一種合金焊接接頭的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種合金焊接接頭制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金具有密度小、綜合力學(xué)性能高，耐腐蝕性能、低溫性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，易加工成型等一系列特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于在航空、航天、汽車(chē)、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中。其中，鋁合金的應(yīng)用離開(kāi)焊接技術(shù)的支持是難以完成的。目前焊接鋁合金最為常見(jiàn)、在工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛的焊接方法是TIG和MIG焊。
[0003]TIG焊以鎢極為電極，電弧在鎢極與母材之間產(chǎn)生，鋁合金TIG焊一般采用交流，利用電弧在負(fù)半周具有的陰極破碎作用，去除鋁氧化層。使用TIG焊焊接鋁合金可以得到成形性好、品質(zhì)較高的接頭。但為防止鎢極的燒損必須限制焊接最大電流，所以TIG焊焊接速度慢、效率低，常被用在鋁合金薄板焊接和缺陷補(bǔ)焊。與TIG焊不同，使用MIG焊焊接鋁合金時(shí)焊絲作電極，可以采用比TIG焊更大的焊接電流，電弧功率更高、焊接速度更快;采用直流反接可以獲取更好陰極霧化清理作用，保證焊縫質(zhì)量。目前MIG焊(包括脈沖MIG焊、雙絲MIG焊等工藝)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)高速列車(chē)和船舶用鋁合金的主流焊接方法。但MIG焊焊接鋁合金接頭軟化比較嚴(yán)重，隨著鋁合金作為金屬結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用范圍和用量不斷提升，鋁合金的焊接質(zhì)量和焊接效率問(wèn)題愈加突出。
[0004]為了解決鋁合金焊接的效率與質(zhì)量問(wèn)題，一些采用復(fù)合熱源對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接的方法被提出，如激光-MIG焊、等離子-MIG焊等。復(fù)合焊接不是兩種單熱源的簡(jiǎn)單疊加，而是兩者相互作用、相互加強(qiáng)，發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，形成一種復(fù)合、高效的熱源。用復(fù)合焊焊接鋁合金能夠大幅度提高焊接效率。相比于傳統(tǒng)的焊接方法，復(fù)合電弧的焊接效果深而且焊道窄、焊接變形小，這些特點(diǎn)在中、厚板焊接上優(yōu)勢(shì)更為明顯。
[0005]通過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，使用復(fù)合焊的方法焊接的鋁合金時(shí)，焊接效率有明顯提升，但焊縫中存在數(shù)量較多的氣孔。氫在液態(tài)鋁和固態(tài)鋁中的溶解度相差約20倍，在快速結(jié)晶過(guò)程中，溶解度突變，來(lái)不及逸出的氫會(huì)在焊縫中析出形成氣泡。焊縫中的氣孔不僅對(duì)接頭致密性有很大的影響，而且會(huì)削弱接頭的有效承載截面積，造成應(yīng)力集中，顯著降低接頭的強(qiáng)度、塑性和韌性，特別對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度更為不利。常規(guī)焊接方法采用的焊接速度比較低，液態(tài)金屬凝固較慢，氣體的逸出比較充分，但對(duì)于復(fù)合焊，由于焊接速度快、熱輸入小，熔池凝固更為迅速，使得氣體來(lái)不及從熔池逸出，造成焊縫中殘留的氣孔數(shù)量增加。黎碩在“鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接氣孔缺陷研究”一文中通過(guò)使用激光-MIG復(fù)合的方法對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)通過(guò)焊前清理工件表面的氧化膜并采用干燥惰性氣體保護(hù)焊接熔池顯著減少焊縫內(nèi)部的氫氣孔和夾層氣孔，但是焊縫內(nèi)部依舊存在較多的工藝氣孔。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種新型的合金焊接接頭的制備方法，使所得焊接接頭中的氣孔缺陷顯著減少。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所提供的技術(shù)方案為一種合金焊接接頭的制備方法，包括以下步驟:1)對(duì)工件施加第一電弧，使工件熔化并形成焊接熔池;2)對(duì)尚未凝固的焊接熔池施加第二電弧，通過(guò)第二電弧的加熱攪拌作用，從而促進(jìn)熔池中的氣體逸出。第二電弧的作用主要體現(xiàn)在加熱和攪拌，第二電弧的加熱作用可以適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)熔池液態(tài)停留時(shí)間，此時(shí)熔池內(nèi)部氣體逸出阻力較小，同時(shí)，在第二電弧對(duì)熔池的攪拌作用下，微小氣孔相互碰撞并聚集，從而加速逸出熔池。對(duì)比采用預(yù)熱或重熔工藝來(lái)預(yù)防和減少氣孔方法，增加第二電弧可以充分利用電弧能量，節(jié)約資源的同時(shí)避免了焊縫的多次加熱，焊接效率更高。
[0008]進(jìn)一步，所述第一電弧為復(fù)合焊電弧，由第一焊槍產(chǎn)生。在復(fù)合焊電弧之后添加第二電弧，通過(guò)第二電弧的加熱作用延長(zhǎng)焊接熔池的液態(tài)存在時(shí)間、降低熔池內(nèi)部的溫度梯度，促進(jìn)氣體逸出熔池，在實(shí)現(xiàn)復(fù)合焊快速焊接功能的同時(shí)，獲得氣孔傾向小的優(yōu)質(zhì)焊接接頭。所述復(fù)合焊電弧由激光電弧與MIG電弧、TIG電弧、MAG電弧中的任意一種所復(fù)合而成;或由等離子電弧與MIG電弧、TIG電弧、MAG電弧中的任意一種所復(fù)合而成。
[0009]進(jìn)一步，所述第二電弧為MIG電弧、TIG電弧、MAG電弧或等離子電弧，由第二焊槍產(chǎn)生。由于第二電弧的作用主要在于繼續(xù)加熱和攪拌尚未凝固的熔池，促進(jìn)氣體逸出熔池，不需要對(duì)繼續(xù)在熔池中填充焊絲，因此第二電弧優(yōu)選為T(mén)IG電弧或等離子電弧。
[0010]進(jìn)一步，所述方法還包括在焊接前對(duì)工件進(jìn)行表面處理;所述表面處理包括打磨、拋光和有機(jī)溶劑超聲清潔處理。表面處理的目的在于降低工件表面的氧化層對(duì)焊縫的影響，從而進(jìn)一步減少接頭內(nèi)部的夾渣、氣孔等缺陷。
[0011]進(jìn)一步，所述合金為輕合金。輕合金焊接接頭中的氣孔缺陷較多，尤其是鋁合金和鎂合金。在液態(tài)和固態(tài)時(shí)，氫的溶解度相差很大，在快速結(jié)晶過(guò)程中，溶解度突變，來(lái)不及逸出的氣體極其容易在焊縫中析出形成氣泡。另外，鋁合金和鎂合金的導(dǎo)熱系數(shù)大，焊接熔池的液態(tài)存在時(shí)間更短，氣體逸出的時(shí)間更短，焊縫中的形成氣孔等缺陷的傾向更大。焊縫中的氣孔不僅對(duì)接頭致密性有很大的影響，而且會(huì)削弱接頭的有效承載截面積，造成應(yīng)力集中，顯著降低接頭的強(qiáng)度、塑性和韌性，特別對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度更為不利。因此，采用本發(fā)明的方法制備上述輕合金的焊接接頭時(shí)，可以在保證焊接速度的同時(shí)減少焊縫中的氣孔，從而提升上述輕合金的焊接效率。
[0012]進(jìn)一步，第一焊槍端部、第二焊槍端部與工件待焊面的距離為5-10mm;第一焊槍與第二焊槍之間的距離為8-12mm;焊接速度為0.5-1.5m/min。當(dāng)?shù)谝浑娀榈入x子-MIG復(fù)合焊電弧，第二電弧為T(mén)IG電弧時(shí)，第一焊槍中的等離子電流為80-120A、等離子流量為3-5L/min、MIG電流為150-270A，第二焊槍中的TIG電流為60-150A。當(dāng)?shù)谝浑娀榈入x子-MIG復(fù)合焊電弧，第二電弧為等離子電弧時(shí)，第一焊槍中的MIG電流為150-270A、等離子電流為80-120A、等離子流量為3-5L/min，第二焊槍中的等離子電流為50-80A、等離子流量為2-3L/
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[0013]進(jìn)一步，第一電弧引燃l-2s后再引燃第二電弧，這樣設(shè)置的作用在于使第一電弧和第二電弧的能量穩(wěn)定。進(jìn)一步，第一電弧、第二電弧和焊縫位于同一豎直平面，第一電弧作用于焊縫并形成熔池，l_2s后所述熔池運(yùn)動(dòng)到第二電弧的下端。當(dāng)要終止焊接過(guò)程時(shí)，先停止第一電弧，l_2s后再停止第二電弧，這樣設(shè)置的目的是促使盡可能多的氣體排出。
[0014]進(jìn)一步，所述第二電弧對(duì)熔池的作用深度為0.4-0.6倍熔深。本發(fā)明的發(fā)明人在之前的試驗(yàn)中使用等離子-MIG復(fù)合焊的方法對(duì)6mm厚的鋁合金進(jìn)行焊接，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)焊前嚴(yán)格表面清理得到的成型質(zhì)量最優(yōu)的焊縫中仍然存在一定數(shù)量的氣孔缺陷，其位置主要分布在焊縫中上部，因此，使第二電弧對(duì)焊接熔池的作用深度為0.4-0.6倍熔深。其中，熔深指熔池的最深位與工件表面之間的距離。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為制備合金焊接接頭的工作原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1
[0017]如圖1所示，將6mm厚的鋁合金工件4固定在工作臺(tái)上，利用導(dǎo)線(xiàn)3將其接入焊接系統(tǒng)，并同時(shí)使第一焊槍I和第二焊槍2—前一后安置在焊縫上方，其中第一焊槍I用于產(chǎn)生等離子-MIG復(fù)合焊電弧(第一電弧)5，第二焊槍2用于產(chǎn)生TIG電弧(第二電弧)6。調(diào)節(jié)第一焊槍I與第二焊槍2之間的距離為8mm且距離鋁合金工件4表面6mm。開(kāi)始焊接時(shí)，首先引燃第一電弧5，l-2s后再引燃第二電弧6;其中，引燃第一電弧5時(shí)，先引燃等離子電弧51，隨后引燃MIG電弧52，兩種電弧相互耦合形成第一電弧5。焊接過(guò)程中的主要焊接參數(shù)為:第一焊槍I中的等離子電流為100A、MIG電流為250A、焊絲7為1.6mm的ER5356焊絲、等離子流量為4L/min;第二焊槍2中的TIG電流為100A;焊接速度為lm/min。當(dāng)要終止整個(gè)焊接過(guò)程時(shí)，先停止等離子-MIG復(fù)合焊電弧5，l-2s后再停止TIG電弧6。
[0018]通過(guò)在顯微鏡下觀(guān)察可知，在相同的工藝條件下，當(dāng)僅采用等離子-MIG復(fù)合焊電弧時(shí)，所得鋁合金焊接接頭中存在較多的氣孔。與之相比，當(dāng)在等離子-MIG復(fù)合焊電弧之后增加TIG電弧時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋁合金焊接接頭中的氣孔顯著減少。
[0019]實(shí)施例2
[0020]如圖1所示，將3mm厚的鎂合金工件4固定在工作臺(tái)上，利用導(dǎo)線(xiàn)3將其接入焊接系統(tǒng)，并同時(shí)使第一焊槍I和第二焊槍2—前一后安置在焊縫上方，其中第一焊槍I用于產(chǎn)生等離子-MIG復(fù)合焊電弧(第一電弧)5，第二焊槍2用于產(chǎn)生TIG電弧(第二電弧)6。調(diào)節(jié)第一焊槍I與第二焊槍2之間的距離為8mm且距離鎂合金工件4表面5mm。開(kāi)始焊接時(shí)，首先引燃第一電弧5，l-2s后再引燃第二電弧6;其中，引燃第一電弧5時(shí)，先引燃等離子電弧51，隨后引燃MIG電弧52，兩種電弧相互耦合形成第一電弧5。焊接過(guò)程中的主要焊接參數(shù)為:第一焊槍I中的等離子電流為80A、MIG電流為170A、焊絲7為1.6111111的4231鎂合金焊絲、等離子流量為
3.2L/min;第二焊槍2中的TIG電流為70A;焊接速度為0.8m/min。當(dāng)要終止整個(gè)焊接過(guò)程時(shí)，先停止等離子-MIG復(fù)合焊電弧5，延遲l-2s，再停止TIG電弧6。
[0021 ]通過(guò)在顯微鏡下觀(guān)察可知，在相同的工藝條件下，當(dāng)僅采用等離子-MIG復(fù)合焊電弧時(shí)，所得鎂合金焊接接頭中存在較多的氣孔。與之相比，當(dāng)在等離子-MIG復(fù)合焊電弧之后增加TIG電弧時(shí)，對(duì)應(yīng)的鎂合金焊接接頭中的氣孔顯著減少。
[0022]實(shí)施例3
[0023]如圖1所示，將6mm厚的鋁合金工件4固定在工作臺(tái)上，利用導(dǎo)線(xiàn)3將其接入焊接系統(tǒng)，并同時(shí)使第一焊槍I和第二焊槍2—前一后安置在焊縫上方，其中第一焊槍I用于產(chǎn)生等離子-MIG復(fù)合焊電弧(第一電弧)5，第二焊槍2用于產(chǎn)生等離子電弧(第二電弧)6。調(diào)節(jié)第一焊槍I與第二焊槍2之間的距離為8mm且距離鋁合金工件4表面6mm。開(kāi)始焊接時(shí)，首先引燃第一電弧5，l-2s后再引燃第二電弧6;其中，引燃第一電弧5時(shí)，先引燃等離子電弧51，隨后引燃MIG電弧52，兩種電弧相互耦合形成第一電弧5。焊接過(guò)程中的主要焊接參數(shù)為:第一焊槍I中的等離子電流為100A、MIG電流為250A、焊絲7為1.6mm的ER5356焊絲、等離子流量為4L/min;第二焊槍2中的等離子電流為60A、等離子流量為2.3L/min;焊接速度為lm/min。當(dāng)要終止整個(gè)焊接過(guò)程時(shí)，先停止等離子-MIG復(fù)合焊電弧5，延遲l-2s，再停止等離子電弧6。
[0024]通過(guò)在顯微鏡下觀(guān)察可知，在相同的工藝條件下，當(dāng)僅采用等離子-MIG復(fù)合焊電弧時(shí)，所得鋁合金焊接接頭中存在較多的氣孔。與之相比，當(dāng)在等離子-MIG復(fù)合焊電弧之后增加等離子電弧時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋁合金焊接接頭中的氣孔顯著減少。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種合金焊接接頭的制備方法，包括以下步驟:1)對(duì)工件施加第一電弧(5)，使工件(4)熔化并形成焊接熔池;2)對(duì)尚未凝固的焊接熔池施加第二電弧(6)。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述第一電弧(5)為復(fù)合焊電弧，由第一焊槍(I)產(chǎn)生。3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于:所述復(fù)合焊電弧由激光電弧與MIG電弧、TIG電弧、MAG電弧中的任意一種所復(fù)合而成;或由等離子電弧與MIG電弧、TIG電弧、MAG電弧中的任意一種所復(fù)合而成。4.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述第二電弧(6)為MIG電弧、TIG電弧、MAG電弧或等離子電弧，由第二焊槍(2)產(chǎn)生。5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述方法還包括在焊接前對(duì)工件(4)進(jìn)行表面處理;所述表面處理包括打磨、拋光和有機(jī)溶劑超聲清潔處理。6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于:所述合金為鋁合金或鎂合金。7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:第一焊槍(I)端部、第二焊槍(2)端部與工件(4)待焊接區(qū)域的距離為5-10mm;第一焊槍(I)與第二焊槍(2)之間的距離為8-12mm;焊接速度為0.5-1.5m/min。8.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:第一電弧(5)、第二電弧(6)和焊縫位于同一豎直平面，第一電弧(5)作用于焊縫并形成熔池，l-2s后所述熔池運(yùn)動(dòng)到第二電弧(6)的下端。9.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:當(dāng)要終止焊接過(guò)程時(shí)，先停止第一電弧(5)，l-2s后再停止第二電弧(6)。10.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述第二電弧(6)對(duì)焊接熔池的作用深度為0.4-0.6倍熔深。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種合金焊接接頭的制備方法，可以降低焊接接頭中的氣孔缺陷。所述方法包括步驟：1)對(duì)工件施加第一電弧，使工件熔化并形成焊接熔池；2)對(duì)尚未凝固的熔池施加第二電弧，通過(guò)第二電弧的加熱攪拌作用，促進(jìn)熔池中的氣體逸出。第二電弧的作用主要體現(xiàn)在加熱和攪拌，加熱作用可以適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)熔池液態(tài)停留時(shí)間，此時(shí)熔池內(nèi)部氣體逸出阻力較小，同時(shí)，在攪拌作用下，微小氣孔相互碰撞并聚集從而加速逸出熔池。對(duì)比采用預(yù)熱或重熔工藝來(lái)預(yù)防和減少氣孔方法，增加第二電弧后電弧能量利用率提高，節(jié)約資源的同時(shí)避免了焊縫區(qū)域的多次加熱，焊接效率更高。
【IPC分類(lèi)】B23K26/348, B23K9/167, B23K9/173, B23K10/02
【公開(kāi)號(hào)】CN105710511
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610219034
【發(fā)明人】潘厚宏, 郭陽(yáng)陽(yáng)
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)