CN114054960B - 一种钛与铝的超威弧mig+激光双面复合高速焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法。本发明焊前用角磨机在钛板侧边开V型坡口,然后清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜,使待焊表面光洁、干燥并且无杂质;用工装夹具将钛板与铝板对接固定,进行双面复合高速焊接;焊接结束后,被焊工件在自然条件下冷却至室温;冷却后,打开工装夹具,取下工件。本发明用自动送丝的超威弧MIG焊正面施焊,同步用激光焊背面施焊,目的是提高焊接效率,降低工件厚度方向的组织性能差异,获得力学性能优良的钛/铝焊接接头。
Description
技术领域
本发明涉及一种异种金属的高速、高效焊接方法,具体涉及一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,属于金属材料的复合焊接技术领域。
背景技术
钛与铝均属于轻质、高强度耐腐蚀金属材料,大量应用在航空航天及高档汽车工业中,钛/铝轻量化焊接结构具有广泛的应用前景。但由于钛与铝的冶金不相溶性和脆性金属间化合物问题,采用传统熔焊技术进行钛与铝的焊接很困难。人们尝试用搅拌摩擦焊、激光焊等将钛与铝焊接在一起,获得了力学性能较佳的接头,但面临着对焊接设备要求高、焊接结构单一等问题。
在航空航天和高档汽车工业中,钛/铝复合结构可替代传统的钢结构,提高军/民用飞机、高档汽车等现代化交通工具的推重比,对运载设备轻量化、节能减排等有重大的实际意义。实现钛/铝复合结构的可靠焊接,会大大推动钛与铝轻量化复合结构在飞机、高档汽车等交通工具制造等领域的应用。
近年来,熔钎焊工艺被用于钛与铝的焊接,经过系统的研究,发现钛与铝熔钎焊面临着工件厚方向组织性能不均匀的关键问题。部分研究人员尝试用激光穿透焊进行钛与铝的熔钎焊,但这要求必须使用大功率激光进行高速焊接,对设备要求高。
发明内容
针对目前钛与铝熔钎焊技术的不足,为了降低设备要求,本发明提供一种采用正面超威弧MIG+背面低功率激光的双面复合焊接进行钛与铝的薄板对接熔钎焊。超威弧MIG焊技术的特点是运用精细波形控制技术强制降低弧压来减少弧长,获得一种能量集中、方向性强的焊接电弧,实现了熔滴的短弧喷射过渡,可以进行薄板的高速焊接;利用本发明的方法可以实现钛与铝板的可靠焊接,形成的焊接接头质量稳定、力学性能较高,以满足轻量化工程结构对钛/铝焊接的需求。
本发明采用正面超威弧MIG+背面低功率激光双面复合焊进行钛与铝的薄板对接熔钎焊,具有以下特点:(1)双侧焊接热源均可实现高速焊接、提高焊接效率;(2)低功率激光背面同步焊接,不仅降低了设备要求,还能促进液态金属润湿铺展,改善背面焊缝成形;(3)利用双面热源的协同和耦合效应,灵活地调控焊缝成形和Ti/Al界面组织性能;(4)双面加热利于降低焊接热输入,减少脆性金属间化合物的生成,降低焊接应力。具备上述特点的复合焊工艺,恰恰能降低钛与铝焊接时板厚方向组织性能的差异,提高焊接接头的力学性能。
本发明提供了一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,用自动送丝的超威弧MIG焊正面施焊,同步用激光焊背面施焊,目的是提高焊接效率,降低工件厚度方向的组织性能差异,获得力学性能优良的钛/铝焊接接头。
本发明提供的一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,具体包括以下步骤:
1)焊前用角磨机在钛板侧边开V型坡口,然后清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜,使待焊表面光洁、干燥并且无杂质;
2)用工装夹具将钛板与铝板对接固定,进行双面复合高速焊接;焊接工艺参数为:超威弧MIG焊用直径1.2 mm的ER5183焊丝,焊丝向铝侧偏移0.6mm,焊丝伸出长度10~12mm,送丝速率为10~11.5m/min;超威弧MIG焊焊接线能量1.1 ~ 1.25 kJ/cm;激光光斑直径2mm,光束向铝侧偏移0.5mm,离焦量为0mm;激光焊焊接线能量0.13 ~ 0.17 kJ/cm;焊缝正、背双面用惰性气体保护;
3)焊接结束后,被焊工件在自然条件下冷却至室温;冷却后,打开工装夹具,取下工件。
其中,所述步骤1)中,钛板V型坡口角度为35~40°,钝边高度为0.2mm~0.3mm。
此外,所述步骤1)中,钛板表面的处理方法是:先用钢丝刷精磨钛板待焊表面,直至全部露出金属光泽;然后用混合酸溶液酸洗3~5 min;酸洗完成后,用无水丙酮冲洗并晾干。所述混合酸溶液为体积分数硝酸40%、氢氟酸5%的水溶液,可用常规浓度的硝酸、氢氟酸与纯净水混合配比稀释。
再者,所述步骤1)中,铝板及焊丝表面的处理方法是:先用氢氧化钠温水溶液碱洗3~5min;取出后,再用体积分数硝酸30%的水溶液进行光亮处理2~3min;最后用无水丙酮冲洗并晾干。其中碱洗所用氢氧化钠温水溶液中,氢氧化钠的质量分数为10 %,可用分析纯度的颗粒状/片状氢氧化钠与纯净水进行溶解配比;氢氧化钠水溶液温度为50~60℃。
所述步骤2)中,钛板与铝板对接固定方式是:采用不锈钢+铜复合工装夹具将待焊工件夹紧,钛板与铝板不留间隙对接;待焊工件侧倾角度控制在5~10°;焊缝背面留有宽度为20 mm的激光加工间隙。
所述步骤2)中,双面复合高速焊接工艺中,试板正面用自动送丝的超威弧MIG焊施焊;试板背面同步用低功率的激光焊施焊。正面超威弧MIG焊和背面激光焊的焊接速率同为180 cm/min。
所述步骤2)中,超威弧MIG焊用ER5183焊丝的化学成分含量是:以质量百分比计,4.7% Mg,0.8% Mn,0.3 % Si,0.3 % Fe,0.17% Zn,0.14% Ti,0.08% Cu,0.11% Cr,余量为Al。
另外,所述步骤2)中,双面惰性气体保护方式是:正面超威弧MIG焊用体积分数Ar80% + He20%的混合气体保护,气体流量是20 L/min;背面激光焊用高纯Ar(99.999vol.%)气体保护,气体流量是15 L/min。
本发明的有益效果:
(1)采用本发明的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,填充ER5183焊丝实现了钛与铝异种金属的对接熔钎焊,并且形成的钛/铝焊接接头界面结合可靠、焊接质量稳定;
(2)本发明提出的钛与铝异种金属的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,用自动送丝的超威弧MIG焊正面施焊,同步用低功率激光焊背面施焊,降低了焊接工艺对设备的要求;显著提高了焊接效率;降低了工件厚度方向结合界面的组织差异,可以制得力学性能优良的钛/铝焊接接头;
(3)经过试验测试:钛与铝对接接头的平均抗拉强度超过了250MPa,能够满足航空航天、高档汽车的轻量化工程结构对钛/铝焊接接头的质量需求。
附图说明
图1为实施例1中TA2钛/1060铝双面复合焊接头正、背面焊缝成形图;
图2为实施例1中TA2钛/1060铝接头拉伸测试结果图;
图3为实施例1中TA2钛/1060铝接头载荷-应变曲线图;
图4为实施例2中TC4钛/5A06铝双面复合焊接头正、背面焊缝成形图;
图5为实施例2中TC4钛/5A06铝接头拉伸测试结果图。
图6为实施例2中TC4钛/5A06铝接头应力-应变曲线图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明优选技术方案,并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1:纯钛与纯铝的高速焊接
厚度为2.5mm的工业纯钛(TA2)板与厚度为2.5mm的工业纯铝(1060)板对接焊,被焊钛板与铝板的长度都是150mm,宽度都是100mm。
具体的焊接工艺步骤如下:
1)焊前用角磨机在钛板侧边开35°V型坡口,钝边约0.2mm;
2)用钢丝刷精磨钛板待焊表面,直至全部露出金属光泽,然后用体积分数硝酸40%、氢氟酸5%的水溶液浸洗3 min,最后用无水丙酮冲洗并晾干。将铝板及焊丝先用60℃的,氢氧化钠质量分数为10 %的水溶液浸洗3min;取出后,再用体积分数硝酸30%的水溶液进行光亮处理3min;最后用无水丙酮冲洗并晾干。以清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜。
3)采用不锈钢+铜复合工装夹具将待焊工件夹紧,钛板与铝板不留间隙对接;待焊工件侧倾角度控制在10°。
4)采用EWM-Alpha Q351焊机的超威弧模式进行正面施焊,主要焊接工艺参数为:选用直径1.2 mm的ER5183焊丝,焊丝向铝侧偏移0.6mm,焊丝伸出长度10mm,焊丝送进速率为10.2m/min;焊接线能量1.14 kJ/cm;用80 vol.%Ar + 20 vol.%He混合气体保护,气体流量是20 L/min。采用IPG-YLR-2000型激光器进行背面施焊,激光焊焊接线能量0.13 kJ/cm,光束离焦量为0mm;用高纯Ar(99.999vol.%)气体保护,气体流量是15 L/min。
5)焊接结束后,被焊工件在自然条件下冷却至室温;冷却后,打开工装夹具,取下工件。
如图1所示,得到的纯钛板与工业纯铝板复合焊接头的焊缝正面宽度7±0.5mm,焊缝背面宽度4±0.2mm。经测试,如图2~3所示,钛/铝对接接头的极限抗拉强度超过了95MPa,并且全部断裂于纯铝母材中。焊接接头的抗拉强度达到了1060铝的强度,完全能够满足对钛与铝焊接接头的质量要求。
实施例2:纯钛与纯铝的高速焊接
厚度为3mm的钛合金(TC4)板与厚度为3mm的防锈铝合金(5A06)板对接焊,被焊钛板与铝板的长度都是150mm,宽度都是100mm。
具体的焊接工艺步骤如下:
1)焊前用角磨机在钛板侧边开35°V型坡口,钝边高度约0.3mm;
2)用钢丝刷精磨钛板待焊表面,直至全部露出金属光泽,然后用体积分数硝酸40%、氢氟酸5%的水溶液浸洗3 min,最后用无水丙酮冲洗并晾干。将铝板及焊丝先用60℃的,氢氧化钠质量分数为10 %的水溶液浸洗3min;取出后,再用体积分数硝酸30%的水溶液进行光亮处理3min;最后用无水丙酮冲洗并晾干。以清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜。
3)采用不锈钢+铜复合工装夹具将待焊工件夹紧,钛板与铝板不留间隙对接;待焊工件侧倾角度控制在10°。
4)采用EWM-Alpha Q351焊机的超威弧模式进行正面施焊,主要焊接工艺参数为:选用直径1.2 mm的ER5183焊丝,焊丝向铝侧偏移0.6mm,焊丝伸出长度10mm,焊丝送进速率为11.5m/min;焊接线能量1.21 kJ/cm;用80 vol.%Ar + 20 vol.%He混合气体保护,气体流量是20 L/min。采用IPG-YLR-2000型激光器进行背面施焊,激光焊焊接线能量0.17 kJ/cm,光束离焦量为0mm;用高纯Ar(99.999vol.%)气体保护,气体流量是15 L/min。
5)焊接结束后,被焊工件在自然条件下冷却至室温;冷却后,打开工装夹具,取下工件。
如图4所示,得到的纯钛板与工业纯铝板复合焊接头的焊缝正面宽度8±0.5mm,焊缝背面宽度4±0.2mm。经测试,如图5~6所示,钛/铝对接接头的平均抗拉强度为262MPa,断裂位置在钛/铝结合界面附近。焊接接头的抗拉强度超过了250MPa,能够满足对钛与铝焊接接头的质量要求。
Claims (8)
1.一种钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,其特征在于包括以下步骤:
1)焊前用角磨机在钛板侧边开V型坡口,然后清除钛板、铝板及焊丝表面的油污和氧化膜,使待焊表面光洁、干燥并且无杂质;
2)用工装夹具将钛板与铝板对接固定,进行双面复合高速焊接:试板正面用自动送丝的超威弧MIG焊施焊;试板背面同步用低功率的激光焊施焊,目的是提高焊接效率,降低工件厚度方向的组织性能差异,获得力学性能优良的钛/铝焊接接头;
焊接工艺参数为:超威弧MIG焊用直径1.2 mm的ER5183焊丝,焊丝向铝侧偏移0.6mm,焊丝伸出长度10~12mm,送丝速率为10~11.5m/min;超威弧MIG焊焊接线能量1.1 ~ 1.25 kJ/cm;激光光斑直径2mm,光束向铝侧偏移0.5mm,离焦量为0mm;激光焊焊接线能量0.13 ~0.17 kJ/cm;焊缝正、背双面用惰性气体保护;
双面复合高速焊接工艺中,正面超威弧MIG焊和背面激光焊的焊接速率同为180 cm/min;
3)焊接结束后,被焊工件在自然条件下冷却至室温;冷却后,打开工装夹具,取下工件。
2.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,其特征在于:所述步骤1)中,钛板V型坡口角度为35~40°,钝边高度为0.2mm~0.3mm。
3.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,其特征在于:所述步骤1)中,钛板表面的处理方法是:先用钢丝刷精磨钛板待焊表面,直至全部露出金属光泽;然后用混合酸溶液酸洗3~5 min;酸洗完成后,用无水丙酮冲洗并晾干。
4.根据权利要求3所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,其特征在于:所述混合酸溶液为体积分数:硝酸40%、氢氟酸5%的水溶液,可用常规浓度的硝酸、氢氟酸与纯净水混合配比稀释。
5.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,其特征在于:所述步骤1)中,铝板及焊丝表面的处理方法是:先用氢氧化钠温水溶液碱洗3~5min;取出后,再用体积分数硝酸30%的水溶液进行光亮处理2~3min;最后用无水丙酮冲洗并晾干;其中碱洗所用氢氧化钠温水溶液中,氢氧化钠的质量分数为10 %,可用分析纯度的颗粒状/片状氢氧化钠与纯净水进行溶解配比;氢氧化钠水溶液温度为50~60℃。
6.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,其特征在于:所述步骤2)中,钛板与铝板对接固定方式是:采用不锈钢+铜复合工装夹具将待焊工件夹紧,钛板与铝板不留间隙对接;待焊工件侧倾角度控制在5~10°;焊缝背面留有宽度为20mm的激光加工间隙。
7.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,其特征在于:所述步骤2)中,超威弧MIG焊用ER5183焊丝的化学成分含量是:以质量百分比计,4.7%Mg,0.8% Mn,0.3 % Si,0.3 % Fe,0.17% Zn,0.14% Ti,0.08% Cu,0.11% Cr,余量为Al。
8.根据权利要求1所述的钛与铝的超威弧MIG+激光双面复合高速焊接方法,其特征在于:所述步骤2)中,双面惰性气体保护方式是:正面超威弧MIG焊用体积分数Ar80% + He20%的混合气体保护,气体流量是20 L/min;背面激光焊用高纯Ar、99.999vol.%气体保护,气体流量是15 L/min。
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