鋁合金構(gòu)件焊接變形與焊接工藝論文

1、鋁合金構(gòu)件焊接變形與焊接工藝論文 1鋁合金構(gòu)件焊接變形與控制 1.1焊接變形原因 焊接的熱過程是導(dǎo)致殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變的根源。在焊接過程中,焊接熱過程對焊接質(zhì)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(zhì)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(guān);(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(shù)會直接影響熔池的相變過程,對金屬的凝固產(chǎn)生重要的影響,對熱影響區(qū)的金屬組織產(chǎn)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(dǎo)致焊接的母材的熔化速度;(4)焊接的熱過程如果不均勻

2、,會對金屬構(gòu)件各部分產(chǎn)生不同的熱響應(yīng),導(dǎo)致出現(xiàn)不同的應(yīng)力,產(chǎn)生應(yīng)力形變。從以上理論探討,我們可知在金屬構(gòu)件焊接過程中出現(xiàn)變形,主要是由于焊接熱源是處于局部加熱,使得鋁合金構(gòu)件上的熱量分布存在差異,在構(gòu)件與母材之間的焊縫區(qū)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(xiàn)一定程度的受熱膨脹,而遠離焊縫區(qū)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(fā)生的體積膨脹相對較小甚至不發(fā)生體積膨脹,使得焊縫區(qū)域的體積膨脹過程受到一定的抑制,導(dǎo)致焊接過程中,焊接構(gòu)件和母材之間出現(xiàn)瞬間的熱變形,但是當鋁合金構(gòu)件在焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過了自身材料的彈性極限后,會出現(xiàn)一定的塑性應(yīng)變,當焊接過程結(jié)束之后,

3、焊接件又逐步冷卻而產(chǎn)生殘余變形。 1.2焊接變形分類 從機械領(lǐng)域考慮整個焊接過程,可以將焊接過程中出現(xiàn)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(nèi)位移、面外位移和相變組織形變。焊后殘余變形分為面內(nèi)變形和面外變形兩大類,面內(nèi)變形又分為焊縫縱向收縮、焊縫橫向收縮、回轉(zhuǎn)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(dǎo)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(guān)研究試驗并結(jié)合以上的焊接熱理論和焊接應(yīng)力應(yīng)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(guān)。隨

4、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(xiàn)應(yīng)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(yīng)被氧化,生產(chǎn)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(nèi)容以出現(xiàn)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(dǎo)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(zhì)量,降低應(yīng)力形變的出現(xiàn)。 1.4鋁合金構(gòu)件焊接變形控制措施 從上述對鋁合金構(gòu)件焊接性能和焊接熱過程

5、的分析,對于鋁合金構(gòu)件在焊接過程中出現(xiàn)的瞬間變形和焊接結(jié)束后出現(xiàn)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(gòu)件在裝備整體結(jié)構(gòu)中發(fā)揮應(yīng)用的作用。在鋁合金構(gòu)件設(shè)計階段結(jié)合整體裝備,做好其結(jié)構(gòu)設(shè)計并采取優(yōu)質(zhì)的焊接技術(shù),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(shè)計階段,另一個是制造階段。在設(shè)計階段,主要遵循如下幾個原則即可實現(xiàn)在設(shè)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(shè)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(yīng)用成熟的焊接工藝;其次,對于焊接過程中,鋁合金構(gòu)件和主體裝備結(jié)

6、構(gòu)之間焊接縫隙的尺寸、形狀、布局以及位置都應(yīng)進行有效的設(shè)計,盡量通過好的焊縫設(shè)計鋁合金構(gòu)件在主體結(jié)構(gòu)上的位置,控制好焊縫的布局和位置,然后減少焊縫的數(shù)量,選擇最優(yōu)的焊縫尺寸,實現(xiàn)對焊接結(jié)束之后可能出現(xiàn)的殘余形變;最后,在設(shè)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(chǔ)之上,確定最終的設(shè)計方案,以便正確指導(dǎo)鋁合金的焊接,減小甚至防止鋁合金構(gòu)件的焊接變形。在制造階段對鋁合金構(gòu)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(jié)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(shè)計到的參數(shù)進行詳細的熟記,并對相關(guān)的理論知識做到熟記于心。另外,在焊接準備過程

7、中,需要預(yù)先對焊接構(gòu)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(shè)計的焊接工藝進行焊接之外,還應(yīng)按照優(yōu)秀的焊接工藝實現(xiàn)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(shù)控制;最后,在焊接結(jié)束之后,應(yīng)加強對鋁合金構(gòu)件焊接水平的檢測,一旦發(fā)現(xiàn)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(gòu)件焊接工藝優(yōu)化 對于鋁合金構(gòu)件在焊接過程中出現(xiàn)的焊接變形,可采取多種手段進行。如在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段,可通過相關(guān)的應(yīng)力形變實驗,分析應(yīng)力出現(xiàn)的大小,結(jié)合設(shè)計的允許

8、值,調(diào)節(jié)焊縫的尺寸,盡量降低焊縫的數(shù)量,對焊接后出現(xiàn)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(yù)防;焊接結(jié)束之后,為了減小已經(jīng)出現(xiàn)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(guān)變形研究理論的基礎(chǔ)之上,結(jié)合焊接試驗,對焊接工藝進行一定的優(yōu)化,結(jié)合實際的鋁合金構(gòu)件進行參數(shù)的設(shè)定,科學控制鋁合金構(gòu)件的焊接應(yīng)力變形,最終生產(chǎn)出符合設(shè)計要求的產(chǎn)品。對于鋁合金構(gòu)件的焊接,在焊接過程中,焊絲直徑、成分和表面質(zhì)量關(guān)系到焊縫金屬及熱影響區(qū)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(zhì)量上等和化學成分達標的焊

9、絲就是優(yōu)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(zhì)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(gòu)件的焊接并不利。因此,在現(xiàn)有實踐的基礎(chǔ)之上,對于焊絲直徑的選擇一般是隨著鋁合金構(gòu)件厚度的增加而逐步增加。此外,在進行平焊時,焊絲直徑應(yīng)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(zhì)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(zhì)、經(jīng)濟和技術(shù)等條件的電源。 一般,由于直流電源的電弧具有較好的穩(wěn)定性、焊接質(zhì)量優(yōu)和飛濺少等特點,在鋁合金構(gòu)件的焊接時是作為首選的。選擇直流

10、反接電源進行焊接,能夠借助焊件金屬為負極的電弧產(chǎn)生的陰極霧化效果,對鋁合金構(gòu)件表面致密的氧化鋁薄膜產(chǎn)生快速熔化,而且在焊接過程中,能夠避免產(chǎn)生大量的焊渣和污染性氣體,不僅方便了焊工對反應(yīng)熔池的觀察,及時調(diào)整焊接的速度和角度,而且還能對焊工的職業(yè)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(gòu)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(yōu)化,目的就是為了使鋁合金構(gòu)件焊接的質(zhì)量和焊接形變在允許的范圍之內(nèi)。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(fā)現(xiàn)選擇適宜的焊接電流,是優(yōu)化焊接的重要考慮方向。在焊接過程中,焊接電流是指流經(jīng)焊接回路的電流,這個電流的大小對焊接生產(chǎn)效率

11、和焊接質(zhì)量有著直接的影響。一般為了提高焊接生產(chǎn)效率,在質(zhì)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(dǎo)致的焊縫熔深和余高增大,而且還會使熱影響區(qū)的晶粒變得粗大,出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),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(wěn)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(zhì)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(zhì)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(jù)焊接試驗,需要控制好電弧電壓,產(chǎn)生適宜長度的電弧長度進行焊接。

12、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(gòu)件焊接過程中,為了實現(xiàn)對焊接變形量的控制與減小,一般應(yīng)采用能量密度高的焊接熱源,同時,對焊接速度進行優(yōu)化,保證焊接速度既不會過快也不會過慢。例如,從相關(guān)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(jié) 在鋁合金構(gòu)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(xiàn)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(zhì)量有主要影響的微觀