（材料加工工程专业论文）厚板2519铝合金双丝mig焊工艺研究.pdf

呛尔演1 。业人学t 学坝l 学位论殳 摘要 双丝m i g 焊足为夫幅度提高焊接生产：效率而 1 发l 勺新型焊接技术，在 国外应用较为广泛，而匹i 内的应用尚处于起步阶段。厚板钳台金焊接中提高 焊接生产效率是亟待解决的问题，为此本文对厚板2 5 1 9 铝合会的双丝m i g 焊方法进行了深入细致地研究，主要包括焊接工艺及接头的拉伸、冲击、应 力腐蚀性能等方面。 首先，本文针对2 0 m m 厚的2 5 1 9 铝合令使用了大电流两道和小电流四 道两种工艺进行了焊接，比较了焊缝成形和接头的力学性能。结果表明：大 电流两道焊接头的抗拉强度、延伸率比小电流四道焊高：而大电流两道焊接 头的冲击韧性比小电流四道焊低。此外还研究了大电流两道焊接头的酬应力 腐蚀性能。结果发现：在厚度方向上心部比边部刚麻力腐蚀性差。 其次，综合了日u 丽两种：艺的优点，对2 0 r a m 厚试板选择了一种新的 焊接规范，即大电流四道焊。对接头的硬度及微观组织分析征明了焊缝区为 薄弱地带：此规范下接头抗拉强度为2 9 6 ，4m p a ，达到啡材的6 1 + 2 ；接头 的冲击韧性值为l3 2 5j e r a 2 ，达到母材的4 1 7 ：另外，根据母材的最终热 处理状态选择了接头的时效处理温度为1 7 5 ，时效后发现接头抗拉强度随 着时效时删的延长丽不断降低。 为制定不同厚度和坡口尺寸试板的焊接工艺，本文还研究了焊接速度、 焊接电流、低频调制脉冲对单道焊接头拉伸性能的影响。使用大电流规范， 当焊接速度在3 2 0 5 8 8 m m m i n 范围内时，接头抗拉强度差别不大；在保持 线能量相同的情况下，大电流高焊速比小电流低焊速下获得的接头抗拉强度 高2 1 4 ：采用附加低频调制脉冲焊接时，焊缝表面能够形成更细小、美观 的鱼鳞纹，并可以显著地增加熔深，而强度却有所降低。 关键词双丝m i g 焊；2 5 1 9 铝合会；力学性能；焊接。：艺 譬尘玺! ；些尘兰! ；兰竺：! ：茎竺誊i ：j ： a b s t r a c t i no r d e rt oi n c r e a s et h ew e l d i n ge f f i c i e n c yi nt h ew i d er a n g e ，t h ed o u b l e - w i r em i gi sd e v e l o p e d t h et e c h n i q u ei sa p p l i e dw i d e l yo v e r s e a s ，a n di t s a p p l i c a t i o ni si ns t a g eo fu n d e r w a yl e v e la th o m e t h em e t h o do f2 519t h i c kp l a t e a l u m i n u ma l l o yd o u b l e w i r em i gw e l d i n gi n c l u d i n gw e l d i n gp r o c e d u r e ，t e n s i l e p r o p e r t i e s ，i m p a c tp r o p e r t i e s ，s t r e s sc o r r o s i o np r o p e r t i e sa n ds oo ni sr e s e a r c h e d i nd e t a i lt os o l v et h ew e l d i n ge f f i c i e n c yp r o b l e m f i r s t l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n da p p e a r a n c eo f w e l do ft h ej o i n t sb yt h et w o - p a s sw e l d i n gw i t hl a r g ec u r r e n ta n dt h ef o u r - p a s s w e l d i n gw i t hs m a l lc u r r e n tw e r ei n v e s t i g a t e di nm i gw e l d i n go f2 0 m mt h i c k 2 519a l u m i n u ma l l o yp l a t e t h er e s u l t ss h o wt h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o n p e r c e n t a g eo ft h ej o i n t sb yt h et w o p a s sw e l d i n gw i t hl a r g ec u r r e n ta r el a r g e r t h a nt h a to ft h ej o i n t sb yt h ef o u r p a s sw e l d i n gw i t hs m a l lc u r r e n t ，b u tt h ei m p a c t t o u g h n e s so ft h ej o i n t sb yt h et w o p a s sw e l d i n gw i t hl a r g ec u r r e n ti s s m a l l e r m o r e o v e r , t h er e s u l t ss h o wc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec e n t e ro ft h ej o i n t sb yt h e t w o p a s sw e l d i n gw i t hl a r g ec u r r e n ti sw e a k e rt h a nt h a to ft h ee d g eo ft h ej o i n t s a l o n gt h i c k n e s sd i r e c t i o no fw e l d m e n t s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h em e r i to ft h ea b o v et w op r o c e s s ，t h ef o u r - p a s s w e l d i n gw i t hl a r g ec u r r e n t ，a st h eo p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r ，i su s e dt ow e l d 2 0 r a mt h i c k2 519a l u m i n u ma l l o yp l a t e t h em o s tv u l n e r a b l ea r e ai sa p p r o v e di n w e l dz o n eb ya n a l y s i so ft h eh a r d n e s sa n dm i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo ft h ej o i n t s t h er e s u l t ss h o wt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ej o i n ti su pt o2 9 6 4m p a ，e q u i v a l e n t t o6 1 2 t h a to fb a s em e t a l t h ei m p a c tt o u g h n e s so ft h ej o i n ti s1 3 2 5j c m 2 ， e q u i v a l e n tt o41 7 t h a to fb a s em e t a l i na d d i t i o n ，t h ej o i n t sw e r ea g e da t17 5 a c c o r d i n gt ot h eh e a tt r e a t e dc o n d i t i o no fb a s em e t a l t h ea g i n gt e s t ss h o wt h e t e n s i l es t r e n g t ho ft h ej o i n t sd e c r e a s e sw h e nt h ea g i n gt i m ei n c r e a s e s f i n a l l y ，t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r si n c l u d i n gw e l d i n gs p e e d ，w e l d i n gc u r r e n t a n dl o w f r e q u e n c ym o d u l a t i n gp u l s ee f f e c to nt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ej o i n to f t h es i n g l e p a s sw e l d i n gw e r es t u d i e d ，w h i c ho f f e r sr e f e r e n c et od r a ww e l d i n g p r o c e d u r eo fv a r i o u st h i c k n e s sa n dg r o o v ew e l d m e n t t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h e j o i n t s d o e s n t s i g n i f i c a n t l yv a r yw i t hl a r g ec u r r e n ta n dh i g hv e l o c i t y a st h e 哈尔滨丁= 业大学工学硕士学位论文 _ ，= 目e e 日e = | 一m i 一 ， i e t _ 目日_ e 一 w e l d i n gs p e e dc h a n g e si nr a n g eo f3 2 0 - 5 8 8 m m m i n w h e nt h eh e a ti n p u ti s c o n s t a n t ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ej o i n tb ys i n g l e p a s sw e l d i n gw i t hl a r g e c u r r e n ta n dh i g hv e l o c i t yi n c r e a s e sb y2 1 4 c o m p a r e dw i t ht h a to ft h ej o i n tb y s i n g l e - p a s sw e l d i n gw i t hs m a l lc u r r e n ta n dl o wv e l o c i t y 融ew e l d i n gt e s tw i t h a d d i t i o n a ll o w - f r e q u e n c ym o d u l a t i n gp u l s es h o wt h ea p p e a r a n c eo fw e l di s h a n d s o m ea n dt h ep e n e t r a t i o nd e p t hi n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y ，b u tt h es t r e n g t h o f t h ej o i n td e c r e a s e s k e y w o r d s d o u b l e - w i r em i gw e l d i n g ；2 519a l u m i n u ma l l o y ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；w e l d i n gp r o c e d u r e 1 1 i 哈尔演下业人学r 学坝f ：学位论义 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着科学技术的不断进步，对产品所使用的材料提出了更高的要求。作 为高性能轻型结构材料，铝合会的优良性能不断地被认识和利用。与其它材 料相比，铝及铝合余具有比重小、导电性好、耐蚀性强、散热性能好、比强 度高和易于进行多种加工等特点，而在机车车辆、制冷、汽车工业、石油化 工、船舶、海洋工程等行业中得到广泛应用。而且，由于铝比塑料、玻璃 钢等更易于回收和处理，使其在当今推崇保护环境、净化人类生存空间的时 代中，受到了绿色环保人士的青睐b j 。 高强铝合会因为具有高的比强度和比刚度，以及良好的加工和力学性 能，成为轻型战车、坦克装甲的理想材料。2 5 1 9 ( a 1 c u m n 系) 铝合金是美 国在2 0 世纪8 0 年代后期研发的一种新型装甲铝合会，其目的是在防护效能 不低于7 0 3 9 ( a 1 m g ) 的前提下，提高装甲铝合金在海水及盐雾环境下的抗应 力腐蚀性能。从表1 1 可以看出，它综合了7 0 3 9 t 6 4 铝合会优良的强度和 冲击性能以及5 0 8 3 h 1 3 l 好的耐应力腐蚀开裂性能，并具有良好的焊接 性，因此2 5 1 9 可以代替另外两种合金而为构件提供足够的抗力 3 - 6 。 表i 1 合金性能| 6 合金类型 a o2 占 k i c局s c c m p am p a m l nm p a m 1 7 2 5 0 8 3 h 1 3l3 1 8 59 33 0 42 3 1 7 0 3 9 t 6 44 0 0 ，01 3 63 8 8 6 4 2 5 】9 t 8 7 。4 2 3 41 2 42 6 62 3 1 关于2 5 1 9 铝合会焊接的研究在国内外并不多见。近年来开发的双丝 m i g 焊方法，由于其具有效率高，焊缝成形美观，接头力学性能优良等特 点，必将成为高效化焊接的一个完美的选择1 7 1 。 虽然2 5 1 9 铝合会有着良好的综合性能，但在焊接过程中受到不同焊接 工艺条件下的热量输入的影响，接头组织发生了变化，焊缝及热影响区的性 能也相应发生了变化，严重影响了焊接结构件的总体强度和使用寿命。因此 深入研究2 5 1 9 铝合金双丝m i g 焊的焊接工艺及接头性能，对于高强铝合金 h a 尔滨丁业人学下学蝴l ：学位论立 的应用具有十分重瑟的价值。本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 计划一高强铝合会厚板焊接技术，即双丝焊技术研究。 1 2 高强铝合金双丝m i g 焊的研究现状 1 2 1 双丝m i g 焊的焊接原理与优势分析 目前，铝合会焊接中最常采用的熔焊方法是钨极氩弧焊( t i g ) 和熔化极 氩弧焊( m i g ) 。对于常规的t i g 焊来讲，由于鸽极容易烧损，限制了焊接电 流最大值。导致熔深小，焊接效率低，只适用于薄板或厚板结构件的打底 焊。m i g 焊则通过提高电流来大幅度提高熔敷速度。提离熔敷速度就意味着 热输入的增加。而为了防止由于热输入的增加而引起的焊接变形，一般采用 提高焊接速度的方法，焊接速度的提高易产生未焊透、咬边等缺陷弘“0 j 。 上个世纪七十年代国外就开始开发双丝焊方法，九十年代开发出了较为 完善的焊接工艺。双丝m i g 焊方法由于两根焊丝同时熔化、处于同一个熔池 中，二者互相加热，最大跟度的减少了热量损失。提离了熔敷速度。 双丝焊原理如图l 一1 所示，该设备是将两根焊丝按一定的角度放在一个 特别设计的焊枪尾，两根焊丝由各自的电源供电，所有的参数都可以独立调 节，这样可以灵活地控制电弧。与其它熔焊技术相比这种方法的主要特点 是1 4 j ： f 1 ) 显著提高了熔敷速度： ( 2 ) 提高7 焊接速度； ( 3 ) 热输入明显减少，焊接变形显著降低； f 4 ) 延长了熔池中气体的析出时间，降低气孔率。 文献【7 】中指出，使用双丝焊工艺焊接2 3 m m 薄板铝合令时，焊接速度 可达6 m m i n ，焊接8 r a m 以上厚板时，熔敷速度可达2 4 k g a ，在焊接要求控制 线能量的低合会高强钢等材料时是替代埋弧焊的最佳工艺。该工艺可以焊接 碳钢、低合金钢、不锈钢、铝等各种金属材料，是一种商速、高效的先进焊 接技术。 如图1 2 为双丝焊与其它几种常规熔焊方法熔敷速度对比，由此看出双 丝m i g 焊的熔敷速度比普通单丝焊提高近两倍。 喻自；滨t 业人学t 学坝i 学位论史 纠i i 烈丝焊i 。艺原理1 7 s i n g l ew i r e s i n g l ew i r eh i g h d o u b l ew i r e s t a n d a r d c a p a d t yp r o c e s s w e l d i n g 幽卜2 烈丝焊与其它熔焊方法熔敷速度刈比7 1 总之，双丝焊接作为一种高效节能、优质经济的焊接方法，在实际生产 中具有良好的应用日口景。当焊接参数适当时，可以获得1 毛溅低、成形美观的 焊缝1 。 1 2 2 双丝m i g 熔滴过渡研究 焊接过程中焊丝熔化，形成熔滴不断过渡到焊缝中构成填允会属的过 程就是m i g 焊过程中的熔滴过渡现象。而熔滴过渡现象的存住，不但使焊 接电弧行为发生变化。而且对焊接过程的稳定性、焊接质量有着决定性的影 8 6 4 2 0 8 6 4 2 o ( u b 兰m b j co童04m凸 响。为了获得成形美观、性能优良的接头必须对焊接过程中熔滴过渡的形态 进行控制。文献 1 6 1 中对双丝m i g 焊的熔滴过渡进行了较为深入的研究。 熔滴过渡过程是一个高亮度、高速度、高温的瞬态过程对它的研究目前普 遍采用的手段是高速摄影方法。它是利用高速摄影机以每秒几百到上 力幅画 面的速度拍摄下熔滴过渡的动态过程图像，然后通过分析照片和以f 常2 4 幅秒速度来放映影片，研究熔滴过渡现象【1 7 叫剐。 由于焊丝及熔滴均处于强烈的电弧光包围之中，所以为了拍清楚熔滴过 渡过程采用背光阴影法，其原理和装置如图1 3 。在电弧背后，用另一个强 光源照射，可以衬托出焊丝和熔滴的形念：同时，必须在摄像头物镜前用合 适的滤光片将焊接弧光滤掉一部分，才能拍摄到具有清晰画面熔滴过渡的底 片。此时，焊丝和熔滴都变成了阴影。背光的光源可以采用直流碳弧、氙灯 或是激光f l9 1 。 图1 3 背光阴影法拍摄熔滴过渡的装置幽i ” 文献【1 6 中研究给出了不同熔滴过渡形式所获得的焊缝成形照片a 如下 图卜4 、1 5 、1 - 6 所示。 幽1 - 4 一脉一滴的焊缝成形 ! 片6 幽i 5 多脉滴的焊缝成形j = 【片i ” 图1 6 一脉多滴的焊缝成形照片i ” 通过对熔滴过渡过程的研究得出在一脉一滴的熔滴过渡过程中，其电弧 燃烧稳定，一个脉冲过渡一滴，两丝交替过渡，过渡的方向性好，飞溅很 小，焊缝成形很好。多个脉冲过渡一滴时，过渡不均匀电弧有摆动现象， 稳定性较差，飞溅颗粒较大，焊缝成形不均匀，表面粗糙。在一脉多滴过渡 时，第二滴很小电弧跳动，有时回烧，有时飞溅，在焊缝的中央形成凹 槽，这主要是由于脉冲时间较大，电弧力也较大，导致熔池的凹陷量增加。 图1 7 般丝焊熔滴过渡规范阮间6 哈尔滨1 业夫学丁学硕卜学位论文 为了获得一脉滴的熔滴过渡形式，在焊接过程中必须严格控制焊接规 范。包括临界脉冲电流和脉冲周期。文献中还给出了双丝焊临界脉冲规范区 间。由图1 7 可知，随着脉冲电流的增大，脉冲宽度将急剧减小，但随着脉 冲电流的增大，减小的趋势将降低；不同的脉冲电流，其脉冲宽度的规范区 间也不尽相同。电漉过夫和过小? 脉冲宽度都变得很小。 1 2 3 厚板铝合金脉冲m i g 焊工艺研究现状 目f j 对于铝合会双丝m i g 焊工艺的研究主要是针对2 2 】9 合会进行的。 文献 2 0 3 0 1 中研究了铝合会熔化焊方法中缺陷产生的原因和防止措施。文 献f 3 1 1 中详细研究了2 2 1 9 铝合会双丝焊过程中工艺条件对气孔的影响规律 得出了以下结论：铝合盒气孔的形成主要是由于氢在液念和固态会属中溶解 度的巨大差异造成的：氢的来源主要来自两方面，一个是焊接工艺不当，另 一方面是氧化膜中吸附的水分i j 刚；焊接时在保证良好的焊缝成形的条件 下，应尽量采用大电流、高电压、低焊速、低枪高的焊接规范：运用不同焊 前处理方法对氧化膜去除后进行焊接对比试验，可知焊前不同的处理方法对 气孔率有一定的影响，但并不明显，焊丝的表面状态对气孔的数量起重要作 用。 文献 1 0 中研究了2 0 m m 厚2 2 1 9 铝合金单丝单脉冲m i g 焊和单丝附加 低频调制脉冲m i g 焊的焊接工艺及接头拉伸性能。 分别采用表1 2 的规范和在此基础上设定表1 3 的低频调制脉冲参数焊 接，得到的焊接接头抗拉强度分别为2 9 6 4m p a 和2 9 8 8m p a ，延伸率分别 为4 7 和5 o 。因此得出结论，对于革丝m i g 焊来讲，使用低频调制脉 冲焊接能够在一定程度上提高接头的强度和延伸率。 表1 2 单丝脉冲m i g 焊基本参数f 。o i 送丝述度频率脉冲电压脉冲时间基值电流焊速 m ，m i nh zvam m m i n 6 o2 1 03 12 08 54 5 0 表卜3 附加低频调制脉冲参数【o 第二脉冲频率第二脉冲电压第_ 二脉冲时间 h z v m s 8 02 6 3 2 此外，对于双丝焊工艺的研究还集中在以下几个方面1 3 1 】 哈尔滨t 业人学t 学硕i ：学位论史 ( 1 ) 2 0 m m 厚2 2 1 9 合余对焊工艺研究。研究中所采用的焊接坡口如图1 8 所示。 a ) u 州坡口示意图 i o ) x 州坡1 2 1 示意幽 幽1 - 8 焊接坡1 2 ：1 1 3 1 1 针对上图1 - 8 中a ) 所示的u 型坡口采用的焊接规范见表卜4 。最后得到 的焊缝抗拉强度为2 5 4 6m p a 。 表1 4 u 型坡口焊接规范1 3 送丝速度频率脉冲电压 脉冲时间 基值电流焊速 焊接顺序 m m i nh z v am m ，m l n 7 6 1 8 02 6 02 17 0 止面第一道 5 3 0 6 61 8 02 4 02 17 0 7 6 1 8 0 3 1 2 2 1 7 0 反岙第一二道 3 2 0 7 0i 8 03 0 02 17 0 对图1 8 中b ) 所示的x 型坡口，选择了表1 5 的焊接规范，该规范下焊 接接头的性能如表l 一4 。试样的平均抗拉强度为2 8 1m p a ，2 2 1 9 母材抗拉强 度的平均值为4 6 3m p a 。改变工艺后焊缝的抗拉强度有较大的上升，达到母 材强度的6 0 7 ，而延伸率变化不大。 表1 5x 型坡口焊接规范1 3 送丝速度 频率 脉冲电压 脉冲时间 基值电流焊速 焊接顺序 m ，m i nh zvm sam m ，m l n 7 6 2 3 0 2 4 o2 19 0 止面第一道 5 8 9 7 0 2 3 0 2 6 ，o2 19 0 1 0 5 2 5 0 2 4 01 99 0 反面第二道 6 7 7 9 5 2 5 02 6 01 99 0 ( 2 ) 4 0 m m 厚2 2 1 9 铝合令对焊成形及性能研究结果。在2 0 m m 铝合会焊 接的基础上，得到了4 0 m m 厚板铝合盒焊接的规范。正面第一道焊接规范 i 】f 尔滨t 业人学t 学碳l j 学位论义 较小，避免焊漏。反面第一道焊接规范较大，以达到焊透的目的。另外正反 面第二道规范应根据正反面焊接坡口尺寸而确定。保证焊缝成形较好的情况 下有足够的焊接熔敷量，焊接规范如表1 - 6 所示。 表1 64 0 r a m 厚板焊接规范1 3 送丝速度频率脉冲电压脉冲时间基值电流焊速 焊接顺序 m ，m l n h zv m sa m m ，m i n 7 62 3 02 4 o2 19 0 正面第一道 5 8 9 7 o2 3 02 6 ，02 19 0 1 0 52 5 02 4 o1 99 0 反面第一道 6 3 3 9 52 5 02 6 01 99 0 1 2 5 2 9 0 2 4 o1 99 0 反面第二道 6 4 8 1 0 5 2 9 0 2 6 01 99 0 1 0 ，52 5 02 4 o1 99 0 止面第一二道 6 3 3 9 5 2 5 0 2 6 01 9 9 0 在同样的焊接规范下，焊枪高度对焊缝影响也很大。正面第一道焊接 时，焊枪的高度较大，一般高出坡口上表面约2 3 m m 。这时虽然焊枪离坡 口底部的高度较大，但由于焊接坡口是窄间隙坡口，受坡口的制约，焊接时 电弧升高，弧高大约是l5 m m ，高度适中焊缝成形良好，飞溅很少。在进 行f 面第二道焊接时，焊枪高度变小，一般距离坡口上表面4 5 r a m 。当采 用单面两道焊接时。第二道焊缝不易填充，易形成咬边等缺陷，而降低焊枪 高度可以增加焊缝的熔宽，从而改善焊缝表面成形，最终焊缝成形如图1 - 9 所示。所得焊缝强度较好，为2 8 1 3m p a ，达到母材的6 0 8 。 a ) 上l 面第一道焊缝成形b ) 止面第二道焊缝成形 阶尔滨t 业人学丁学硕 岸位论文 c ) 反丽第一道焊缝成形d ) 反面第一二道焊缝成形 幽1 94 0 m m 厚扳焊缝成形j ( 3 ) 角焊缝焊接试验。研究中选择的坡1 2 1 是在一块板的侧边丌一个 1 0 m m 1 0 m m 的槽，与另一块板进行搭接坡口示意图l 一1 0 所示。2 0 r a m 角焊缝的焊接要求是在角接处焊缝余高达到6 8 m m ，焊缝成形良好并有足 够的焊接强度。 豳1 1 0 角焊接坡口示意幽 文中通过试验获得了角焊缝f 反面的焊接规范，规范如表1 7 所示。 表i 72 0 r a m 厚板角焊缝焊接规范i 3 送丝速应频率脉冲电压脉冲时间墓值电流焊速 焊接顺序 m m i nh zvm sam m ，m i n 3 6 1 2 02 5 0 2 1 9 0 外侧 4 4 2 3 51 2 02 4 02 19 0 7 61 8 0 2 3 o 2 17 0 内侧 5 8 9 6 6 1 8 0 2 5 o 2 j。7 0 从表中可以看出内外侧的焊接规范不相同。这主要是因为焊接时焊枪高 度的影响。在进行外侧焊接时采用小规范，焊枪高度较低。为了避免焊枪和 工件相接触，焊枪不能降低到第一道焊接规范的高度。因此必须在一定的枪 高下，重新调节较大的规范来进行焊接以获得良好的焊缝成形。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容 本文是在原有2 2 1 9 铝合会双丝m i g 焊熔滴过渡和工艺初步研究的基础 上进行的。首先深入地研究了2 0 m m 厚2 5 1 9 铝合余工艺规范和接头的拉 伸、冲击、应力腐蚀性能的关系，以及焊后的人工时效处理对接头力学性能 的影响规律。其次，研究了焊接速度、焊接电流、低频调制脉冲参数对单道 焊接头力学性能的影响。本文所进行的研究为高效的双丝m i g 焊在厚板铝 合金焊接中的广泛应用起到了重要的指导作用。具体研究内容有： 1 对2 0 r a m 厚的2 5 1 9 铝合金焊接，找到了大电流两道焊和小电流四道 焊两种不同的焊接工艺。研究了这两种不同工艺下接头的拉伸、冲击性能的 差别并分析了产生这种差别的原因。对大电流两道焊的耐应力腐蚀性能进行 了初步评定。 2 综合大电流两道焊和小电流四道焊在焊缝成形和接头力学性能方面 各自的优势，制定了另外一种新的焊接工艺，既大电流四道焊工艺，并研究 这一工艺下接头的硬度、微观组织、拉伸性能、冲击性能。 3 研究双丝焊接头的人工时效处理工艺，力求找到一定时效温度下接 头的抗拉强度随时效时间的变化规律。 4 研究焊接速度、焊接电流、低频调制脉冲对单道焊接头拉伸性能的 影响规律。为制定不同厚度和坡口形状试板的焊接工艺提供依据。 竺垒堡三些尘耋三兰竺! ：耋竺丝兰 第2 章2 0 r a m 厚2 5 1 9 铝合金两种不同焊接工艺下 的焊缝成形 2 1 焊接系统及焊前准备工作 2 1 1 双丝焊系统组成 本试验采用的是德国c l o o s 公司开发的t a n d e m 双丝m i g 焊接系 统，该系统包括2 台g l c 5 0 3q u i n t op r o f is d 焊接电源，2 台c k 7 8 d rs d 送丝机和1 把z m w 6 4 0 a 0 0 焊枪及个行走小车。图2 1 为系统的实物组 成。 幽2 - 1 烈丝焊系统组成实物削 2 1 2 焊丝的选择及合金的成分 对于铝合金焊丝的选择主要根据母材的种类、接头力学性能及耐腐蚀性 等因素综合考虑，一般情况下均选用与母材成分相同或相近牌号的焊丝。 2 5 1 9 合会和2 3 1 9 焊丝的成分如表2 1 。 n 矗尔演t 业凡学下学领1 学位论文 丧2 1 合金成分【3 2 i ( ) 台金c u m g m n z r t i f e s i z n a i 2 5 1 95 8 002 2o2 8o 2 10 0 60 1 50 0 60 2 0 其它 2 3 1 96 4 0 0 0 2 o 3 00 1 50 3 00 2 00 j 0 其它 目前困外2 5 1 9 铝合会辉接j i 要使用的焊埋啤号和采月jg m a w 方法得 到的焊接接头性能如表2 2 。 袭2 - 2 他 h 不同蛘丝所得刊的接、大性能比 z o “i 僳自。气断裂强度屈服姐度近仲率断面收缩率 焊丝牌号 m p a m p a 2 3 1 9 1 0 0 a r2 9 9 l8 8 3 6 1 7 - 3 2 3 1 92 5 a r 7 5 h e2 9 81 8 35 02 l ，8 4 0 4 3 2 5 ar 7 5 h e2 5 7 1 6 3 3 6 2 1 9 4 1 4 52 5 ar 7 5 h o3 0 42 0 92 28 1 通过对上述表格的分析可以得出，使用2 3 1 9 焊丝所搿到的焊接接头综 合性能较好。另外文献【3 i 】中针对2 0 m m 厚2 2 1 9 铝台余u ，坡口单面焊接 时，使用国外的2 3 1 9 焊丝所得到的焊缝强度为2 5 4 6m p a ，丽使用国产 2 3 1 9 焊丝所得焊缝强度仅为2 1 3 6m p a ，且存在大量的气7 l 。因此本试验选 用国外直径为1 6 r a m 的e r 2 3 1 9 焊丝，这样既可以提高焊接效率又可以得 到性能优良的挥拔接头。 2 1 3 焊接坡口和垫板设计 对2 0 m m 厚2 5 1 9 板进行平板对接试验，试板尺寸为1 2 0 m m x5 0 0 m m 。 以往的研究中常采用单面u 形坡口和双面x 形坡口两种。使用u 形坡口焊 接后接头变形量较大；使用x 形坡口焊接时，对中精度的要求十分苛刻， 否则会出现因讵反两道焊时熔深太小而根部未能熔合。为了避免上述两种坡 口的缺点这毋采用了改进后的对称的双u 形坡口，坡口角度为7 0 。，如图 2 2 所示。 在第一道焊的过程【 = i 为了防止焊缝表丽下船和控制反面成形使用了紫铜 衬挚，其实物外脱如图2 3 所示。 哈尔滨t 业人学工学硕士学位论文 闰2 - 22 0 m m 板带钝边破u 形坡口 幽2 - 3 紫铜衬垫实物图 2 1 4 焊前清理方法和焊接卡具选用 铝合金焊接时对坡口表面清洁度要求很高，坡口处的氧化膜很容易吸收 空气中的水分而在焊接后的接头处形成气孔，表面的油污和水份更是气孔的 直接来源；清理不彻底而遗留下的杂质往往会在接头处形成夹渣。以上这些 缺陷都是导致接头性能下降的直接原因。因此，焊前必须对坡口附近进行严 格清理。试验中采用的清理方法为：在第一道焊之前先用不锈钢丝刷认真清 理坡口，然后再用丙酮擦洗表面，以后的焊道在焊接之前只采用钢丝刷清 理。 焊接过程中输入的大量热会导致试板产生较大变形，为了限制这种变形 并且防止焊接中试板发生移动，采用如图2 - 4 所示的卡具。底板尺寸为 8 0 0 m m 6 0 0 m m x 4 0 m m ，上部盖板为尺寸为7 0 0 m m 1 2 0 m r r i 2 0 m m 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 4 焊接卡具实物图 2 2 双丝m i g 焊焊接规范选择 双丝m i g 焊的可调参数很多，包括起弧参数、焊接参数和收弧参数， 本文中所研究的焊接规范不包含起弧参数和收弧参数。双丝m i g 焊每根焊 丝的焊接电流、焊接电压、焊接速度、保护气流量等因素对焊缝熔深、熔 宽、余高的影响与单丝m i g 焊大致相同，但由于两个电弧间的相互作用导 致它们对焊缝最终成形有着不同的作用，从图2 5 就可以明显看出。 a ) 两根焊丝不同作用意图b ) 焊缝截面实物倒 图2 - 5 烈丝m i g 焊两根焊丝的不同作_ 焊接时前丝与焊件垂直且使用较大的电流和较低的电压，以形成较大的 熔深：后丝则与前丝成1 5 。角，保持相对前丝较小的电流和略高的电弧电 压，从而达到提高焊缝熔宽的目的。因此，在选择参数时应根据两根焊丝的 不同作用应选择不同的参数。试验中采用了两种不同的工艺对2 0 r a m 厚 2 5 1 9 铝合金进行焊接对比试验，以期获得不同外观成形和力学性能的接 头。试验中通过调节送丝速度来调节焊接电流，每组规范都分前丝规范和后 丝规范两种。 对于焊接速度的选择则，主要以能够填满坡口表面并形成一定量的余高 为直。针对不同的坡口在焊接之前应首先选择一个近似的焊接速度，通常的 选择都是以经验为主。另外还可以根据送丝速度来估算，这样更为方便、简 单。假定熔滴过渡中没有损失，即认为熔化的焊丝完全过渡到焊缝中，且焊 丝熔化前后密度未发生变化。当坡口表面填平时，根据熔化的焊丝的体积恰 好将坡口填平，可推导出焊接速度参考值。 式中珈 u l t 2 一 u 0 = 6 4 0 z r ( or + u 2 ) 朋( 2 - 1 ) 焊接速度参考值( m n g m i n ) ； 前丝送丝速度( m r a i n ) ； 后丝送丝速度( m m i n ) ； 坡口横截面积( m m 2 ) 。 有了公式( 2 1 ) ，只要我们仞步计算出坡口的横截面积，并选择合适的 送丝速度，就可以计算出焊接速度的参考值啪。实际焊接中选择略小于啪的 焊接速度就可以把坡口填满。对于一定横截面积的坡口，如果选择单道焊则 直接根据公式计算；如果选择多道焊，则只需事先把坡口面积分解成几部 分，对于每一部分面积分别利用上述公式计算焊接速度，就分别得到了多道 焊每次的焊接速度的参考值。 2 2 1 大电流两道焊焊接规范及焊缝成形 试验中选择的第一种工艺为大电流两道焊，即f 反各焊一道。经过大量 试验后选择了表2 3 所示的焊接规范。采用此规范所得到的焊缝f 面成形如 图2 - 6 所示，从图中可以看出焊缝成形比较美观。 表2 - 3 人电流两道焊焊接规范 送丝速度频率脉冲电压脉冲时间基值电流焊速 焊接顺序 m ，m lr l h z vm sam m ，m l n 1 0 02 3 02 5 02 21 0 0 止面 4 15 7 52 0 02 6 02 01 0 0 i o 5 2 3 0 2 4 o2 2i o o 反面 4 1 5 7 52 0 02 5 52 o1 0 0 为了获得优质的焊缝，第一道焊时反面使用了紫铜挚板。这样在第一道 坠尘堡二些当主：兰：| ：! ：兰竺丝兰 焊时即没有焊漏，又没有出现未熔透。背面成形如图2 7 。 在第二道焊接开始之前首先要对反面进行清根处理，目的是为了进一步 减少焊缝根部可能产生的缺陷。反面焊接时电流增加而电压降低，目的是为 了增大反面熔深，进一步减少根部可能出现的缺陷，第二道焊缝成形如图 2 8 。最终获得的接头表面成形比较美观。 i 茎i2 - 6 第一道表面成形 图2 7 第一道背面成形 图2 - 8 第二道焊外观成形 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 从图2 - 9 的焊缝截面可以看出，接头变形很小，余高不大，有些地方甚 至略有下陷。 图2 - 9 人电流两道焊焊缝截面 2 2 2 小电流四道焊焊接规范及焊缝成形 经过观察发现上述大电流两道焊焊缝表面余高太小，甚至有些地方略有 凹陷，这样的接头不能够适应对焊缝强度要求高的结构件。因此，除了使用 上述大电流的两道焊的工艺之外，试验中还采用了一种小电流的四道焊的工 艺， 表2 - 4 小电流四道焊焊接规范 送丝速度 频率脉冲电压脉冲时间 基值电流 焊速 焊接顺序 m m i nh zvm sam m ，m i n 7 82 3 02 5 52 11 0 0 正面第一道 5 1 3 7 o2 3 02 6 o2 11 0 0 7 82 3 02 5 52 ，11 0 0 反面第一道 5 1 3 7 02 3 02 6 o2 11 0 0 7 62 3 02 5 32 11 0 0 反面第二道 5 1 3 7 o2 3 02 6 52 11 0 0 7 62 3 02 5 82 11 0 0 止面第二道 6 6 0 7 o 2 3 02 6 5 2 11 0 0 焊接规范如表2 - 4 ，焊接顺序为先焊正面第一道，反面清根后焊反面第 一道，再焊反面第二道，最后正面第二道，这样安排焊接顺序不仅可以减少 焊接变形，而且为焊件装卡提供方便。所得到的焊缝f 反面成形如图2 1 0 、图2 1 1 。图2 1 2 为焊缝截面，从中可以看出它们的表面比大电流两道 焊饱满。 哈尔滨t 业人学下学硕l j 学位论义 幽2 - 1 0 止面成形 图2 - 1 1 反面成形 图2 - 1 2 小电流四道焊焊缝截面 2 3 本章小结 本章主要是从试验中找到2 0 m m 厚2 5 1 9 铝合会双丝m i g 焊两种不同焊 接工艺，并得到了表面质量较好的焊接接头。 哈尔滨工业人学工学坝，i 学位论j 1 选用直径1 6 m m 的国外e r 2 3 1 9 焊丝所得到的焊接接头综合性能比 较优良。 2 为了减小焊接变形，降低对中敏感度，减少焊接缺陷提高接头综合 性能，试验中采用改进后的双u 形坡口进行焊接，坡口角度为7 0 。 3 双丝m i g 焊焊接过程中两根焊丝的作用是不同的，前丝主要用于形 成熔深，后丝主要用于形成熔宽。根据这个原则选择了2 0 m m 厚板的两种 不同的焊接工艺，即大电流两道焊和小电流四道焊。 4 两种规范下焊缝的外观成形均比较美观大电流两道焊的焊缝余高 不大甚至略有凹陷，而小电流四道焊的焊缝表面填充得较为饱满。 哈永滨t 业人学t 学硕i 、学位论文 第3 章两种焊接工艺对接头力学性能的影响 本章主要对焊接接头的力学性能进行了综合测试，并从微观角度分析了 这种差异形成的原因。这部分内容包括接头在静载、动载和应力腐蚀条件下 力学性能的评定三个部分。 3 1 接头拉伸性能 3 1 1 拉伸试验 把2 0 m m 厚2 5 1 9 铝合会双丝m i g 焊焊接接头和母材按照如图3 1 所 示，加工成标准圆棒拉伸试样，标距为2 5 m m 。并在电子力能试验机上进行 常温拉伸试验。 3 1 2 性能对比分析 图3 - 1 标准拉伸试样 通过常温拉伸试验得到了以下几组数据，表3 1 、表3 - 2 、表3 3 分别 为大电流两道焊、小电流四道焊接头和母材的拉伸性能数据。 表3 - 1 人电流两道焊拉伸性能 抗拉强度屈服强度延伸率 r 试样序号 m p am p a 12 9 0 91 5 4 55 7 22 8 8 71 5 9 5 5 6 32 8 8 21 5 6 55 5 平均值 2 8 9 31 5 6 85 6 表3 - 2 小电流四道焊拉伸性能 抗拉强度屈服强度 延伸率 试样序号 m p am p a l2 7 5 4 1 8 1 15 2 2 2 8 8 1 】7 0 54 ，9 3 2 7 4 0 1 6 9 。l4 ，2 平均值 2 7 9 2 1 7 3 64 8 表3 - 3 母材沿轧制方向的拉伸性能 抗拉强度屈服强度 延伸宰 试样序号 m p am p a l4 7 8 74 4 5 3 1 6 5 24 9 0 84 3 9 31 8 9 34 8 4 5 4 4 1 91 9 8 平均值 4 8 4 7 4 4 2 21 8 4 由以上数据可以看出，2 5 1 9 铝合金母材沿着轧制方向的抗拉强度很 高，达到4 8 4 7m p a ，其塑性很好，延伸率为1 8 4 。焊接接头在单向拉伸 应力作用下的抗拉强度与母材相比显著降低，其中大电流四道焊接头的为 2 8 9 1m p a ，达到母材的5 9 6 ，比小电流四道焊的高出1 0 1m p a 。从图3 2 所示的两种工艺下接头的x 射线探伤结果可以看出，小电流四道焊的焊缝 区存在相对较多的气孔，气孔直径通常小于o 5 m m 。这些气孔的存在是导 致两种焊缝性能差异的最主要原因。小电流四道焊