加入桌面 | | RSS订阅
当前位置: 首页 » 资讯 » 技术知识 » 正文

高强铝合金焊接的质量控制技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-12-05  浏览次数:3736
核心提示:铝合金不仅具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度及优良的耐腐蚀性能,而且还具有良好的成形工艺性,因此在航天、军工、高
铝合金不仅具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度及优良的耐腐蚀性能,而且还具有良好的成形工艺性,因此在航天、军工、高铁、汽车和大飞机制造等领域的发展潜力和应用前景巨大[1]。焊接是铝合金装备及构件的重要成形技术。然而,由于高强铝合金自身的物理化学特性如热处理强化特性以及具有比普通钢材料大得多的导热系数和线膨胀系数,使其焊接质量问题尤其突出。
       为此,人们提出了各种各样的焊接方法,如TIG焊、激光-电弧复合焊、搅拌摩擦焊等。这些方法各有优势与不足,分别适用于不同的行业领域。随着高强铝合金应用领域和范围的不断拓展,焊接结构的服役性能引起了人们的极大关注。为此,本文对当前焊接质量控制的技术进展进行了分析,以期寻求高强铝合金焊接合适的质量控制方案与解决策略。

1 焊接方法的选择
       高能束流加工在高强铝合金熔焊领域具有其独特的技术优势,随着技术的不断进步,无论是电子束还是激光束,束流品质越来越好,能量密度、功率参数也越来越高,加工质量和加工能力势必有大幅度提高。然而目前的轻金属加工中并不是高能束流一枝独秀,搅拌摩擦焊为铝合金结构制造提供了一种崭新的途径,对于解决铝合金(尤其是2xxx系列和7xxx系列铝合金)等轻质合金的连接具有重要意义。国际上主要工业发达国家已将该技术广泛用于航空、航天以及高速列车等领域,国内的起步虽然比较晚,但受产业进步激励,近年来发展迅速。目前传统的焊接方法的质量控制已经趋于成熟,但是对于激光焊、激光-电弧复合焊、搅拌摩擦焊等新型焊接方法的质量控制方面,尚有许多共性问题有待突破。
      焊接工艺参数对焊接质量影响巨大,应针对不同牌号、不同接头型式与不同厚度的试件探索合适的工艺参数。

2 热裂纹的控制
2.1 冶金处理法
        从冶金的角度控制热裂纹:调整BTR(Brittle Temperature Range脆性温度区间)宽度以及BTR的延性,适当添加与母材相异的焊丝改变焊缝熔合区的成分,这种方法具有一定的局限性,可能会导致焊缝强度的降低
2.2 横向预压应力法
       施加外部压应力实质是抵消焊缝因收缩而产生的致裂性拉伸应力与应变,降低热裂倾向。预置横向压应力法(见图6),该方法设备简单,可有效防止热裂纹[2]
 
图6 预置载荷模型
2.3 随焊激冷法
      随焊激冷(见图7)实质是通过冷源作用区的冷却收缩造成对其前方处于BTR 金属的横向挤压,推迟塑性拉伸应变的开始形成温度并减缓其发展速率Δε/ΔT,显著降低热裂纹倾向。随焊激冷会导致BTR内焊缝及近缝区金属的冷却速度与应变速率Δε/ΔT的增大,降低这些区间的塑性,但相比与其横向压缩作用,影响较小,也是一种有效防止裂纹的方法[3]

图7 随焊激冷示意图
2.4 随焊锤击法
       在BTR内,在熔池后方一定距离DY放置一气锤,随焊枪同步锤击BTR 两侧金属(见图8)。由于锤头距离熔池较近,锤头下方的金属处于较高温度。因此,在锤击力的作用下,焊缝或热影响区金属会产生横向压缩应变εc。当足够抵消致裂性拉伸应变时,满足Δε/Δ T–Δεc/ΔT <CST,从而可防止焊接热裂纹产生[4]。研究表明,随焊锤击还可以细化晶粒,提高铝合金接头的强度[5]。但随焊锤击设备结构复杂,体积庞大,受工件形状与焊缝型式影响较大。
 
图8 随焊锤击法
2.5 随焊碾压法
       随焊碾压法原理类似于随焊锤击法,适用于薄板结构的焊接,实质是焊接时在较大横向温度梯度影响下,碾压焊缝两侧金属,使处于BTR的焊缝或热影响区金属产生较大横向压缩应变εc[6]。随焊碾压设备结构复杂,体积庞大,受工件形状与焊缝的影响也比较大。
从改善焊缝熔合区金属在BTR区间的力学行为角度来看,控制热裂纹方法还有局部加热法,局部冷却法等。

3 焊接变形的控制
       高强铝合金线胀系数较大,焊接时受焊接热循环作用,工件受热不均匀,焊接残余应力与变形较大,直接影响焊接结构的尺寸精度和安全可靠使用。薄壁件变形强烈,而厚壁件残余应力比较大。因此应同时兼顾:即调整焊缝与近缝区金属的热应力-应变循环来达到控制焊接变形的目的。调控焊接热应力-应变的措施可分为焊前、焊中和焊后措施[7]
3.1 焊前措施
       合理选择焊缝的形状尺寸,焊缝长度尽可能最短,避免焊缝密集交叉,板厚与焊趾尺寸尽可能小,优先选用断续焊缝或角焊缝,复杂结构最好选择部分组合焊接。合理选择肋板的形状与分布位置,提高肋板的加固作用。采取预变形或反变形措施,预先估计好工件变形的大小与方向,在装配时对工件预施加一个大小相等方向相反的变形,以抵消焊接变形。
3.2 随焊调控
       焊接时调控残余应力和应变,既可以通过合理选择焊接方法和规范,采取一些辅助措施来解决,也可以采取一些特殊设备与手段对焊接残余应力与应变进行人为的干预。
① 刚性固定法:通过固定工件来限制焊接变形,这种方法能一定程度上减小挠曲变形,可以防止角变形和波浪变形;薄板焊接时,用夹具固定焊缝两侧,可以防止波浪变形。
② 减小焊缝热输入法:采用较小热输入,可有效防止焊接变形。采用直接水冷或铜冷来改变焊接温度场的分布,以减小焊接热输入,达到减小变形的目的。
③ 焊接顺序优化:通过合理规划焊接顺序来调控焊接变形。
④ 预拉伸法:如图9所示,可减小近缝区金属因受热膨胀受阻而产生的压应力,从而减小和控制焊接残余应力与焊接变形[8]。但研究表明预拉伸法会显著增大热裂纹倾向[9]
 
图9 预拉伸控制焊接变形示意图
⑤ 温差拉伸法:对接焊时,采用专门的工装夹具,在焊缝下放置一个空腔内通过冷却水的铜垫块,在焊缝两侧用电加热带加热。温差拉伸技术即在焊前和焊接过程中冷却焊缝和近缝区,加热焊缝两侧区域,在焊件上预置一马鞍形温度场,使焊缝区承受预拉伸。
⑥ 随焊激冷法:亦称动态温差拉伸[10]。即采用冷却介质使焊缝区金属获得比近缝区金属更低的负温差。在冷却过程中,焊缝区金属受近缝区金属的拉应力而产生塑性拉伸应变,以抵消焊接过程中产生的塑性压缩变形,从而达到消除残余应力的目的。随焊激冷可以减小纵向收缩变形,但会增大横向收缩变形,因而不能用于封闭焊缝。随焊激冷与温差拉伸结合使用会取得更好的效果,温差拉伸将焊缝和近缝区在加热阶段形成的纵向塑性压应变控制在较低的水平,随焊激冷增加冷却阶段的纵向塑性拉伸进一步抵消焊缝区已经形成的压应变。
⑦ 随焊锤击法:电弧刚刚加热过的焊缝金属温度较高,此时只需很小的力就可以使其产生较大的塑性延展变形,从而抵消焊缝及近缝区的压变形,随焊锤击能达到控制焊接变形和降低焊接残余应力的目的。
⑧ 随焊锤击碾压法:随焊锤击碾压利用平面轮和凸轮直接碾压焊缝金属,以达到控制变形的目的(原理见图10)。其基本效果为:一是将焊缝中心部位的纵向压缩塑性变形延展;二是将焊缝冷却后残留的横向压缩塑性变形和前轮的挤压作用导致的横向压缩塑性变形都充分延展,从而起到降低应力减小变形的效果。
 

 

图10 随焊锤击碾压变形控制示意图

 

3.3 焊后调控
       高强铝合金焊后,试件会发生较大的焊接变形和残余应力。为保证尺寸精度,需要进行变形校正和消除应力处理,常用方法有两种:
① 机械方法:对于大型工件可采用压力机校正挠曲变形,对于薄板可采用锤击整形,消除残余应力;对于不规则焊缝,可以采用逐点挤压、机械拉伸焊缝、振动时效技术等。
② 加热法:不均匀加热是导致焊接应力与应变的根本原因。为此,可利用不均匀加热以消除残余应力与应变,如常用的火焰矫形法。

4 气孔控制
       熔焊气孔是铝合金接头性能劣化的主要内因,对长期服役的结构可靠性有重要影响。材料中的氢含量、焊丝及基体金属表面氧化膜吸附的水分以及空气和保护气氛中的水分都是焊缝气孔中氢的重要来源。根据气孔的形成机制不同,铝合金熔焊中主要存在两类氢气孔:即冶金气孔和工艺性气孔。为防止焊缝气孔,应从源头上来严格控制氢在熔池中的溶入量。
4.1 焊前清理
       焊前表面清理包括化学清理和机械清理。研究表明,焊前对焊接材料表面进行严格的化学或物理清理有利于减少冶金类气孔的产生。激光焊1420铝锂合金的试验结果表明了化学清理效果优于机械清理,见附表。但化学清理适用于形状复杂或小件的清理[11],在工件尺寸较大,并且实施多道焊时,为防止环境污染和提高工作效率,常采用机械清理。

 

附表 表面处理方法对焊接气孔的影响
清理类别
氧化膜清除方法
去除厚度
(mm)
气孔分布
化学清理1
5%~8%NaOH(5min),30%NaNO3(<1min),温水冲洗,风干
0.05
连续分布的气孔,熔合线附近居多,直径0.1~0.4mm
化学清理2
60~70℃的30%~50%NaOH(5min),温水冲洗,15%的HNO3
0.15
未发现微小气孔,7个气孔,直径0.4mm左右
化学清理3
60~70℃的30%~50%NaOH(8~10min),温水冲洗,15%的HNO3(<1min),温水冲洗,风干
0.30
未发现微小气孔,4个气孔,直径0.4mm左右
机械清理1
用砂轮清理试件表面两次
0.3
连续分布的气孔,熔合线附近居多,直径0.1~0.3mm
机械清理2
用砂轮清理试件表面一次
0.15
连续分布的气孔,熔合线附近居多,直径0.1~0.3mm
机械清理+化学清理
用刮刀清理试件表面,在用30%HNO3光亮处理
0.15
连续分布的气孔,熔合线附近居多,直径0.1~0.3mm
化学清理
(<1min),温水冲洗,风干
0.10
少量气孔,不均匀分布,直径0.1~0.3mm

 

但研究表明,2219铝合金若采用NaOH+HNO3进行表面处理,会增大气孔率,甚至焊前对焊缝结合面的任何触摸都可造成焊接气孔。对于该种合金,机械干铣是消除或减小焊接气孔的较合适清理方法。

4.2 匙孔失稳控制
       激光焊中匙孔瞬间失稳是焊接过程中工艺类气孔产生的根本原因,这类气孔一般呈现不规则形貌,缺口效应也比较明显。保证焊接过程中匙孔的稳定性,可以减少或消除工艺类气孔。采用双光点激光焊接铝合金可以扩大匙孔张口和根部直径,改善匙孔壁的波动状态,增强匙孔的稳定性,从而减少工艺类气孔的产生,但对冶金类气孔的产生影响较小。
       最近,作者应用目前世界上先进的第三代上海同步辐射光源,首次获得了7075-T6铝合金完整复合焊接头中三维气孔形貌(见图11所示),并对气孔的影响进行了定量评估。
 

 

图11 激光-电弧复合焊7075-T6铝合金接头气孔分布

 

5 结束语
       高强铝合金本身具备的综合优异性能,使得其在国防军工、航空航天、高铁及新能源汽车等行业的应用潜力十分可观。随之而来的就是人们对高强铝合金焊接结构制造与安全可靠运行的要求愈来愈高。高强铝合金焊接质量控制是个系统工程,应结合其焊接难点与特点改进、开发和应用合适的焊接工艺与方法,从焊接源头和过程的角度采取措施,才能取得满意的工程质量。

参考文献
[1]          王元良,陈. 高速列车率和技能焊接的发展趋势[J]. 电焊机,2010,40(10): 916.
[2]          周广涛,刘雪松,杨建国,等. 预置横向挤压载荷法防止铝合金薄板焊接热裂[J]. 中国有色金属学报,200919(4): 613618.
[3]          田锡唐,杨愉平,张. 随焊激冷防止焊接热裂纹新方法的研究[J]. 材料科学与工艺,19942(1): 6973.
[4]          徐文立,代宝昌,刘雪松,等. 随焊锤击对高强铝合金焊接接头应变分布的影响[J]. 焊接学报,200324(2): 2730.
[5]          范成磊,方洪渊,田应涛,等. 随焊冲击碾压对LY12CZ铝合金接头组织和性能的影响[J]. 材料工程,200410: 2428.
[6]          刘伟平,田锡唐. 一种防止高强铝合金焊接热裂纹产生的新方法[J]. 焊接学报,199516(2): 106110.
[7]          方洪渊. 焊接结构学[M]. 北京:机械工业出版社,2008.
[8]          李敬勇,章明明,李鹰,等. 预拉伸对铝合金焊接残余应力和变形的影响[J]. 热加工工艺,200512: 1517.
[9]          周广涛,刘雪松,杨建国,等. 纵向预拉伸增大铝合金焊接热裂纹倾向的分析[J]. 焊接学报,200930(1): 105108.
[10]       郭绍庆,袁鸿,徐文立,等. 温差拉伸和随焊激冷配合使用控制焊接变形[J]. 焊接学报,200425(6): 8286.
[11]       王威,徐广印,王旭友,等. 1420铝锂合金激光焊接气孔抑制技术[J]. 焊接学报,200829(2): 5726.
[12]       李晓延,巩水利,张建勋. 轻金属焊接中组织、性能和寿命演变相关基础问题[J]. 机械强度,200830(6): 965973.
 
 
[ 资讯搜索 ]  [ ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 关闭窗口 ]

 
0条 [查看全部]  相关评论

 
推荐图文
推荐资讯
点击排行
网站首页 | 关于我们 | 联系方式 | 使用协议 | 版权隐私 | 网站地图 | 友情链接 | 网站留言 | 广告服务
购物车(0)    站内信(0)     新对话(0)