CN114289823A - 一种提高7075-t6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超硬铝合金焊接技术领域，公开了一种提高7075‑T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法。该方法为：通过在7075‑T6铝合金厚板中间开出凹槽，在开出的凹槽内放置易焊铝合金条进行辅助焊接，于焊接台上装配后，采用双丝脉冲冷金属过渡的焊接方式对凹槽处焊接。本发明通过在难焊接的7075‑T6超硬铝合金中添加5052/6061易焊铝合金辅助焊接的工艺，降低了7075‑T6铝合金焊接过程的飞溅，提高了电弧稳定性，提高了接头的抗拉强度；通过焊后热处理的方式，最大程度上增强焊接接头的抗拉强度；此焊接工艺下焊缝成效效果良好，焊接电弧稳定，晶粒均匀，热影响区软化小，具有很高的强度和实用性。
Description
技术领域
本发明属于材料工艺技术领域，具体涉及一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法。
背景技术
铝合金具有轻质高强、耐腐蚀、低温韧性好、易于挤压成型、轻盈美观等优点，已成为制造交通运输工具(航空航天飞行器、汽车、船舶等)和轻工建材(幕墙、门窗、护栏等)的主要材料。近年来，随着汽车节能减排要求的提高，轻量化技术蓬勃发展。铝合金以其低密度和高比强度的特点受到广泛关注。铝合金在发展过程中出现种类较多，选择铝合金的牌号与状态时，要根据产品的性能要求、使用环境、加工过程等因素，设定各种性能的优先次序，做到合理选材，保证性能的前提下控制成本。5×××系铝合金和6×××系铝合金具有易加工，耐腐蚀的性能，因而造型丰富美观，在建筑和交通设计时受到工程师的青睐，然而，目前应用最多的5×××系铝合金和6×××系铝合金的强度普遍偏低，热处理后名义屈服强度小于350MPa，由于强度低，设计时导致结构件尺寸偏大，设计目标不易满足等技术问题，7×××系铝合金含锌高，具有超高强度和硬度等优点，逐渐得到了学术界和工程界的关注，被广泛应用于航空航天和汽车制造等领域。其中7×××系铝合金以7075-T6铝合金为代表，在车身结构中具有很大的应用潜力，相较于7075铝合金具有更好的强度，抗拉强度在400～600MPa，名义屈服强度大于400MPa，又因为热处理工序少，从经济性角度7075-T6铝合金也更优于7075-T651铝合金。然而，在7075-T6铝合金大件装配和连结工艺上大大限制了其发展。随着科技的高速发展，交通材料和民用材料对7075-T6铝合金的连结方式提出了更高的要求：高强度、高硬度、耐腐蚀、轻量节能。对于铝合金结构，传统焊接工艺主要为熔化极惰性气体保护焊。但由于7075-T6铝合金具有熔点低，导热和热膨胀系数大、表面易形成氧化膜等特点，熔化焊接性能较差。熔化焊的接头强度低于7075铝合金和7075-T651铝合金。搅拌摩擦焊是英国提出的一种高效、低能耗的固相连结技术，在铝合金焊接过程中有明显优势。然而，受限于焊接装配，搅拌摩擦焊很难是实现户外焊接及非平板焊接等地方。因此众多焊接方式中，熔化极气体保护焊应用一直最广，经济效益最高，对于户外焊接，维修以及便携性，电弧熔化焊始终保持着无可替代的优势。因此提高7075-T6铝合金电弧熔化焊的接头强度、电弧稳定性，提高焊接效率等焊接成型工艺能够成为了超硬铝合金熔化焊领域的重点，进而能最大程度发挥7075-T6铝合金的应用范围。
7075-T6铝合金厚板在受热循环作用会收有更大的热应力，电弧熔化焊接过程中，因成分中含有较高比重的Zn、Mg等低熔点元素，在熔化焊接过程中，极易挥发，影响电弧和熔池稳定，造成巨大飞溅，破坏电弧氛围，造成了电弧不稳定，这使得熔池容易卷入更多的气体，增大焊缝的气孔率，并且飞溅也严重影响了焊缝成型的美观，增加了后续表面清理工作，这些因素很大程度上使得7075-T6铝合金的熔化极气体保护焊变得极为困难。
5052铝合金Mg元素含量为2.2～2.8％，Zn含量≤0.1％和6061铝合金Mg含量为0.8～1.2％，Zn含量为0.25％。相比7075-T6铝合金，5052和6061易焊铝合金含有更低的Mg、Zn含量，减少了元素挥发造成的电弧扰动和飞溅，这对于焊接电弧和熔池的稳定性具有较好的效果。当电弧热作用于易焊铝合金上的飞溅效果要远远优于直接作用于超硬铝合金，焊接的稳定性和气氛保护效果好。使用易焊铝合金辅助超硬铝合金的焊接，易焊铝合金与母材具有相似的组织性能，热循环作用下具有较好的结合效果，超硬铝合金接触电弧热减少，降低了电弧飞溅，使得超硬铝合金满足了实际焊接。
本发明通过在6mm厚7075-T6超硬铝合金对接焊缝中间安置带有V型坡口的5052/6061易焊铝合金条辅助对7075-T6超硬铝合金焊接。7075-T6铝合金在焊接过程中容易出现气孔，热裂纹，飞溅大等较为典型的焊接缺陷，同时会出现因热影响区软化而造成的铝合金焊接接头力学性能下降的问题。分析原因在于过高的热输入。而冷金属过渡技术可以弥补热输入过大的问题，其热输入低，无飞溅，熔滴过渡稳定，焊接变形小，焊缝成型良好。对于厚板焊接，热输入可能不足的问题，需要对冷金属过渡的电弧进行改进，脉冲电弧能够在不明显提高热输入的基础上极大的促进熔深，为7075-T6铝合金厚板焊接提供了有利条件。此外，为了能够在上述基础上不影响工业产能，提高厚板焊接的熔覆率，将双丝焊接的方式引入到7075-T6铝合金厚板焊接过程中，因而，采用了双丝脉冲冷金属过渡焊接的方式。这种方式能够最大程度上降低热输入的大小，降低热影响区软化范围，提高了接头强度，另外，双丝脉冲冷金属过渡的方式促进了熔池的流动和搅拌效果，细化晶粒，降低熔池偏析。通过易焊铝材的辅助，电弧最大热量集中在易焊铝材上，由于较少的低熔点元素存在，使得飞溅降低，电弧更加稳定。熔化易焊铝材能够和超硬铝合金母材实现良好的冶金结合。大大降低了母材的受热，沉淀相元素烧损少；总之，在以上多种优化工艺作用下，能够降低热输入，提高电弧稳定，减少熔池飞溅，促进熔池流动，减少偏析和元素烧损，能够大大提高7075-T6超硬铝合金熔化焊焊接强度。
发明内容
为解决传统电弧熔化焊焊接7075-T6铝合金的接头强度系数低、飞溅大的缺点，本发明首要的目的是提供一种提高超硬铝合金熔化焊接头强度的焊接方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，焊接装配由7075-T6铝合金板与5052/6061铝合金辅助条组合而成；
具体为：通过在7075-T6铝合金厚板中间开出凹槽，在开出的凹槽内放置易焊铝合金条进行辅助焊接，于焊接台上装配后，采用双丝脉冲冷金属过渡的焊接方式对凹槽处焊接。所述易焊铝合金条为5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条中的一种以上。
所述超硬铝合金材料为6mm厚7075-T6超硬铝合金；其中铝的含量为78.9～79.5wt.％，锌含量为6.1wt.％，镁含量为2.2wt.％，铜含量为1.4wt.％及微量元素硅、铁、锰。
进一步地，所述焊接方式焊缝中心的硬度为120.32HV～135.79HV；不经热处理的抗拉强度为341.5MPa～376.2MPa；焊缝系数强度达到72.2％。
本发明中，通过易焊铝合金辅助，热源作用下易焊铝合金与难焊铝合金有效结合，热源最大处存在于易焊铝合金板材上，减少了焊接过程的飞溅和电弧扰动，焊接过程相比于超硬铝合金焊接更加平稳，使得焊缝强度提高。
一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，该方法将5052/6061易焊铝合金置于7075-T6超硬铝合金对接焊缝中心凹槽内，吸收热源，降低母材合金元素烧损，提高电弧稳定性。
一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，包括以下步骤：
(1)在7075-T6超硬铝合金厚板上，沿长边在一侧用车刀车出凹槽；
(2)裁剪易焊铝合金条，在宽度方向中心，铣出坡口；所述易焊铝合金条为5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条中的一种以上；
(3)将7075-T6超硬铝合金厚板与易焊铝合金条用NaOH溶液浸泡，用酒精对表面擦洗，烘干，去除表面氧化膜；所述易焊铝合金条为5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条中的一种以上；
(4)将步骤(1)所得7075-T6铝合金厚板的凹槽对接安装在CMT-Twin焊接上，在凹槽中放置步骤(2)所得的5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条；
(5)用5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条辅助焊接，对7075-T6铝合金进行双丝脉冲冷金属过渡焊接，获得一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法。
上述方法中，步骤(1)中，7075-T6铝合金厚板尺寸为300*100*6～400*150*8mm，沿长边在一侧用车刀车去深度为5～7mm，宽度为5～6mm的槽。优选地，7075-T6铝合金板尺寸为300*100*6mm，沿长边在一侧用车刀车去深度为5mm，宽度为5mm的槽。
上述方法中，步骤(2)中，裁剪5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条，长、宽、高为300*10*5～400*12*7mm，在宽度中心，铣出V型坡口角度为60～90°，坡口深度为4～5mm。优选地，裁剪的5052和6061铝板，长、宽、高为300*10*5mm，在宽度中心，铣出V型坡口角度为60°，坡口深度为4mm。
上述方法中，步骤(3)中，使用的NaOH溶液浓度为5～6％，浸泡时间为15～20min，60～70℃烘干箱中放置2h及以上直至表面完全没有水分。优选地，使用的NaOH溶液浓度为5％，浸泡时间为15min，60℃烘干箱中放置2h。
上述方法中，步骤(4)中，将开有坡口的易焊铝材放入7075-T6铝合金凹槽内，焊接电弧热直接作用于易焊铝合金，使易焊铝合金熔化后与母材通过热传导得到有效连接。
上述方法中，步骤(5)具体焊接工艺参数为：
主、从焊丝：ER5356；
主丝电流大小：230A；
主丝电弧形式：脉冲冷金属过渡；
主丝电流脉冲和短路次数比：7:1；
从丝电流大小：114A；
从丝电弧形式：脉冲冷金属过渡；
从丝电流脉冲和短路次数比：7:1；
焊接速度0.7m/min；
电弧挺度：1；
焊接保护气：氩气(Ar)；
保护气流量：20L/min；
焊接衬垫材料：不锈钢。
本发明的提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过改进焊缝装配形式，在利用与超硬铝合金母材性能相似的易焊铝材，获得良好的冶金结合效果，易焊铝材吸收了主要电弧热，降低了母材低熔点元素的挥发，因此提高了电弧稳定性，促进了沉淀强化相的生成，提高了焊缝的强度。
(2)本发明通过改进工艺方式，通过双丝脉冲冷金属过渡的电弧，双丝焊接的方式提高了焊接熔覆率，冷金属过渡的电弧方式大大降低了热输入，缩减了热影响区软乎范围，双脉冲电弧促进了熔深，增加了熔池了流动，降低了焊缝的偏析，提高焊缝组织性能。
附图说明
图1为实施例1和实施例2中焊件装配图；
图2为实施例3中焊件装配图；
图3为实施例4中焊件装配图。
具体实施方式
在下面的描述中结合具体图示阐述了技术方案以便充分理解本发明申请。但是本发明申请能够以很多不同于在此描述的其他方法来实施，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所做类似推广实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将7075-T6整板裁剪为大小为300*100*6mm的焊接尺寸，于长边侧开5*5*5mm的凹槽，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h。然后将两板沿着长边，将凹槽与凹槽对接，装配在带有不锈钢衬垫的CMT-Twin双丝焊机上。
(2)裁剪5052铝板，尺寸为300*10*5mm的长条，将此长条中心位置开深度为4mm，角度为60°的坡口，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h，然后安置在两块7075-T6铝合金对接板的凹槽内。焊件装配如图1所示。
(3)调整两个焊枪位置，位于坡口正上方，安装ER5356焊丝(伊萨公司提供)，调整焊机参数，主、从丝皆采用脉冲冷金属过渡的电弧形式，主从脉冲与冷金属过渡频率比为7：1，电弧挺度调至1，焊速设为0.7m/min，主丝电流设置为220A，从丝电流为110A，选用氩气保护，气流量为20L/min。
(4)取焊板前、中、后三段，各制备一个拉伸样和硬度样，对焊缝强度和硬度测试。
本实施例的一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法经测量其硬度为132.67HV；根据常温拉伸试验测试，所得抗拉强度为370.34MPa；焊缝强度系数为71.1％。
实施例2
(1)将7075-T6整板裁剪为大小为300*100*6mm的焊接尺寸，于长边侧开5*5*5mm的凹槽，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h。然后将两板沿着长边，将凹槽与凹槽对接，装配在带有不锈钢衬垫的CMT-Twin双丝焊机上。
(2)裁剪5052铝板，尺寸为300*10*5mm的长条，将此长条中心位置开深度为4mm，角度为60°的坡口，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h，然后安置在两块7075-T6铝合金对接板的凹槽内。焊件装配如图1所示。
(3)调整两个焊枪位置，位于坡口正上方，安装ER5356焊丝(伊萨公司提供)，调整焊机参数，主、从丝皆采用脉冲冷金属过渡的电弧形式，主从脉冲与冷金属过渡频率比为7：1，电弧挺度调至1，焊速设为0.7m/min，主丝电流设置为230A，从丝电流为114A，选用氩气保护，气流量为20L/min。
(4)取焊板前、中、后三段，各制备一个拉伸样和硬度样，对焊缝强度和硬度测试。
本实施例的一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法经测量其硬度为135.79HV；根据常温拉伸试验测试，所得抗拉强度为376.20MPa；焊缝强度系数为71.1％。
实施例3
(1)将7075-T6整板裁剪为大小为300*100*6mm的焊接尺寸，于长边侧开5*5*5mm的凹槽，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h。然后将两板沿着长边，将凹槽与凹槽对接，装配在带有不锈钢衬垫的CMT-Twin双丝焊机上。
(2)裁剪6061铝板，尺寸为300*10*5mm的长条，将此长条中心位置开深度为4mm，角度为60°的坡口，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h，然后安置在两块7075-T6铝合金对接板的凹槽内。焊件装配如图2所示。
(3)调整两个焊枪位置，位于坡口正上方，安装ER5356焊丝(伊萨公司提供)，调整焊机参数，主、从丝皆采用脉冲冷金属过渡的电弧形式，主从脉冲与冷金属过渡频率比为7：1，电弧挺度调至1，焊速设为0.7m/min，主丝电流设置为210A，从丝电流为110A，选用氩气保护，气流量为20L/min。
(4)取焊板前、中、后三段，各制备一个拉伸样和硬度样，对焊缝强度和硬度测试。
本实施例的一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法经测量其硬度为128.60HV；根据常温拉伸试验测试，所得抗拉强度为341.50MPa；焊缝强度系数为65.51％。
实施例4
(1)将7075-T6整板裁剪为大小为300*100*6mm的焊接尺寸，于长边侧开5*5*5mm的凹槽，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h。然后将两板沿着长边，将凹槽与凹槽对接，装配在带有不锈钢衬垫的CMT-Twin双丝焊机上。
(2)裁剪6061铝板，尺寸为300*10*5mm的长条，将此长条中心位置开深度为4mm，角度为60°的坡口，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h，然后安置在两块7075-T6铝合金对接板的凹槽内。焊件装配如图2所示。
(3)调整两个焊枪位置，位于坡口正上方，安装ER5356焊丝(伊萨公司提供)，调整焊机参数，主、从丝皆采用脉冲冷金属过渡的电弧形式，主从脉冲与冷金属过渡频率比为7：1，电弧挺度调至1，焊速设为0.7m/min，主丝电流设置为230A，从丝电流为114A，选用氩气保护，气流量为20L/min。
(4)取焊板前、中、后三段，各制备一个拉伸样和硬度样，对焊缝强度和硬度测试。
本实施例的一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法经测量其硬度为131.63HV；根据常温拉伸试验测试，所得抗拉强度为353.28MPa；焊缝强度系数为67.80％。
实施例5
(1)将7075-T6整板裁剪为大小为300*100*6mm的焊接尺寸，于长边侧开5*5*5mm的凹槽，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h。然后将两板沿着长边，将凹槽与凹槽对接，装配在带有不锈钢衬垫的CMT-Twin双丝焊机上。
(2)裁剪6061铝板，尺寸为300*5*5mm的长条，将此长条中心位置开深度为4mm，角度为30°的坡口，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h，然后安置在两块7075-T6铝合金对接板的凹槽内一侧。裁剪5052铝板，尺寸为300*5*5mm的长条，将此长条一侧位置开深度为4mm，角度为30°的坡口，放入5％浓度的NaOH溶液中浸泡15min，酒精清洗后在60℃下烘干2h，然后安置在两块7075-T6铝合金对接板的凹槽内另一侧，使得5052铝合金的条坡口侧与6061铝合金条的坡口侧相对，放置在两块7075-T6铝合金板的凹槽内。焊件装配如图3所示。
(3)调整两个焊枪位置，位于坡口正上方，安装ER5356焊丝(伊萨公司提供)，调整焊机参数，主、从丝皆采用脉冲冷金属过渡的电弧形式，主从脉冲与冷金属过渡频率比为7：1，电弧挺度调至1，焊速设为0.7m/min，主丝电流设置为210A，从丝电流为114A，选用氩气保护，气流量为20L/min。
(4)取焊板前、中、后三段，各制备一个拉伸样和硬度样，对焊缝强度和硬度测试。
本实施例的一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法经测量其硬度为128.50HV；根据常温拉伸试验测试，所得抗拉强度为368.92MPa；焊缝强度系数为70.81％。
Claims (10)
1.一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于，通过在7075-T6铝合金厚板中间开出凹槽，在开出的凹槽内放置易焊铝合金条进行辅助焊接，于焊接台上装配后，采用双丝脉冲冷金属过渡的焊接方式对凹槽处焊接。
2.根据权利要求1所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于，所述易焊铝合金条为5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条中的一种以上。
3.根据权利要求1所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于，焊接材料焊缝中心的硬度为120.32HV～135.79HV；不经热处理的抗拉强度为341.5MPa～376.2MPa；焊缝系数强度达到72.2％。
4.根据权利要求1所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于：通过易焊铝合金辅助，热源作用下易焊铝合金与难焊铝合金能够有效结合，热源最大处存在于易焊铝合金板材上，减少了对难焊铝合金的热输入，减少了焊接过程的飞溅和电弧扰动，焊接过程相比于超硬铝合金焊接更加平稳，使得焊缝强度提高。
5.根据权利要求4所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在7075-T6超硬铝合金厚板上，沿长边在一侧用车刀车出凹槽；
(2)裁剪易焊铝合金条，在宽度方向中心，加工出坡口；所述易焊铝合金条为5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条中的一种以上；
(3)将7075-T6超硬铝合金厚板与易焊铝合金条用NaOH溶液浸泡，用酒精对表面擦洗，烘干，去除表面氧化膜；所述易焊铝合金条为5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条中的一种以上；
(4)将步骤(1)所得7075-T6铝合金厚板的凹槽对接安装在CMT-Twin焊接上，在凹槽中放置步骤(2)所得的5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条；
(5)用5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条辅助焊接，对7075-T6铝合金进行双丝脉冲冷金属过渡焊接，获得一种提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法。
6.根据权利要求5所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于：步骤(1)中，7075-T6铝合金厚板尺寸为300*100*6～400*150*8mm，沿长边在一侧用车刀车去深度为5～7mm，宽度为5～6mm的槽。
7.根据权利要求5所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于：步骤(2)中，裁剪5052易焊铝合金条和6061易焊铝合金条，长、宽、高为300*10*5～400*12*7mm，在宽度中心，铣出V型坡口角度为60～90°，坡口深度为4～5mm。
8.根据权利要求5所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于：步骤(3)中，使用的NaOH溶液浓度为5～6％，浸泡时间为15～20min，60～70℃烘干箱中放置2h及以上直至表面完全没有水分。
9.根据权利要求5所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于：
步骤(4)中，将开有坡口的易焊铝材放入7075-T6铝合金凹槽内，焊接电弧热直接作用于易焊铝合金，使易焊铝合金熔化后与母材通过热传导得到有效连接。
10.根据权利要求5所述提高7075-T6超硬铝合金厚板熔焊接头性能的方法，其特征在于：
步骤(5)具体焊接工艺参数为：
主、从焊丝：ER5356；
主丝电流大小：230A；
主丝电弧形式：脉冲冷金属过渡；
主丝电流脉冲和短路次数比：7:1；
从丝电流大小：114A；
从丝电弧形式：脉冲冷金属过渡；
从丝电流脉冲和短路次数比：7:1；
焊接速度0.7m/min；
电弧挺度：1；
焊接保护气：氩气；
保护气流量：20L/min；
焊接衬垫材料：不锈钢。
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