铝合金中厚板焊接工艺试验

文章编号:1006-4710(2007)04-0394-04中厚板CO2多层多道焊对接接头焊接残余应力及其分布张敏,周小华,李继红,王莹(西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048)摘要:阐述了焊接残余应力场数值分析的理论基础,确定了计算模型,并采用有限元数值方法模拟计算了CO2多层多道焊对接接头焊接残余应力的大小及其分布。

算例结果表明,模拟结果与试验测试结果基本吻合,证明本文方法正确且有效。

关键词:残余应力;有限元;数值模拟;生死单元中图分类号:TG401 文献标识码:AResearch on Finite Element of Residual Stresses ofC O2Multipass Welding in Mid-Thickness PlateZH ANG M in,ZHO U Xiao-hua,LI Ji-hong,WANG Ying(F aculty o f M aterial Science and Enginee ring,Xi'an U niversity of T echnology,Xi'a n710048,China)A bstract:This pape r states the theoretical foundation o f numerical analy sis of w elding residualstress field and decides the calculation m odel.Acco rding ly,the mag nitude and distributio n of welding residual stress in CO2m ultipass w elding were calculated by finite element num erical sim-ulatio n.The results o btained fro m the calculation examples indicate that the simulatio n results are fo und to be in basic co nsistency w ith those o btained from tests,w hereby proving that the method described in this pape r is co rrect and effective.Key words:residual stress;finite element;numerical simulatio n;birth and death o f element 在焊接过程中,焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热,并局部熔化。

工业纯铝焊接工艺研究高敏;李海;王志强【摘要】针对纯铝材料的焊接难点,通过对厚度为24 mm的1050 A纯铝材料焊接工艺的试验研究,包括选择焊接坡口形式和焊接参数、确定焊接方法等,制定了中厚板纯铝材料焊接工艺方案,并成功应用在某公司的新型浓硝酸铁道罐车的制造过程中,结果表明焊接接头强度未见明显软化、焊缝成型美观、焊接效果有明显提高.【期刊名称】《东北电力大学学报》【年(卷),期】2018(038)004【总页数】4页(P66-69)【关键词】熔池;气孔;母材;试样【作者】高敏;李海;王志强【作者单位】东北电力大学机械工程学院,吉林吉林132012;丰满发电厂电气工程处,吉林吉林132108;吉林石化公司电石厂,吉林吉林132022【正文语种】中文【中图分类】TG457铝材具有可塑性能高、耐蚀性能强且易承受压力加工和拉伸的特点，被广泛应用于化学工业的储罐、塔器、热交换器及一些深冷设备中.在空气中，铝的表面极易形成一层致密的氧化膜，这层氧化膜能阻止母材进一步被氧化，由于这一特点，使铝金属在浓硝酸储存和浓硝酸输送管线中得到了广泛的应用[1].某公司研发的新型浓硝酸铁道罐车，就采用了中厚板纯铝材料进行制造.1 焊接难点分析由于铝材特殊的物理化学特性，其焊接工艺特点与钢比较有很大的不同，如表1所示.1.1 焊接热源表1中显示铝材比热容约为低碳钢和不锈钢的两倍、热导率则是低碳钢的五倍、奥氏体不锈钢的十倍.焊接过程中，一少部分能量用来熔化金属[2]，大部分能量则消耗在金属的其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著.为保证焊接接头质量，焊接时需采用相对集中的、大功率的热源，附加预热等工艺措施[3]. 表1 铝与钢的物理化学性能金属密度/(g·cm-3)电导率/(%I.A.C.S)热导率/W/(m·k)线胀系数/1/℃比热容/J/kg·K熔点/℃铝2.76222223.6×10-6940660低碳钢7.8104612.6×10-64961350304不锈钢7.8822116.2×10-649014261.2 气孔的产生纯铝在空气中被氧化后，会在表面生成一层致密的氧化膜，这层膜熔点高且非常稳定，会阻碍母材后续发生的熔化和熔合，铝材的表面氧化膜、母材和焊材表面所吸附的水分，是产生氢气孔的主要原因；另外，纯液态铝中溶解了大量的氢，固态铝却几乎不溶解氢，其溶解度相差近二十倍.在高温时，熔化的铝液中吸收大量氢分子；在凝固时，氢的溶解度突变，以气泡的形式溢出.由于铝的热导率大，熔池冷却速度快，焊缝中的氢来不及溢出，就在凝固的焊缝中形成氢气孔[4].1.3 焊接变形在表1中，纯铝的线膨胀系数比低碳钢的高出两倍.所以当纯铝凝固时，体积收缩率达6.5%～6.6%[5]，焊件的变形和应力较大.因此，需采取预防焊接变形的措施.生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生.1.4 焊接操作难度大纯铝具有较强的反光射能力，在焊接时由固态转变为液态时，表面颜色无明显变化，因此在焊接过程中，给操作者带来不少困难[6]，难以进行准确的判断；另外，高温纯铝的强度不足，难以支撑熔池，极易造成焊穿.2 焊接工艺试验2.1 试验材料试验材料为1050A(H112)，规格为500 mm×240 mm×24 mm，铝含量为99.5%.焊缝填充材料的选择应依据母材的成分、力学性能、耐腐蚀性能及其它使用性能，工业纯铝宜采用纯度不低于母材的填充材料，试验焊丝应采用铝合金焊丝SAL1450，规格为Φ4 mm和Φ5 mm.所采用的母材、焊材的具体成分见表2，焊接过程中采用高纯度(99.99%)氩气作为保护[7]，氩气具有较高的热输入，可使熔滴过程非常稳定、容易控制.表2 母材和焊材的化学成分(质量分数%)材料SiFeCuMnMgZnTiAl1050A0.250.400.050.050.050.070.0599.5SAL14500.250. 400.050.050.050.070.1099.52.2 焊前准备焊接试验中焊接试件采用X型坡口，坡口角度为80°、组对间隙5 mm、10 mm钝边.试件坡口部位及其两边各50 mm范围内要用有机溶剂(如汽油、丙酮)擦去油污[8]、灰尘及其他有害杂质，之后用不锈钢丝刷清除掉附着在金属表面的氧化膜，试板状态如图1所示.如果焊前清理不到位或者预热温度不够，焊缝中就很容易出现气孔、夹杂、未熔合等缺陷[9].焊材采用真空包装的表面抛光焊丝，开封后未使用完的焊丝需存放于100 ℃的保温箱中随用随取.2.3 焊接方法及试验参数铝制化工设备通常采用钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊，熔化极氩弧焊适用范围较广，可以在4 mm厚度以上的工件焊接任何位置的焊缝，并能得到优良的焊接质量[10].试验采用钨极脉冲氩弧焊、双面同步打底，自动熔化极气体保护、填充盖面工艺.焊接工艺试验参数，如表3所示.表3 焊接工艺参数焊接方法焊丝规格(mm)喷嘴直径(mm)电源种类焊接电流(A)焊接电压(V)焊接速(cm/min)气体流量(L/min)层间温度(℃)自动气体保护焊Φ428DCEP380-42028-3220-3045-50≤150手工氩弧焊同步Φ520AC180-24016-189-1112-16≤150对焊(自制)3 试验结果与分析3.1 无损检测焊后对试件进行100%RT检测，有分散的几个气孔，符合NB/T47013.5-2015 Ⅱ级合格如图2所示；对焊缝表面进行100%PT检测，无表面缺陷，符合JB/T4730.2-2005 Ⅰ级合格.图1 坡口形式和清洁状态图2 射线检测结果3.2 弯曲试验取四个横向侧弯试样，将焊缝余高去除，试样的金属焊缝中心正对弯心轴线，保证焊缝金属以及热影响区完全分布在试样的弯曲部分内，试验后观察弯曲面无开口缺陷.3.3 拉伸试验分别制取母材、焊接接头拉伸试样，试验数据如表4所示，焊接接头断裂位置在焊缝中心，试样断面无气孔、未熔合缺陷.表4 力学性能试验结果试样抗拉强度 (Rm/MPa)规定非比例伸长应力(Rp0.2/ MPa)侧弯(d=4a,a=10m,α=180°)母材82,79,7930,31,31/焊接接头76,77,7830,30,31合格4 结论采用钨极脉冲氩弧焊、自动熔化极气体保护焊对铝材进行焊接，焊缝区域焊前必须清理干净；严格执行工艺操作规程；选择适当的焊接工艺参数.在浓硝酸铁路罐车的制造过程中应用此工艺，焊缝成型美观，通过对焊缝进行RT检测、PT检测、弯曲和拉伸试验，试验结果符合要求、焊缝探伤合格率达到96%.参考文献【相关文献】[1] 葛凌风.工业纯铝管道的焊接工艺[J].现代制造，2009(33):48-49.[2] 殷春喜，黄军庆，熊震东，等.铝及铝合金TIG焊接特性[J].热加工工艺，2011，40 (1):129-131.[3] 郑复晓，杨国海.硝酸蒸汽冷凝管1A99工业纯铝焊接工艺[J].自动化与仪器仪表，2015，135(2)：131-132.[4] 杨鹏，彭招兄.浓硝酸装置纯铝管线的TIG焊焊接工艺的研究及制定[J].石化技术，2017，24(6):10-11.[5] 王兴起.常压铝罐体的焊接[J].滁州职业技术学院学报，2007，6(2):66-67.[6] 赵忠胜，申亮，张梅玲.磁悬浮列车用直线电机纯铝焊接技术探讨[J].电器工业，2013(12):77-78.[7] 周瑾，崔凯，王锡恒.工业纯铝储罐的焊接技术[J].焊接技术，2006，35(5)：71-72.[8] 丁京滨.曹士锐.纯铝制硝酸贮槽的焊接工艺[J].科技情报开发与经济，2006，16(14)：158-159.[9] 陈满乾.高纯铝的焊接[J].特种设备安全技术，2008(3):54-56.[10] 张小红.熔化极氩弧焊在大厚度纯铝焊接中的应用[J].今日科技，2005(8):43-44.。

试论铝合金MIG焊接工艺研究及应用【摘要】文章对铝合金mig焊接工艺进行了研究【关键词】铝合金；mig序言高强铝合金具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能，广泛应用于航空、航天及其它运载工具的结构材料，如：运载火箭的液体燃料箱、超音速飞机和汽车的结构件以及轻型战车的装甲等。

目前常用于铝合金连接的主要焊接方法有：交流钨极氩弧焊(tig)和直流反极性熔化极气体保护焊(mig)。

tig焊由于采用交流电，钨极烧损严重，限制了所使用的焊接电流，而且此法熔深能力弱，因此只适用于薄件铝合金的焊接。

mig焊包括连续电流焊接和脉冲电流焊接。

mig焊时，焊丝做为阳极，可采用比tig焊更大的焊接电流，电弧功率大，焊接效率高，故特别适合于中厚板铝合金的焊接。

实验研究发现，在铝合金mig焊时，脉冲电流焊接优于连续电流焊接，它提高了铝合金焊缝金属的强度、塑性和疲劳寿命。

为进一步提高电弧的稳定性、改善焊缝成形和增加熔深以及厚板铝合金的高效焊接，近几年国外发展了单丝复合脉冲mig焊和双丝tandem mig焊方法，本文针对30mm厚的7a52中厚板高强铝合金，进行了单丝单脉冲、复合脉冲和双丝tandem mig焊工艺的研究,并应用于生产中。

1 tandem双丝焊和单丝复合脉冲mig焊原理tandem双丝焊是将两根焊丝按一定角度放在一个特别设计的焊枪里，两根焊丝分别由各自独立的电源供电。

除送丝速度可以不同外，其它参数，如：焊丝的材质、直径、是否加脉冲等都可彼此独立设定，从而保证了电弧工作在最佳状态。

与其它双丝焊技术相比，由于两根焊丝的电弧是在同一熔池中燃烧，提高了总的焊接电流，因此提高了熔敷效率和焊接速度。

同时由于两根焊丝交替送进同一熔池，对熔池具有搅拌作用，而降低了气孔敏感性，改善了焊缝质量。

1.1 同频率同相位的(适合焊接钢)1.2 同频率相位差180度(适合焊接铝)1.3 不同频率相位任意(适合焊接钢)单丝复合脉冲焊接工艺是采用一个低频的协调脉冲对另一个高频脉冲的峰值和时间进行调制，使脉冲的强度在强、弱之间低频周期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群。

6061-T6中厚板铝合金激光焊接工艺研究针对6mm厚6061-T6铝合金试板做了大功率激光焊接试验，从焊接稳定性入手，分别讨论了离焦量、焊接速度、保护气体流量以及激光功率对激光焊接的影响，确定了中厚板铝合金在大功率激光焊接条件下的最佳激光焊接工艺参数。

最后，利用Simufact Welding软件针对试验结果进行了模拟验证。

结果表明：在采用氩气作为保护气体的条件下，最佳气流量范围为20L/min～25L/min。

在离焦量为-6mm～-4mm时，焊缝的熔深与焊接的稳定性均达到一个较好水平。

中厚板铝合金激光焊接难以得到临界焊透焊缝，往往表现为“透则漏”，因此容易得到部分焊透焊缝，此时小孔的稳定性最差，而全熔透焊的稳定性相对较好。

關键词：激光焊接;焊接角度;数值模拟;气孔率;力学性能6061-T6铝合金具有优良的焊接特性、良好的抗腐蚀性、韧性高且加工性能优异、氧化效果极佳等优良特点，逐渐替代了传统的钢材，广泛应用于电子、精密仪器、通讯以及航天领域[1-3]。

激光焊接是一种先进的连接技术，具有热输入小，变形小等优势。

但是由于深熔焊焊接过程铝合金材料对激光反射率高，激光能量吸收率很低、合金元素烧损严重，焊接过程不稳定，以及铝合金本身特殊的物理性质使得这种工艺还不成熟，焊接时存在着易产生焊缝下塌和气孔缺陷等问题[4-7]。

本文采用6mm厚的6061-T6中厚铝板铝合金材料，进行单因素激光焊接试验，研究不同的焊接工艺参数对激光焊接焊缝成形和焊缝质量的影响，优化中厚板铝合金激光焊接工艺参数，总结工艺参数与焊接接头形状的关系，并对接头的金相组织与力学性能进行观察与测试得出接头形状与金相组织及力学性能的相关性。

1 试验材料及方法试验材料为板厚6mm的6061-T6铝合金，化学成分如表1，实验板的尺寸为。

试验采取氩气为保护气体，通过控制单因素变量进行试验。

激光器是YLR-6000光纤激光器，激光焊接实验中保护气嘴与试验板表面法线的夹角为，距离实验板表面为5mm，焊接前用带有丙酮的棉布将实验板的表面擦拭干净，防止污染实验板，影响试验结果，焊接过程中保持激光垂直照射在焊板上。

铝及铝合金的焊接工艺评定试验解释说明以及概述1. 引言1.1 概述本文旨在探讨铝及铝合金的焊接工艺评定试验，通过对相关背景、意义、目标和步骤的解释说明，以及常用的评定试验方法的介绍，进行深入分析和讨论。

铝及铝合金作为重要的结构材料，在工业制造等领域有广泛应用，并且其焊接是一种常见且关键的加工方法，因此对于焊接工艺评定试验的研究具有重要意义。

1.2 文章结构本文分为五个部分进行论述。

首先是引言部分，概述了文章的内容和结构。

然后是正文部分，深入探讨了铝及铝合金焊接工艺评定试验解释说明。

第三部分着重介绍了铝及铝合金焊接工艺评定试验的背景和意义、目标和步骤，以及常用的测试方法。

第四部分对焊接工艺评定试验结果进行了分析与讨论，包括评价指标和结果表达形式选择以及两个关键要点的详细分析。

最后一部分总结了整篇文章，并展望未来发展方向并提出优化措施建议。

1.3 目的本文的目的是对铝及铝合金焊接工艺评定试验进行详细解释说明，并分析讨论其结果，以期增加读者对该领域的理解和认识。

通过对焊接工艺评定试验的背景、意义、目标和步骤进行介绍，使读者能够全面了解该领域的研究内容和方法。

同时，通过对常用测试方法及其优缺点的介绍，帮助读者选择适合自己研究对象和目标的评定试验方法。

最后，在结果分析与讨论部分，本文将重点探讨评价指标选择、结果表达形式以及关键要点一与关键要点二，并提供有助于提高焊接质量和效率方面的建议。

2. 正文铝及铝合金的焊接工艺评定试验是一项关键的技术活动，它用于验证和确定适用于特定焊接任务的最佳焊接工艺参数和方法。

通过对焊接材料、设备和操作进行系统而全面的评估，可以确保焊接过程的质量和可靠性。

在进行焊接工艺评定试验之前，首先需要了解并选择适当的铝及铝合金材料。

不同材料具有不同的物理性质和化学组成，因此需要根据实际要求选择最适合的材料。

然后，根据焊接项目的特点、要求和限制条件，确定所需评估的焊接类型（如手工电弧焊、气体保护焊等）。

铝及铝合金焊接施工工艺标准1 适用范围本工艺标准适用于铝及铝合金的手工钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊的焊接。

2 施工准备2.1 铝及铝合金的焊接除应执行本工艺标准外，还应符合国家颁布的有关标准、法律法规及规定。

下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款，凡是不注日期的引用文件其最新版本适用于本标准《铝及铝合金轧制板材》GB/T-3880-1997《铝及铝合金热挤压管》第一部分：无缝圆管GB/T4437.1-2000《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》GB/T6893-2000《铝及铝合金焊丝》GB/T10858《铝及铝合金焊接管》GB/T10571《铝制焊接容器》JB/T4734-20022.2 材料2.2.1 一般规定工程中使用的母材和焊丝应具备出厂质量合格证或质量复验合格报告，并优先选用已列入国家标准或行业标准的母材和焊丝，母材和焊丝应妥善保管，防止损伤、污染和腐蚀。

当选用国外材料时，其使用范围应符合相应标准的规定，并应有该材料的质量证明书。

2.2.2 母材2.2.2.1 工程选用的母材应符合现行的国家标准规定。

2.2.2.2 当对母材有特殊要求时，应在设计图样或相应的技术条件上标明。

2.2.2.3 施工单位对设备、容器和管道的材料的代用，必须事先取得原设计单位的设计修改证明文件，并对改动部位作详细记载。

2.2.2.4 损伤和锈蚀严重的母材不得在工程中使用。

2.2.3 焊接材料2.2.3.1 母材焊接所选用的焊丝应符合现行的国家标准《铝及铝合金焊丝》GB/T10858的规定。

2.2.3.2 选用焊丝时应综合考虑母材的化学成分、力学性能及使用条件因素，并应符合下列规定。

（1）焊接纯铝时应选用纯度与母材相同或比母材高的焊丝。

（2）焊接铝锰合金时应选用含锰量与母材相近的焊丝或铝硅合金焊丝。

（3）焊接铝镁合金时应选用含镁量与母材相同或比母材高的焊丝。

（4）异种铝及铝合金的焊接应选用与抗拉强度较高的母材相应的焊丝2.2.3.3 焊接时所使用的氩气应符合现行的国家标准《纯氩》GB4842的规定。

铝合金焊接工艺铝合金焊接工艺铝合金具有重量轻、比强度高、耐腐蚀性好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点，因此被广泛地应用于各种焊接结构产品中。

采用铝合金代替钢板材料焊接，结构重量可减轻50%以上。

然而，铝合金焊接也有几大难点：接头软化严重、表面易产生难熔的氧化膜、容易产生气孔和热裂纹、线膨胀系数大、热导率大。

因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。

焊接要求1.生产储存环境和辅助材料使用的要求1.1 生产储存环境温度、湿度的要求铝合金的生产和储存环境必须防尘、防水、干燥。

环境温度通常应控制在5℃以上，湿度控制在70%以下。

焊接环境的湿度不能太高，湿度过高会使焊缝中气孔的产生几率明显增加，影响焊接质量。

应设置挡风板以避免室内穿堂风的影响。

1.2 焊丝及送气软管的使用要求焊材的使用应注意储存。

铝焊丝要与钢焊材分开储存。

焊接完成后，要在焊机中取出焊丝进行密封处理，防止污染。

送气软管最好使用特富龙软管(Teflon)。

1.3 工装的选用铝合金焊接最好选用点接触形式的工装，以减小工装与工件的接触面积。

如果工装对工件是面接触，会带走工件的热量，加速了熔池的凝固，不利于焊缝气孔的排除。

2.焊丝及保护气体的选用2.1 焊丝的选用铝及铝合金焊丝的选用应使对接接头的抗拉强度、塑性达到规定要求。

焊丝的选用主要按照下列原则：纯铝焊丝的纯度一般不低于母材，铝合金焊丝的化学成分一般与母材相应或相近，铝合金焊丝中的耐蚀元素的含量一般不低于母材。

异种铝材焊接时应按耐蚀较高、强度高的母材选择焊丝。

不要求耐蚀性的高强度铝合金可采用异种成分的焊丝，如铝硅合金焊丝SAlSi一1等(注意强度可能低于母材)。

针对5083母材的焊接，建议选择5087/AlMg4.5MnZr焊丝，因为该焊丝具有良好的抗裂性、抗气孔性和强度性能。

在选择焊丝规格时，应优先选择大直径规格的焊丝。

相同重量的焊丝，大规格焊丝的表面积要小很多，因此表面污染较少，氧化区域也较小，焊接质量更容易达到要求。