一種鋁合金焊接工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種鋁合金焊接工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空制造工業(yè)的不斷發(fā)展，鋁合金成為航空航天工業(yè)及航空發(fā)電機結(jié)構(gòu)中重要的結(jié)構(gòu)材料，它是上世紀(jì)70年代初由美國通用電器(GE)公司開發(fā)的以高強度、高淬透性和高斷裂韌性為特征的近13型鋁合金，該合金鍛造溫度范圍寬，特別適合于制作大截面鍛件，在航空工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)90年代，西方發(fā)達國家將研制出的高強度鋁合金，通過整體鍛造+數(shù)控加工應(yīng)用于新型航空發(fā)動機葉輪部件，顯著提高了發(fā)動機的效率。
[0003]在航空航天的裝備和制造過程中，焊接和連接技術(shù)始終處于至關(guān)重要的地位。鋁合金由于其優(yōu)良的綜合性能在航空領(lǐng)域應(yīng)用的越來越多，鋁合金的焊接/連接技術(shù)也已成為工業(yè)部門的研究熱點。連接技術(shù)是現(xiàn)代制造工業(yè)中不可缺少的加工手段，是通過機械的、物理的或化學(xué)的方法，把兩種材料或零部件結(jié)合在一起?，F(xiàn)在生產(chǎn)和制造領(lǐng)域中，很多工程應(yīng)用時離不開焊接?，F(xiàn)在越來越多的產(chǎn)品采用各種焊接方法把不同材料、形狀、結(jié)構(gòu)和功能的零部件連接成一個復(fù)雜的整體，特別是大型鈦制設(shè)備。這大大簡化了部件整體加工的工序，節(jié)省了材料，提高了生產(chǎn)效率。在鋁合金的各種連接方法中，焊接作為鋁合金加工的重要手段，有著提高材料利用率、減輕結(jié)構(gòu)重量、降低成本等方面的優(yōu)勢，因此鋁合金焊接方面的研究工作一直被國內(nèi)外焊接工作者重視。鋁合金在保護措施良好的條件下可以采用TIG,HG,電子束焊及摩擦焊等多種方法進行焊接。傳統(tǒng)的焊接技術(shù)如TIG焊、MIG焊等，由于它們具有設(shè)備成本低，操作簡便等特點，目前在制造業(yè)中仍在廣泛應(yīng)用并居主流地位。但它們在焊接鋁合金等特殊材料時受到一定的限制，這是因為它們存在一些缺點，如:能量密度低；焊接速度慢，效率低；焊接參數(shù)可控精度差；焊縫深寬比小，厚板工件需采用多層多道焊；焊縫熱影響區(qū)寬，焊縫性能低；工件變形大，需采用校正措施減少變形；焊縫精度差，重要部件需重新機械加工等。另外，采用TIG，MIG，PAW等方法焊接鋁合金時，由于保護氣氛及純度的限制，會使焊接接頭的氧、氮、氫的含量增加，焊后易在焊縫區(qū)形成脆性相或微氣孔，降低焊接接頭的塑性和韌性。而電子束焊接是目前最成熟的高能束流加工方法之一，在航空及宇航的焊接結(jié)構(gòu)制造中得到了廣泛的應(yīng)用。電子束焊通常是在真空條件下進行，保護條件良好，焊接適用范圍廣，能焊接絕大多數(shù)的金屬及其合金。對于焊接街頭，無論工件厚薄都可不開坡口，不加填充金屬，單道一次焊接，且速度快，工作距離大，焊接部位可達性好，電子束的運動軌跡可通過電磁力控制。電子束焊接具有能量密度高、穿透力強、焊接效率高、加熱范圍窄、加熱冷卻速度極快和顯著的鎖孔效應(yīng)特征，這使得電子束焊接過程和普通熔化焊有明顯不同。而且電子束焊接具有熔寬比高，焊件變形小，焊縫純潔度高等特點，尤其適用于鈦及鋁合金等活性金屬的焊接。因此，研究鋁合金電子束焊接接頭的組織及室溫、高溫力學(xué)性能有著十分重要的意義，為提高焊接質(zhì)量以及該合金在我國航空工業(yè)中的迅速發(fā)展和鋁合金的進一步推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)，為各航空材料電子束焊接結(jié)構(gòu)提供完整性評定。
[0004]鋁合金在保護良好的條件可采用鎢極氬弧焊、熔化極惰性氣體保護焊、等離子弧焊、真空電子束焊、激光焊等方法進行焊接。
[0005](I) TIG焊(鎢極氬弧焊)
[0006]TIG焊接是鋁合金焊接接合中最常用的方法。焊接時使用直流電，鋁合金接正極。在工件處于高溫狀況時，為保護焊接接頭的冷卻，以避免和空氣相接觸，它要靠采用焊炬噴嘴、拖罩和背面保護裝置通以適當(dāng)流量的氬或氬氦混合氣將焊接高溫區(qū)與空氣隔開。其中噴嘴結(jié)構(gòu)和尺寸對焊接質(zhì)量的影響很大，噴嘴結(jié)構(gòu)不合理時，會出現(xiàn)渦流或剛度不大的層流，前者會帶入空氣，后者則因干擾破壞層流，同樣也會混入空氣?？諝膺M入電弧區(qū)，玷污熔池，使得焊縫金屬冶金質(zhì)量變壞，焊縫起皺，外觀差，這是不允許存在的。另外為了避免近縫區(qū)過熱，焊接電流應(yīng)有一定的限制，最大電流一般不能超過300A。這樣可不需要開坡口，用單道焊焊接厚度可達3?4_的合金。大厚度的鋁合金對接時需要開坡口，加填充焊絲用多層焊進行焊接。用這種方法焊接時最常見的缺陷是氣孔，其次是保護不良。此外鎢極夾雜、未焊透和焊縫背面回縮也時有發(fā)生。
[0007](2) MIG焊(熔化極惰性氣體保護焊)
[0008]MIG焊比TIG焊有較大的熱功率，效率高，常用于中厚度產(chǎn)品的焊接；可減少焊接層數(shù)、提高焊接速度和生產(chǎn)率、降低成本。焊接時使用直流反極性。為避免焊矩擺動擾亂保護區(qū)的氣流造成污染及擴大熱影響區(qū)，應(yīng)以直線行進方式焊接的原則。該焊接方法焊接時氣孔比鎢極氬弧焊少，但其主要缺點是飛濺問題，它影響焊縫成形和焊接保護。短路過渡適用于較薄件的焊接，噴射過渡則適用于較厚件的焊接。由于熔化極焊接時填絲較多，故焊接坡口角度較大。另外，要使用雜質(zhì)少的焊絲或注意焊接作業(yè)環(huán)境。鎢極氬弧焊的拖罩可用于熔化極焊接，只是由于焊接速度較高、高溫區(qū)較長，拖罩要適當(dāng)加長，并用流水冷卻。
[0009](3) PAff (等離子弧焊)
[0010]與TIG焊和MIG焊相比，等離子弧焊具有能量集中、單面焊雙面成形、弧長變化對熔透程度影響小、無鎢夾雜、氣孔少和接頭性能好等優(yōu)點，非常適于鈦及鋁合金的焊接。等離子焊接使用恒流電源的直流(棒狀負(fù)極)產(chǎn)生的傳熱型等離子體，可用“小孔型”和“熔透型”兩種方法進行焊接。厚度2.5?15mm的鋁合金板材采用“小孔型”方法可一次焊透，并可有效地防止產(chǎn)生氣孔?！叭弁感汀狈椒ㄟm用于各種厚度，但一次焊透的厚度較小，3_以上一般需要開坡口，填絲多層焊。一般的等離子焊使用氬氣中添加5%?7% H2的混合氣體來提高電弧的收縮性。但焊接鋁合金時，為了避免產(chǎn)生鈦的氫化物，使用純氬或氬與氮的混合氣體，且不能混入氫氣。
[0011](4) EBW (真空電子束焊)
[0012]真空電子束焊接特別適用于鈦及鋁合金的焊接，這主要是因為它有一系列的優(yōu)點:加熱功率密度大，焊接速度快，焊接冶