CN115609133B - 一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，用于两个7075铝合金板料的连接，包括放置中间层、固定安装、调整电子枪位置、焊接室抽真空、调节工作距离和聚焦束流、编制运行程序、运行程序、保持真空和时效处理的步骤。本发明具有焊接工艺简单、焊接接头抗拉强度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金焊接技术领域，更具体涉及一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法。
背景技术
随着全球先进制造技术的飞速发展，在汽车、航空航天等制造业中对产品的性能要求与日俱增，同时受环境和能源两大压力的不断增大，相对发展滞后的材料科学难以满足日益增长的矛盾。工业生产中的应对措施有：第一，使用性能更加优异的材料；第二，改进和引入先进合理的装备技术制造工艺，以满足新时期生产建设的内在要求。因此，各种高性能的优质合金材料以及复合材料在航空航天、微电子及国防工业崭露头角并扮演着重要的角色而长盛不衰。
铝合金除具有铝的一般特性外，由于添加合金化元素的种类和数量的不同又具有一些合金的具体特性。铝合金的密度为2.63～2.85g/cm3，有较高的强度(σb为110～650MPa)，有良好的铸造性能和塑性加工性能，良好的导电、导热性能，良好的耐蚀性和可焊性，可作结构材料使用，在航天、航空、交通运输、建筑、机电、轻化和日用品中有着广泛的应用，较为广泛的有2XXX系、5XXX系、6XXX系和7XXX系等铝合金。
7075铝合金是一种超高强度铝合金，属Al-Zn-Mg-Cu系铝合金，具有比强度高（σb≥540MPa）、抗腐蚀性能好、韧性好、易成形等优点，已广泛应用于航空航天、船舶、车辆等工业领域。因熔点低、热传导系数大、热膨胀率高，在常规熔化焊时容易出现焊缝裂纹倾向大、气孔、焊接结构残余应力和残余变形较大等缺陷。由于含有合金元素种类多，缺口敏感性大，焊接完毕后接头的强度相比于母材明显降低，接头软化问题较为严重，达不到与母材等强的要求，从而影响了整个工件的使用寿命，很大程度上限制了其在工业领域的进一步应用，所以探究适合于7075铝合金焊接方法十分重要。焊接方法有TIG焊、MIG焊、激光焊、搅拌摩擦焊、电子束焊等。
TIG焊焊接7075铝合金时，热输入大，焊接温度高，热影响区大且组织分布不平衡，接近熔合线的过热区会出现类似晶粒粗大及晶粒变形的问题，直接影响了接头处的韧性和强度。使接头处材料存在较为严重的软化问题，所以接头的强度较差。研究发现焊接的接头拉伸断口有许多分布均匀的气孔，这些气孔的大小尺寸并不均匀，对焊接接头的有效承载面积造成了较大影响，从而使得应力集中，削弱了焊接口的强度和塑性，导致焊缝区存在较大的隐患，是最为薄弱的部分。
《7075-T6铝合金激光－MIG复合焊研究》，发现较高热输入时气孔率小，低热输入时气孔尺寸较大，气孔集中在焊缝中心位置，表面较少，而中心部位存在大量疏松组织和气孔，降低了抗拉强度。焊缝区为树枝晶，熔合区为柱状晶，热影响区和母材保持了轧制组织形态，焊缝内存在枝晶偏析，熔合区和热影响区出现过烧现象，焊缝区和热影响区的硬度低于母材。
《热处理对7075铝合金光纤激光焊接头组织和性能的影响》，研究了7075 铝合金的光纤激光焊接，采用正交试验确定了最优的焊接参数组合。通过极差分析法得出焊接参数对接头抗拉强度的影响程度从大到小依次为离焦量＞激光功率＞焊接速度。《7075高强铝合金CO2激光填丝焊接的研究》，对7075铝合金CO2激光填充焊接进行研究，发现填丝后焊接过程更稳定，有效的压缩了金属蒸气和等离子体。使用AlSi12焊丝可以有效地消除热裂纹和气孔，采用AlSi12和AlMg4.5MnZr两种焊丝的焊缝抗拉强度经热处理后都有明显提高。《高强铝合金的激光填粉焊接》，采用YAG激光器对7075铝合金进行焊接，采用优化的焊接参数及AlSi12作为填充材料的焊接接头强度较未加填充物时有明显提高。
《7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能研究》，对2mm厚7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能进行了研究。发现搅拌头转速越快，焊缝表面越粗糙，最佳工艺条件下的焊接接头强度为487MPa，达到母材抗拉强度的97.4％，焊核区的显微硬度高于母材，热影响区硬度最低。《热输入对7075铝合金搅拌摩擦焊接头质量的影响》，研究发现搅拌摩擦焊焊接参数对热输入和温度分布有重要影响，同时影响微观结构和力学性能。
搅拌摩擦焊接技术作为一种新型固相连接方法，具有焊接温度低，接头残余应力小，焊接工件变形小等优点，能够较好的维持基体材料的物理性能。但是焊接过程需要有足够大的驱动力，足够牢固的工装夹具，焊接设备有一定要求；搅拌摩擦焊的搅拌头在作业开始和完成后会分别留下一个键孔，需要添加补偿用的引焊板和出焊板；搅拌摩擦焊焊接设备的要求较高导致其焊接适应性不强，对于复杂焊件的焊接无法进行，搅拌摩擦焊工艺自动化和智能化发展受限制。
《电子束焊喷射成形Al⁃Zn⁃Mg⁃Cu合金的组织性能研究》，采用电子束对10mm喷射成形的Al⁃Zn⁃Mg⁃Cu板材进行焊接，发现焊接接头由近缝区母材、焊核区和热影响区组成。焊核区组织主要为等轴细晶，热影响区组织变化不大，大部分保留了母材的原始组织特征；但从焊缝区到母材，显微硬度值逐渐下降，焊接接头强度约为母材的82%。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，以解决背景技术中的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，用于两个7075铝合金板料的连接，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、将2A12铝合金中间层直接放置于7075铝合金板料的两个待连接表面中间；
S2、将两个待连接表面与2A12铝合金中间层贴合，并安装在工作平台上，四周用工装固定；
S3、将工作平台运动到电子枪下方，使待焊起始部位位于电子枪的正下方，并调整电子枪前端面与工件待焊部位的高度；
S4、对真空电子束设备焊接室进行抽真空至达到工作真空度；
S5、调节工作距离和聚焦束流，使光学系统十字叉线与电子束斑点重合；
S6、依据焊缝走向编制运行程序；
S7、设定电子束焊接参数，并运行程序，完成焊接；
S8、焊接完成后，保持真空状态10-15分钟，然后执行放气程序；
S9、出焊接室后进行时效处理。
进一步优化技术方案，所述步骤S1前用酸碱溶液进行7075铝合金板料表面的清洁，用工业酒精超声波清洗2A12铝合金中间层。
进一步优化技术方案，所述步骤S1中2A12铝合金中间层的厚度为0.1mm-0.3mm。
进一步优化技术方案，所述步骤S2中两个待连接表面与2A12铝合金中间层贴合的间隙小于等于0.05mm。
进一步优化技术方案，所述步骤S3中电子枪前端面与工件待焊部位的高度为120mm-300mm。
进一步优化技术方案，所述步骤S4中工作真空度小于等于2×10-2Pa。
进一步优化技术方案，所述步骤S7中程序设定电子束焊接连接表面粗糙度小于Ra1.6，平行度小于0.08mm。
进一步优化技术方案，所述焊接参数设置为：电压50~80KV，聚焦0~0.5mm，束流为14±20%mA或17±20%mA或20±20%mA。
进一步优化技术方案，所述步骤S9中时效处理为100~150℃下保温40~70min或160~190℃下保温40~70min。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明提供的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，通过增加2A12铝合金作中间层，改善了7075铝合金真空电子束连接处焊接接头的性能，减少了焊缝中存在的裂纹及气孔，裂纹从晶界处向外延伸获得改善，避免了接头材料中引入其他金属杂质；将母材焊接接头抗拉强度由284MPa，提升到415MPa；焊接处于真空室内完成，减少了外界气体的干扰。本发明具有焊接工艺简单、焊接接头抗拉强度高的优点。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明中提取试样的结构示意图；
图3为本发明中对比例的金相谱图；
图4为本发明中实施例1的金相谱图；
图5为本发明中实施例2的金相谱图；
图6为本发明中实施例3的金相谱图。
其中：1、7075铝合金板料，2、2A12铝合金中间层，3、拉伸试样区，4、金相试样区，5、焊缝；
a、7075铝合金板料长度，b、7075铝合金板料宽度，T、7075铝合金板料厚度，c、2A12铝合金中间层长度，d、2A12铝合金中间层宽度，e、焊接方向，t、2A12铝合金中间层厚度。
具体实施方式
一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，用于两个7075铝合金板料1的连接，具体包括以下步骤：
S1、用酸碱溶液进行7075铝合金板料1表面的清洁，用工业酒精超声波清洗2A12铝合金中间层2。将厚度为0.1mm-0.3mm的2A12铝合金中间层2直接放置于7075铝合金板料1的两个待连接表面中间。
S2、将两个待连接表面与2A12铝合金中间层贴合，并安装在工作平台上，四周用工装固定，保证两个待连接表面与2A12铝合金中间层贴合的间隙小于等于0.05mm。
S3、将工作平台运动到电子枪下方，使待焊起始部位位于电子枪的正下方，并调整电子枪前端面与工件待焊部位的高度为120mm-300mm。
S4、对真空电子束设备焊接室进行抽真空至达到小于等于2×10-2Pa的工作真空度。
S5、调节工作距离和聚焦束流，使光学系统十字叉线与电子束斑点重合。
S6、依据焊缝5走向编制运行程序。
S7、设定电子束焊接参数，焊接参数设置为：电压50~80KV，聚焦0~0.5mm，束流为14±20%mA或17±20%mA或20±20%mA。程序设定电子束焊接连接表面粗糙度小于Ra1.6，平行度小于0.08mm，并运行程序，完成焊接。
S8、焊接完成后，保持真空状态10-15分钟，然后执行放气程序。
S9、出焊接室后进行时效处理，在100~150℃下保温40~70min或160~190℃下保温40~70min。
电子束焊所焊基材厚度范围很大，最厚可达300mm，并且焊缝5宽度非常均匀，电子束焊可以得到俗称的“平行焊缝”，不仅节省了填充金属材料，还降低了焊接过程中的能量损耗；在真空环境进行焊接，其焊接接头的杂质少、污染小，能够焊接在大气环境较为活泼的金属材料；电子束焊的工艺参数便于调整，方法适应性高，在计算机辅助下设计程序控制，使得电子束焊的自动化和智能化发展可以持续进行；电子束焊的焊接材料选择性多且兼容性强，不仅可以焊接异种金属材料，还可以焊接无机非金属材料。
真空电子束焊接原理：电子束作为焊接的热源由阴极的电子枪（由阴极、聚束极和阳极组成）产生，经过磁场加速和汇聚提高其能量密度去轰击焊件表面。熔化后的液态金属由于真空产生的高压而被排开，随着电子束进一步的继续轰击，熔池越来越深，随着电子束的轰击和熔池的加深使得工件周围被液态金属包围的小孔开始形成。随着工件连续的移动，小孔周围的液态金属就沿熔池后部流动，此时开始逐渐冷却、凝固形成焊缝5，从而达到焊接金属的目的。
焊接基材选择铝合金作为增加的中间层，对焊接接头的力学性能和抗应力腐蚀性能有着十分重要的影响。Ti元素不仅可细化铝合金铸态组织，也能够部分抑制再结晶，提高再结晶温度，提高其铝合金的可焊性，同时还能显著降低热裂纹敏感性，减少焊接过程中焊接接头热裂纹倾向，从而提高焊接接头焊接质量。Cr元素是一种过渡族元素，添加少量的Cr元素，可以有效地改善铝合金的组织和性能，和Mn元素类似，Cr元素可以在铝合金中产生弥散质点，阻碍位错运动和晶界间的迁移，抑制再结晶的发生，提高再结晶温度，使合金铸造组织晶粒尺寸变小，铝合金的力学性能和抗应力腐蚀性能都得到提高。
结合7075铝合金焊接件在航空航天、船舶军舰领域的迫切需求，围绕7075铝合金焊接性差、成品率低、焊缝5界面裂纹严重影响接头强度等问题。在保持主要成分一致情况，增加上述辅助元素，以提高7075铝合金焊接接头强度，因此，本发明最终选择0.1mm-0.3mm的2A12铝箔作为中间层介质进行7075铝合金焊接。
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
对比例1：
本对比例使用的7075铝合金板料1尺寸分别为长度a=50mm，宽度b=30mm，厚度T=5mm，数量为2块。7075铝合金板料1待真空电子束焊焊接表面粗糙度为Ra0.8，平面度≤0.05mm，通过直接数控加工方式得到。
7075铝合金板料1通过以下焊接方法进行焊接：
S1、用酸碱溶液进行7075铝合金板料1表面的清洁。
S2、将两个7075铝合金板料1贴合，并安装在工作平台上，四周用工装固定，保证两个待连接表面的间隙小于等于0.05mm，保证待连接表面的紧密接触以及抽真空过程中防止试件晃动。
S3、将工作平台运动到电子枪下方，使待焊起始部位位于电子枪的正下方，并调整电子枪前端面与工件待焊部位的高度为300mm。
S4、对真空电子束设备焊接室进行抽真空至达到2×10-2Pa的工作真空度。
S5、调节工作距离和聚焦束流，使光学系统十字叉线与电子束斑点重合。
S6、依据焊缝5走向编制运行程序。
S7、设定电子束焊接参数，焊接参数设置为：电压50~80KV，聚焦0~0.5mm，束流为17±20%mA。程序设定电子束焊接连接表面粗糙度小于Ra1.6，平行度小于0.08mm，并运行程序，完成焊接。
S8、焊接完成后，保持真空状态10分钟，然后执行放气程序。
S9、出焊接室后进行时效处理，在120℃下保温50min。
实施例1-3：
结合附图1-2所示，使用长度c=50mm，宽度d=30mm，厚度t=0.2mm的2A12铝合金中间层2。
基于对比例1的基础上，实施例1-3与对比例1的不同之处在于二处：一是，将厚度为0.2mm的2A12铝合金中间层2直接放置于7075铝合金板料1的两个待连接表面中间，用工业酒精超声波清洗2A12铝合金，将两个7075铝合金板料1与待连接表面与2A12铝合金中间层2贴合，并安装在工作平台上，四周用工装固定，保证两个待连接表面与中间层贴合的间隙小于等于0.05mm，保证待连接表面的紧密接触以及抽真空过程中防止试件晃动。
二是，步骤S7、S8、S9的参数不同，参数设置如下表1所示：
表一
| 电压/KV | 束流/mA | 聚焦/mm | 真空状态时间/min | 时效处理温度/℃ | 时效处理时间/℃ | |
| 实施例1 | 50~80 | 17±20% | 0~0.5 | 12 | 100 | 40 |
| 实施例2 | 50~80 | 14±20% | 0~0.5 | 15 | 150 | 70 |
| 实施例3 | 50~80 | 20±20% | 0~0.5 | 10 | 160 | 40 |
从焊接后的铝合金上提取金相和拉伸检测试样，金相组织图谱如附图3-6所示，拉伸检测结果如下表2所示：
表二
| 对比例1 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
| 拉伸强度 | 284 | 415 | 315 | 323 |
根据实验检测结果可知，未添加2A12铝合金中间层2时效后金相组织焊缝5中均存在裂纹，裂纹从晶界处向外延伸，添加中间层时效后金相组织也存在微裂纹，但数量少。
添加2A12铝合金中间层2的7075铝合金真空电子束焊焊接方法比现有的焊接效果好，可改善焊接接头组织结构，同时提高了焊接头强度。
Claims (9)
1.一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，用于两个7075铝合金板料（1）的连接，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、将2A12铝合金中间层（2）直接放置于7075铝合金板料（1）的两个待连接表面中间；
S2、将两个待连接表面与2A12铝合金中间层（2）贴合，并安装在工作平台上，四周用工装固定；
S3、将工作平台运动到电子枪下方，使待焊起始部位位于电子枪的正下方，并调整电子枪前端面与工件待焊部位的高度；
S4、对真空电子束设备焊接室进行抽真空至达到工作真空度；
S5、调节工作距离和聚焦束流，使光学系统十字叉线与电子束斑点重合；
S6、依据焊缝（5）走向编制运行程序；
S7、设定电子束焊接参数，并运行程序，完成焊接；
S8、焊接完成后，保持真空状态10-15分钟，然后执行放气程序；
S9、出焊接室后进行时效处理。
2.根据权利要求1所述的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，其特征在于：所述步骤S1前用酸碱溶液进行7075铝合金板料（1）表面的清洁，用工业酒精超声波清洗2A12铝合金中间层（2）。
3.根据权利要求1所述的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，其特征在于：所述步骤S1中2A12铝合金中间层（2）的厚度为0.1mm-0.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，其特征在于：所述步骤S2中两个待连接表面与2A12铝合金（2）中间层贴合的间隙小于等于0.05mm。
5.根据权利要求1所述的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，其特征在于：所述步骤S3中电子枪前端面与工件待焊部位的高度为120mm-300mm。
6.根据权利要求1所述的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，其特征在于：所述步骤S4中工作真空度小于等于2×10-2Pa。
7.根据权利要求1所述的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，其特征在于：所述步骤S7中程序设定电子束焊接连接表面粗糙度小于Ra1.6，平行度小于0.08mm。
8.根据权利要求7所述的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，其特征在于，所述焊接参数设置为：电压50~80KV，聚焦0~0.5mm，束流为14±20%mA或17±20%mA或20±20%mA。
9.根据权利要求1所述的一种提升铝合金焊缝拉伸强度的焊接方法，其特征在于：所述步骤S9中时效处理为100~150℃下保温40~70min或160~190℃下保温40~70min。
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Denomination of invention: A welding method for improving the tensile strength of aluminum alloy welds Effective date of registration: 20240103 Granted publication date: 20230310 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Baoding Xushui Branch Pledgor: Hebei Yutian Material Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980000290 |