一種提高鋁合金mig焊焊縫熔深的方法
2023-10-04 17:04:44 1
專利名稱：一種提高鋁合金mig焊焊縫熔深的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高鋁合金熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)焊縫熔深的方法，屬 於材料加工工程領域。
背景技術：
鋁合金具有密度低，導熱性、耐蝕性和成型性好，價格低廉等優點，已廣泛應用於 航空航天、交通運輸、輕工建材和機械製造等部門，是輕合金中應用最廣和用量最多的合 金。隨之而來的鋁合金焊接技術尤其是高強鋁合金中、厚板結構件的焊接便成為迫切需要 解決的問題。提高焊縫熔深和力學性能，減小焊接變形，降低焊接熱影響區和焊縫組織的粗 化、裂紋和氣孔傾向等是研究人員一直關注的技術難題。鋁合金的焊接要求採用能量密度 大、焊接熱輸入量小、焊接速度高的高效焊接方法。目前鋁合金焊接常用的方法有雷射焊、 電子束焊、攪拌摩擦焊(FSW)、TIG焊和MIG焊等。雷射焊接技術具有功率密度大、熱輸入總量低、焊接速度快、易於工業自動化等優 點，焊接鋁合金時，在等同熱輸入量的情況下焊縫的熔深較深、熱影響區窄、焊接變形小，特 別對熱處理鋁合金有較大的應用優勢。鋁及鋁合金雷射焊接的難點在於對雷射束具有極高 的表面初始反射率(如CO2雷射超過90%，YAG雷射接近80%)和對雷射能的吸收率很低， 是影響焊縫熔深的主要因素。鋁合金雷射焊接必須採用大功率的雷射電源或者其它措施來 提高鋁合金對雷射能的吸收率，這將使設備成本提高。此外，中、厚板鋁合金的雷射焊接容 易產生氣孔和熱裂紋等缺陷，現階段雷射焊接多用於鋁合金薄板焊接。電子束焊是另一種高能密度的焊接技術。電子束焊焊接鋁合金可以得到優質的焊 接接頭，且穿透性能好，可以對鋁合金厚板進行焊接，但電子束焊要求在真空環境下進行， 其應用受到一定的限制。攪拌摩擦焊是一種在機械力和摩擦熱作用下的固相連接技術，焊接時避免了熔焊 的各種缺陷，適於有色金屬材料的焊接，如鋁及高強鋁合金、銅合金、鈦合金等。目前攪拌 摩擦焊在鋁合金的焊接方面研究應用較多，已經成功地進行了攪拌摩擦焊接的鋁合金包括 2000 系歹Ij (Al-Cu) ,5000 系列(Al-Mg) ,6000 系列(Al-Mg-Si) ,7000 系列(Al-Zn)和 8000 系列(Al-Li)等。攪拌摩擦焊焊接鋁合金存在的問題是(1)焊接速度低於熔化焊；(2)焊 件夾持要求高；(3)焊後端頭形成一個攪拌頭殘留的孔洞，一般需要補焊或機械切除；(4) 攪拌頭適應性差且磨損快；(5)工藝不成熟，現僅限於結構簡單的構件，如平直的結構、圓 形結構。鎢極氬弧焊(TIG焊)焊接技術焊接鋁合金時，由於鎢電極承載電流能力有限，電 弧功率受到制約，致使焊縫熔深較淺，焊接速度低，只適於厚度為3mm以下薄壁焊件的焊接。熔化極惰性氣體保護焊(MIG焊)焊接鋁合金與TIG焊相比，焊絲和電弧的電流 密度大，焊絲熔化速度快，焊接生產率和對母材的熔敷效率高，焊縫的熔深較深和焊接變形 較小，在鋁合金焊接生產中獲得較廣泛應用，尤其是中、厚板鋁合金的焊接大多數採用MIG
3焊。MIG焊焊接中、厚板鋁合金相對於高能密度焊焊接，焊縫熔深較淺，需要採用多層多道焊 接才能完成。鋁合金焊接接頭受到多次焊接熱循環的作用，易產生焊接變形，組織形貌和性 能發生較大變化，顯著降低結構件的承載能力。提高焊縫熔深和減少焊接次數是減小焊接 變形，改善接頭組織和性能變化行之有效的方法之一。為了減小焊接變形，降低焊接熱循環 對接頭熱影響區和焊縫組織與性能的影響，工藝要求焊接過程中儘量減少焊接熱輸入量， 這樣必然會降低焊縫熔深和焊接生產效率。如何保證同等熱輸入量的情況下，提高MIG焊 焊接中、厚板鋁合金的焊縫熔深，研究人員開展了系列工作。添加活性劑是提高焊縫熔深行 之有效的方法之一。在焊接過程中添加活性劑，早期工作主要是解決TIG焊焊縫熔深的問題。其原 理是利用活性劑降低被焊材料的表面張力、改變體系的界面性質和狀態，以達到在焊接過 程中收縮電弧實現增加焊縫熔深的作用。二十世紀60年，烏克蘭巴頓焊接研究所(PEWI) 率先開展此方面研究，隨後英國焊接研究所(TWI)、日本連接與溶接研究所(JWRI)、美國 愛迪生焊接研究所(EWI)和國內一些研究機構都開展了相關研究，並取得了可喜成果， 相關研究已在多種期刊發表，見〔1〕Materials characterization, 2008, 59 40-60 ；〔2〕 Materials and Design，2009，30 :2404_2409 ；〔3〕焊接學報，2008，29 (1) :45_50 等。用於 熔化焊的活性劑配方的專利也很多，如中國專利C200410000345. 3、CN200810018264. 4和 CN200710010469. 4、韓國專利 KR100860556B1、俄羅斯專利 RU2291039C1、RU2289498C1 和美 國專利US2008029185A1等。上述研究工作主要集中在兩方面一是適用於各種金屬材料的 活性劑的研製；二是活性劑增加焊縫熔深機理的研究。在焊接過程中添加活性劑，除應用於 TIG焊外，已嘗試應用於電子束焊、雷射焊、CO2氣體保護焊(使用活性焊絲)和釺焊。TIG焊 接過程中添加活性劑(Α-TIG焊接)，在同等熱輸入量的情況下焊縫熔深是TIG焊接的3. 5 倍。CO2氣體保護焊焊接過程添加活性劑，可以減少焊接飛濺，焊後焊縫成形美觀。鋁合金 MIG焊接添加活性劑的應用目前尚未見報導。
發明內容
本發明的目的是提供一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，通過等離子噴塗技 術，將活性劑噴塗於被焊鋁合金結構件表面，達到在同等熱輸入量的情況下顯著提高MIG 焊焊縫的熔深。本發明的上述目的通過以下技術方案實現一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，包括以下工藝步驟第一步，採用顆粒度為40-80 μ m、純度為99. 9%的Si02、Cr2O3> Al2O3和TiO2粉末 顆粒，按一定成分配比組合經均勻混合後，製備成鋁合金MIG焊專用活性劑，其成分按重量 百分比計算(fft. % ) =SiO2 78-96 ；Cr2O3 2~12 ；Al2O3 :1_5 ；TiO2 :1_5 ；第二步，按上述設計成分製備好的鋁合金MIG焊專用活性劑採用等離子噴塗於被 焊鋁合金結構件表面，採用MIG焊焊接鋁合金結構件；等離子噴塗活性劑的工藝參數為噴塗電壓為50V，噴塗電流為650A，主氣壓強為 60PSI，次氣壓強為20PSI，送粉氣壓強為25-30PSI，噴嘴至工件距離為90mm，噴嘴移動速度 為 500mm/mo噴塗量為4_6mg/cm2。
提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的活性劑，以SiO2為基礎成分，添加Cr203、Al2O3和TiO2 構成鋁合金MIG焊接專用活性劑。鋁合金MIG焊接專用活性劑合金成分按重量百分比計算 (Wt. % ) =SiO2 78-96 ；Cr2O3 2~12 ；Al2O3 :1_5 ；TiO2 :1_5。活性劑基礎材料的選擇和成分的 確定非常重要，在MIG焊焊接鋁合金過程中能同時起到活性劑與形核劑作用。SiO2和Cr2O3 的電阻率與熔沸點較高，在焊接過程中起到強制收縮電弧的作用，有效提高MIG焊焊接鋁 合金的焊縫熔深，焊接過程電弧穩定，焊後焊縫成型美觀；Al2O3和TiO2能起到較好的形核 劑和達到細化組織作用。本發明所述的一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，是採用顆粒度為 40-80 μ m、純度為99. 9%的Si02、Cr2O3^Al2O3和TiO2粉末顆粒按一定成分配比組合均勻混 合製備成鋁合金MIG焊專用活性劑。鋁合金MIG焊接專用活性劑合金成分按重量百分比計 算(fft. % ) =SiO2 78-96 ；Cr2O3 2~12 ；Al2O3 :1_5 ；TiO2 :1_5。活性劑的顆粒尺寸對MIG焊焊接鋁合金的接頭質量有重要影響。顆粒尺寸影響噴 塗在被焊結構件表面活性劑與工件的附著強度以及被焊結構件接頭組織的晶粒大小。適度 的顆粒尺寸一方面可以起到活性劑的作用提高MIG焊焊縫熔深；另一方面可以在焊接熔池 凝固過程中起到形核劑的作用細化晶粒。此外，被焊結構件表面噴塗單位面積活性劑的量 也會影響活性劑的效果。被焊結構件表面噴塗活性劑的量過大，會產生焊縫夾雜、熔合不良 和未焊透等焊接缺陷。因此，MIG焊焊接鋁合金需要精確控制活性劑的單位面積噴塗量。按設計成分製備好的鋁合金MIG焊專用活性劑採用等離子噴塗技術噴塗於被焊 鋁合金結構件表面，採用MIG焊焊接鋁合金結構件。等離子噴塗技術具有操作方便、生產效 率高和粉末適用性廣等特點，在噴塗過程中對鋁合金的組織和性能、表面受熱的程度及變 形影響較小，同時塗層緻密度和與基材的附著強度較高。因此，本發明將採取等離子噴塗技 術替代傳統刷和噴活性劑的塗敷工藝。等離子噴塗活性劑的工藝參數為噴塗電壓為50V， 噴塗電流為650A，主氣壓強為60PSI，次氣壓強為20PSI，送粉氣壓強為25-30PSI，噴嘴至工 件距離為90mm，噴嘴移動速度為500mm/m。本發明所述的一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法是這樣實施的。將被焊結構 件表面焊接部位進行打磨粗化，採用等離子噴塗技術將一定成分配比組合均勻混合製備成 鋁合金MIG焊專用活性劑噴塗於被焊結構件表面進行焊接。在焊接過程中添加活性劑焊後焊縫熔深增加、餘高降低(如圖1-3)。該方法的使 用可以減少構件焊前組對間隙和坡口角度，這樣可以進一步提高工作效率降低焊接工作者 的勞動強度；而且由於活性劑在熔池凝固過程中起到形核劑的作用，焊後焊縫組織細化，力 學性能提高。
圖1是MIG焊焊縫熔深(未添加)。圖2是MIG焊焊縫熔深(配方1)。圖3是MIG焊焊縫熔深(配方9)。圖中h是焊縫熔深。
具體實施例方式通過以下給出的實施例對本發明方法作進一步具體闡述。本發明所述的一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，採用顆粒度為40-80 μ m、 純度為99. 9%的Si02、Cr203、Al2O3和TiO2粉末顆粒按一定成分配比組合均勻混合製備成 鋁合金MIG焊專用活性劑。活性劑的成分按重量百分比計算(Wt. % ) =SiO2 78-96 ；Cr2O3 2-12 ；Al2O3 1-5 ；TiO2 :1_5。將按設計成分製備好的鋁合金MIG焊專用活性劑採用等離子 噴塗技術噴塗於被焊結構件表面，採用MIG焊焊接技術焊接鋁合金結構件。等離子噴塗工 藝參數噴塗電壓為50V，噴塗電流為650A，主氣壓強為60PSI，次氣壓強為20PSI，送粉氣壓 強為25-30PSI，噴嘴至工件距離為90mm，噴嘴移動速度為500mm/m。本發明的提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，達到的技術指標(1)活性MIG焊焊 接技術同相同技術參數的MIG焊相比，一次焊接焊縫熔深提高90-130% ； (2)接頭拉伸強度 提高1-6%。下述所有實施例均採用顆粒度為40-80 μ m、純度為99. 9%的Si02、Cr2O3> Al2O3和 TiO2粉末顆粒按一定成分配比組合均勻混合製備成鋁合金MIG焊專用活性劑。活性劑的成分 按重量百分比計算(Wt. % ) =SiO2 78-96 ；Cr2O3 2~12 ；Al2O3 :1_5 ；TiO2 :1_5。採用等離子噴塗 技術將活性劑按一定單位面積噴塗量均勻的噴塗於被焊結構件表面。等離子噴塗工藝參數相 同，即噴塗電壓為50V，噴塗電流為650A，主氣壓強為60PSI，次氣壓強為20PSI，送粉氣壓強 為25-30PSI，噴嘴至工件距離為90mm，噴嘴移動速度為500mm/m。實施例見下表1 表1活性劑配比及其焊後接頭性能
權利要求
一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，其特徵在於，包括以下工藝步驟第一步，採用顆粒度為40 80μm、純度為99.9％的SiO2、Cr2O3、Al2O3和TiO2粉末顆粒，按以下成分配比經均勻混合後，製備成鋁合金MIG焊專用活性劑，其成分按重量百分比Wt.％計算SiO278 96；Cr2O32 12；Al2O31 5；TiO21 5；第二步，按上述設計成分製備好的鋁合金MIG焊專用活性劑採用等離子噴塗於被焊鋁合金結構件表面，採用MIG焊焊接鋁合金結構件。
2.根據權利要求1所述的一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，其特徵在於，等離子 噴塗活性劑的工藝參數為噴塗電壓為50V，噴塗電流為650A，主氣壓強為60PSI，次氣壓強 為20PSI，送粉氣壓強為25-30PSI，噴嘴至工件距離為90mm，噴嘴移動速度為500mm/m。
3.根據權利要求1所述的一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，其特徵在於，所述的 鋁合金MIG焊專用活性劑噴塗量為4-6mg/cm2。
全文摘要
本發明涉及一種提高鋁合金MIG焊焊縫熔深的方法，屬於材料加工工程領域。該方法的具體工藝步驟是第一步，採用顆粒度為40-80μm、純度為99.9％的SiO2、Cr2O3、Al2O3和TiO2粉末顆粒，按一定成分配比組合經均勻混合後，製備成鋁合金MIG焊專用活性劑，其成分按重量百分比計算(Wt.％)SiO278-96；Cr2O32-12；Al2O31-5；TiO21-5；第二步，按上述設計成分製備好的鋁合金MIG焊專用活性劑採用等離子噴塗於被焊鋁合金結構件表面，採用MIG焊焊接鋁合金結構件。本發明的上述技術方案可實現在同等熱輸入量的情況下顯著提高MIG焊焊縫的熔深。
文檔編號B23K9/235GK101890561SQ20101023087
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月20日 優先權日2010年7月20日
發明者白志範, 邱小明, 阮野, 馬菲 申請人:吉林大學