ区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后翻焊接件，将Ⅱ区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后浸入A2区与B2区，直至微弧氧化不再产生电火花停止；然后翻焊接件，将A1区与B1区浸入到微弧氧化电解液中，直至微弧氧化不再产生电火花停止；最后将焊接件全部浸入到电解液中进行微弧氧化；所述Ⅰ区、Ⅱ区的浸入速度为5～10mm/min，所述A1区与B1区、A2区与B2区的浸入速度为2～4.9mm/min；

5)微弧氧化处理结束后，将焊接件清洗、干燥。

2.根据权利要求1所述的铝合金焊接件的表面处理方法，其特征在于：步骤4)中所述微弧氧化的电解液含有硅酸钠15～40g/L，磷酸钠15～40g/L，氢氧化钠0.5～10g/L，高锰酸钾0.3～7g/L，钨酸钠0.5～3g/L和去离子水。

3.根据权利要求1所述的铝合金焊接件的表面处理方法，其特征在于：步骤4)中所述微弧氧化采用双脉冲微弧氧化电源对样品进行微弧氧化处理，不锈钢作为阴极，焊接件作为阳极，电解液温度低于25℃。

4.根据权利要求1所述的铝合金焊接件的表面处理方法，其特征在于：步骤4)中所述Ⅰ区、A1区与B1区、A2区与B2区、Ⅱ区微弧氧化工艺参数：电压为250～350V，频率450～500Hz，占空比为10～20％；焊接件全部浸入到电解液中进行微弧氧化的工艺参数为：电压为350～500V，频率为400～500Hz，占空比为10～20％。