鋁合金構件焊接變形與焊接工藝論文

導語：鋁合金構件焊接變形與焊接工藝論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1鋁合金構件焊接變形與控制

1.1焊接變形原因

焊接的熱過程是導致殘余應力和塑性應變的根源。在焊接過程中,焊接熱過程對焊接質量和焊接效率的影響,主要來自以下幾個方面的深層次原因:(1)在焊接件上,熔池的形狀和尺寸直接影響焊接質量,而熔池大小與尺寸作用到焊接件上的熱量分布和大小息息相關;(2)焊接的熱過程包含加熱和冷卻兩個過程,這兩個過程中的加熱和冷卻參數會直接影響熔池的相變過程,對金屬的凝固產生重要的影響,對熱影響區的金屬組織產生一定的破壞;(3)焊接中的熱過程直接決定熱量的輸入過程和熱量的傳遞效率,這直接導致焊接的母材的熔化速度;(4)焊接的熱過程如果不均勻,會對金屬構件各部分產生不同的熱響應,導致出現不同的應力,產生應力形變。從以上理論探討,我們可知在金屬構件焊接過程中出現變形,主要是由于焊接熱源是處于局部加熱,使得鋁合金構件上的熱量分布存在差異,在構件與母材之間的焊縫區域附近熱量吸收的較多,引起周圍鋁合金材料和母材都出現一定程度的受熱膨脹,而遠離焊縫區域的鋁合金材料和母材材料由于吸收到的熱量相對較少,發生的體積膨脹相對較小甚至不發生體積膨脹,使得焊縫區域的體積膨脹過程受到一定的抑制,導致焊接過程中,焊接構件和母材之間出現瞬間的熱變形,但是當鋁合金構件在焊接過程中產生的內應力超過了自身材料的彈性極限后,會出現一定的塑性應變,當焊接過程結束之后,焊接件又逐步冷卻而產生殘余變形。

1.2焊接變形分類

從機械領域考慮整個焊接過程,可以將焊接過程中出現的變形分為瞬間變形和殘余變形。其中,焊接過程瞬間熱變形分為三種,依次是面內位移、面外位移和相變組織形變。焊后殘余變形分為面內變形和面外變形兩大類,面內變形又分為焊縫縱向收縮、焊縫橫向收縮、回轉變形;面外變形又分為角變形、彎曲變形、扭曲變形。

1.3鋁合金的焊接性能分析

熟悉化學原理的人都清楚,各種鋁合金的化學成分并不一致,導致不同鋁合金的物理性能和化學性能存在一定的差異,但是,由相關研究試驗并結合以上的焊接熱理論和焊接應力應變理論分析可知,鋁合金的焊接性能主要與鋁合金中的含鋁量和含鎂量有關。隨著含鎂量的增高,鋁合金強度增高,焊接性能改善;但是,當含鎂量超過7%的極限值之后,鋁合金容易出現應力集中,降低焊接性能。但是,鋁合金與其他金屬相比,由于在空氣中或者是進行焊接時,比較容易與氧反應被氧化,生產的氧化鋁薄膜由于熔點高,在焊接時會阻礙焊接過程;焊接過程中,在接頭內容以出現一些焊接缺陷,因此,在焊接前需要進行表面處理后盡快進行焊接。此外,由于鋁合金的其他物理化學性能如熱導率、比熱等比鋼大,在焊接時容易造成較多的焊接熱量的流失,因此,在焊接時需要采用高度集中的熱源進行焊接,才能有效提升焊接質量,降低應力形變的出現。

1.4鋁合金構件焊接變形控制措施

從上述對鋁合金構件焊接性能和焊接熱過程的分析,對于鋁合金構件在焊接過程中出現的瞬間變形和焊接結束后出現的殘余變形,需要采取一定的控制措施,減少變形甚至是消除變形,促進鋁合金構件在裝備整體結構中發揮應用的作用。在鋁合金構件設計階段結合整體裝備,做好其結構設計并采取優質的焊接技術,能夠顯著減小焊接變形量。為此,我們可以從兩個階段進行鋁合金焊接變形量的控制。一個階段是設計階段,另一個是制造階段。在設計階段,主要遵循如下幾個原則即可實現在設計過程做好對鋁合金焊接變形的有效控制:首先是要對焊接的工藝進行有效的設計與選擇,一般在這個過程中,遵循的原則就是盡量選擇那些實踐反饋效果好應用成熟的焊接工藝;其次,對于焊接過程中,鋁合金構件和主體裝備結構之間焊接縫隙的尺寸、形狀、布局以及位置都應進行有效的設計,盡量通過好的焊縫設計鋁合金構件在主體結構上的位置,控制好焊縫的布局和位置,然后減少焊縫的數量,選擇最優的焊縫尺寸,實現對焊接結束之后可能出現的殘余形變;最后,在設計過程中,需要做好一系列的仿真實驗和小比例模型的模擬實驗,在實驗檢驗的基礎之上,確定最終的設計方案,以便正確指導鋁合金的焊接,減小甚至防止鋁合金構件的焊接變形。在制造階段對鋁合金構件焊接變形的控制,主要是指焊接準備過程、焊接過程和焊接結束之后的過程中進行控制。首先,在焊接準備過程中,需要對焊接工藝設計到的參數進行詳細的熟記,并對相關的理論知識做到熟記于心。另外,在焊接準備過程中,需要預先對焊接構件進行一定的拉伸然后再采取剛性固定措施進行組裝拼接,做好這些準備工作是控制變形的前提;其次,在焊接過程中,除了要嚴格按照設計的焊接工藝進行焊接之外,還應按照優秀的焊接工藝實現對瞬時變形的控制,例如,采取那些能量密度高的熱源,對焊接過程中的焊接受熱面積進行技術控制;最后,在焊接結束之后,應加強對鋁合金構件焊接水平的檢測,一旦發現存在著殘余變形,及時采取加熱矯正或者是利用機械外力作用進行矯正,達到對變形量的減小。

2鋁合金構件焊接工藝優化

對于鋁合金構件在焊接過程中出現的焊接變形,可采取多種手段進行。如在結構設計階段,可通過相關的應力形變實驗,分析應力出現的大小,結合設計的允許值,調節焊縫的尺寸,盡量降低焊縫的數量,對焊接后出現的殘余變形進行控制;在焊接過程中,采取一定的反變形或者是剛性固定組裝的方法在焊前進行預防;焊接結束之后,為了減小已經出現的殘余變形,可以采取加熱矯正或者是利用機械外力進行矯正的方法。當然,最為有效的方法還是在相關變形研究理論的基礎之上,結合焊接試驗,對焊接工藝進行一定的優化,結合實際的鋁合金構件進行參數的設定,科學控制鋁合金構件的焊接應力變形,最終生產出符合設計要求的產品。對于鋁合金構件的焊接,在焊接過程中,焊絲直徑、成分和表面質量關系到焊縫金屬及熱影響區的力學性能,尤其是焊接變形。因此,選取合理的焊絲直徑,選擇表面質量上等和化學成分達標的焊絲就是優化焊接工藝的主要步驟之一。在通常的情況下,為了保證焊接的質量,主要選擇焊絲直徑大的焊絲。不過,由于焊絲直徑選擇太大,對于薄板鋁合金構件的焊接并不利。因此,在現有實踐的基礎之上,對于焊絲直徑的選擇一般是隨著鋁合金構件厚度的增加而逐步增加。此外,在進行平焊時,焊絲直徑應相對選大一點;立焊或橫仰焊時,則選擇較小直徑的焊絲。焊接電源作為焊接過程中的主要能量來源,為了使焊接質量達標,在選擇電源種類與極性時,需要選取那些既能夠滿足焊接工藝需求,又能夠符合用戶物質、經濟和技術等條件的電源。

一般,由于直流電源的電弧具有較好的穩定性、焊接質量優和飛濺少等特點,在鋁合金構件的焊接時是作為首選的。選擇直流反接電源進行焊接,能夠借助焊件金屬為負極的電弧產生的陰極霧化效果,對鋁合金構件表面致密的氧化鋁薄膜產生快速熔化,而且在焊接過程中,能夠避免產生大量的焊渣和污染性氣體,不僅方便了焊工對反應熔池的觀察,及時調整焊接的速度和角度,而且還能對焊工的職業健康危害程度有所下降。例如,在焊接6毫米的鋁合金薄板構件時,一般主要采用直流反接電源進行焊接。對焊接工藝進行優化,目的就是為了使鋁合金構件焊接的質量和焊接形變在允許的范圍之內。由以上對鋁合金焊接熱過程和變形理論的分析和探討之后,我們發現選擇適宜的焊接電流,是優化焊接的重要考慮方向。在焊接過程中,焊接電流是指流經焊接回路的電流,這個電流的大小對焊接生產效率和焊接質量有著直接的影響。一般為了提高焊接生產效率,在質量保證前提下,選擇盡可能大的焊接電流,以達到提高焊接效率的目的。不過,由于電流過大,引起熱量輸入過大和較大的電弧力存在而導致的焊縫熔深和余高增大,而且還會使熱影響區的晶粒變得粗大,出現應力集中區,使接頭的強度和承載能力下降。同時,由于電流鍋小,電弧燃燒不充分不穩定,容易形成氣孔和夾渣等焊接缺陷,使得焊接接頭的沖擊韌性降低,不利于焊接質量的提升,因此,在焊接電流選擇上,還是需要通過實踐選取適宜的電流。由于電弧長短對焊接質量也有顯著影響,而電弧電壓決定電弧長短,因此,在焊接時,依據焊接試驗,需要控制好電弧電壓,產生適宜長度的電弧長度進行焊接。例如,對于6mm厚度的鋁合金板材進行焊接時,焊接電流定義為170A,焊接電弧電壓為25V,通過實驗論證,焊接接頭強度可以達到良好的效果。由焊接熱過程分析得到,在鋁合金構件焊接過程中,為了實現對焊接變形量的控制與減小,一般應采用能量密度高的焊接熱源,同時,對焊接速度進行優化,保證焊接速度既不會過快也不會過慢。例如,從相關實踐表明,對于6mm厚度的鋁合金板材進行焊接時,焊接電流定義為170A,焊接電弧電壓為25V,通過此實驗論證,焊接接頭強度可以達到良好的效果。

3總結

在鋁合金構件焊接過程中,由于焊接熱過程較難控制,要想取得最好的焊接性能,往往不是一下能實現的。但,只要能夠準確借助對焊接過程的科學實驗和理論分析,找出對焊接質量有主要影響的微觀原因,采取一定的補救措施,同時對相關產生因素進行抑制,優化焊接工藝,便一定能夠取得較好的鋁合金構件焊接效果。當然,隨著科學技術水平的不斷進步,對于鋁合金構件的焊接工藝必定會越來越成熟,這也將更好地促進鋁合金材料裝備發揮著更大的作用。

作者:常小芳 單位:沈陽市裝備制造工程學校