脈動送氣MIG焊對鋁合金焊接工藝參數(shù)及焊縫成形的影響研究

1、一.畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容和意義 鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。特別是近些年來科學(xué)技術(shù)和工業(yè)經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對鋁合金焊接構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究日益深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，鋁合金的焊接問題成為現(xiàn)今焊接技術(shù)研究的熱點之一。與鋼的焊接相比，鋁合金的焊接有其復(fù)雜的焊接特性：熱導(dǎo)率和導(dǎo)電性高，凝固速率高，表面易形成氧化層，熱膨脹系數(shù)高，容易形成氣孔，凝固溫度范圍較大。目前鋁合金焊接方法中，熔化極氬弧焊(MIG焊)的自動化焊接具有高的生產(chǎn)率和良好的適

2、應(yīng)性以及對表面母材氧化膜有陰極霧化處理作用，在鋁合金焊接中得到廣泛的應(yīng)用，因而改善和提高其焊接工藝是國防軍事等工業(yè)發(fā)展的必然要求。為了控制金屬凝固組織和提高金屬材料性能,施加脈沖電流已成為在金屬材料制備過程中的重要物理場技術(shù)。結(jié)果表明,脈沖電流對鋁合金凝固組織具有顯著的細化作用, 且脈沖電流頻率的高低對其凝固組織將產(chǎn)生重要影響,在一定頻率范圍內(nèi),脈沖電流頻率越高,晶粒細化作用越明顯類似地, 在鋁合金變極性電弧焊接過程中引入高頻脈沖方波電流的復(fù)合作用, 合理選擇脈沖電流頻率大小,就可能對鋁合金熔池液態(tài)金屬的凝固過程和組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特殊作用,并可能改善和提高鋁合金的焊接性能。類似地,研究脈動送氣MI

3、G焊對于改善和提高焊接工藝也將具有積極意義。 研究內(nèi)容如下:1. 脈動送氣的電弧推力是否對熔池起到攪拌作用，是否有利于排出氣體和夾雜，是否有利于得到致密而性能良好的焊縫。2. 脈動送氣是否利于減少飛濺，節(jié)約保護氣體，降低能耗，從而節(jié)約生產(chǎn)成本。3. 控制在相同的系統(tǒng)參數(shù)（包括：焊接速度、焊絲種類和直徑、送絲速度、保護氣體成分、焊接電流及電壓）下，采用脈動送氣是否有利于增大熔深，改善焊縫成形，提高生產(chǎn)效率。因此準(zhǔn)備通過與傳統(tǒng)MIG焊焊接鋁合金方法做對比，探究脈動送氣MIG焊焊接鋁合金對于焊接工藝參數(shù)及焊縫成形的影響，進而改善和提高焊接工藝。二.文獻綜述 （1）MIG 焊接法在鋁及鋁合金焊接生產(chǎn)中

4、的應(yīng)用1. MIG 焊的基本概念熔化極惰性氣體保護電弧焊，英文縮寫為MIG焊。使用惰性氣體可以是氬（Ar）、氦(He)、或氬與氦混合。因惰性氣體與液態(tài)金屬不發(fā)生冶金反應(yīng)，只起包圍焊接區(qū)使之與空氣隔離作用，所以電弧燃燒穩(wěn)定，熔滴向熔池過度平穩(wěn)、安定、無激烈飛濺。這種方法最適用于鋁、銅、鈦等有色金屬的焊接、也可以用于鋼材，如不銹鋼、耐熱鋼等焊接。2. 鋁及鋁合金的化學(xué)和物理性能純鋁是銀白色的輕金屬，密度2700kg/m3, 約為鋼的1/3。 導(dǎo)電率較高，僅次于金、銀、銅居第四位。熱導(dǎo)率均比鋼大兩倍左右。熔點為658，加熱融化時顏色無明顯變化。塑性和冷、熱壓力加工性能好，但強度低。純鋁的化學(xué)活潑性強

5、，與空氣接觸時，就會在其表面生成一層致密的AL2O3 薄膜，這層氧化膜可防止冷的硝酸及醋酸的腐蝕，但在堿類和含有氯離子的鹽類溶液中易被迅速破壞而引起強烈腐蝕。純鋁中雜質(zhì)越少，形成氧化膜能力越強。隨著雜質(zhì)的增加，其強度增加，而塑性、導(dǎo)電性和耐腐蝕性下降。鋁合金是在純鋁中加入合金元素如鎂、錳、硅、銅、鋅等材料后獲得不同的金屬材料。3. 鋁及鋁合金焊接的特點鋁及鋁合金的焊接，必須掌握其焊接特點及可能出現(xiàn)的問題，方能選擇合適的焊接方法和相應(yīng)的工藝措施。3.1 需要保護效果好的焊接方法鋁及鋁合金具有極易氧化、容易生產(chǎn)氫氣孔、合金元素易蒸發(fā)和燒損的特點，這就要求采用保護效果好的焊接方法。3.2 采用熱功率

6、大、能量集中的焊接方法鋁及鋁合金的熱導(dǎo)，電導(dǎo)性高，熱容量大，焊接時熱損失大；焊接時在焊體中會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力的變形，易形成熱裂紋；熱輸入越大焊接后強度、性能降低越嚴(yán)重，這就要求采用熱功率大、能量集中的焊接方法。從以上分析可以看出MIG焊以保護效果好、熱功率大成為鋁及鋁合金焊接的主要生產(chǎn)手段。（2）鋁及鋁合金MIG焊焊接接頭缺陷及防止措施鋁及鋁合金MIG焊時，焊接接頭常見的缺陷主要有焊縫成形差、裂紋、氣孔、燒穿，未焊透、未熔合、夾渣等。其中常見缺陷及其產(chǎn)生原因和防治措施如下：一、裂紋鋁及鋁合金焊縫中的裂紋是在焊縫金屬結(jié)晶過程中產(chǎn)生的，稱為熱裂紋，又稱結(jié)晶裂紋。其形式有縱向裂紋、橫向裂紋(往往擴展到

7、基體金屬)，還有根部裂紋、弧坑裂紋等等。裂紋將使結(jié)構(gòu)強度降低，甚至引起整個結(jié)構(gòu)的突然破壞，因此是完全不允許的。1.產(chǎn)生原因：焊縫隙的深寬比過大；焊縫末端的弧坑冷卻快；焊絲成分與母材不匹配；操作技術(shù)不正確。2.防止措施：適當(dāng)提高電弧電壓或減小焊接電流，以加寬焊道而減小熔深；適當(dāng)?shù)靥顫M弧坑并采用衰減措施減小冷卻速度；保證焊絲與母材合理匹配；選擇合適的焊接參數(shù)、焊接順序，適當(dāng)增加焊接速度，需要預(yù)熱的要采取預(yù)熱措施。二、氣孔在鋁及鋁合金MIG焊中，氣孔是最常見的一種缺陷。要徹底清除焊縫中的氣孔是很難辦到的，只能是最大限度地減小其含量。按其種類，鋁焊縫中的氣孔主要有表面氣孔、彌散氣孔、局部密集氣孔、單個

8、大氣孔、根部鏈狀氣孔、柱狀氣孔等。氣孔不但會降低焊縫的致密性，減小接頭的承載面積，而且使接頭的強度、塑性降低，特別是冷彎角和沖擊韌性降低更多，必須加以防止。1.產(chǎn)生原因：氣體保護不良，保護氣體不純；焊絲、焊件被污染；大氣中的絕對濕度過大；電弧不穩(wěn)，電弧過長；焊絲伸出長度過長、噴嘴與焊件之間的距離過大；焊絲直徑與坡口形式選擇不當(dāng)；在同一部位重復(fù)起弧，接頭數(shù)太多。2.防止措施：保證氣體質(zhì)量，適當(dāng)增加保護氣體流量，以排除焊接區(qū)的全部空氣，消除氣體噴嘴處飛濺物，使保護氣流均勻，焊接區(qū)要有防止空氣流動措施，防止空氣侵入焊接區(qū)，保護氣體流量過大，要適當(dāng)適當(dāng)減少流量；焊前仔細清理焊絲、焊件表面的油、污、銹、

9、垢和氧化膜，采用含脫氧劑較高的焊絲；合理選擇焊接場所；適當(dāng)減少電弧長度；保持噴嘴與焊件之間的合理距離范圍；盡量選擇較粗的焊絲，同時增加工件坡口的鈍邊厚度，一方面可以允許允許使用大電流，也使焊縫金屬中焊絲比例下降，這對降低孔率是行之有效的；盡量不要在同一部位重復(fù)起弧，老板娘重復(fù)起弧時要對起弧處進行打磨或刮除清理；一道焊縫一旦起弧后要盡量焊長些，不要隨意斷弧，以減少接頭量，在接頭處需要有一定的焊縫重疊區(qū)域。三、燒穿1.產(chǎn)生原因：熱輸入量過大；坡口加工不當(dāng)，焊件裝配間隙過大；點固焊時焊點間距過大，焊接過程中產(chǎn)生較大的變形量；（4）操作姿勢不正確。2.防止措施：適當(dāng)減小焊接電流、電弧電壓，提高焊接速度

10、；加大鈍邊尺寸，減小根部間隙；適當(dāng)減小點固焊時焊點間距；焊接過程中，手握焊槍姿勢要正確，操作要熟練。四、夾渣1.產(chǎn)生原因：焊前清理不徹底；焊接電流過大，導(dǎo)致電嘴局部熔化混入熔池而形成夾渣；焊接速度過高。2.防止措施：加強焊接前的清理工作，多道焊時，每焊完一道同樣要進行焊縫清理；在保證熔透的情況下，適當(dāng)減少焊接電流，大電流焊接時，導(dǎo)電嘴不要壓得太低；適當(dāng)降低速度，采用含脫氧劑較高的焊絲，提高電弧電壓。（3）脈沖電流鋁合金MIG焊焊接的相關(guān)研究 焊接生產(chǎn)中，對薄板、熱敏感材料結(jié)構(gòu)、小直徑管等易變形結(jié)構(gòu)進行焊接時，采用普通焊接方法及設(shè)備極易產(chǎn)生不可矯正的焊接變形。如果在焊接的過程中采用脈沖電流進行焊

11、接，由于焊接過存在基本和脈沖兩種大小不同的電流，所以整個焊接過程平均電流值較低，產(chǎn)熱總量少，不但能減小焊接熱影響區(qū)，使焊接變形得到有效控制，而且能在較少的總產(chǎn)熱量情況下增大峰值電流促進形成穩(wěn)定的熔滴過渡同時縮小和冷卻熔池，有利于易變形結(jié)構(gòu)的焊接同時十分有利于全位置焊接。相對于普通焊接電流，脈沖電源的焊接電流有以下幾個特點：1.電弧穩(wěn)定性好:普通電弧焊在低電流時電弧挺度差、不穩(wěn)定，而脈沖電流是在峰值、基值之間周期性變化，雖然基值電流時電弧挺度差，但其不穩(wěn)定現(xiàn)象可以在脈沖電流時得到恢復(fù)，尤其是脈沖電流頻率增大，脈沖電流出現(xiàn)的次數(shù)隨之增多，待出現(xiàn)熱慣性滯后于電流的變化時脈沖弧焊電源焊接電弧的挺度將保

12、持在較高的水平。因此，脈沖焊接電弧的穩(wěn)定性要好于同一平均電流下的普通電弧。2.電弧熱輸入低：焊接過程中，由于基本電流值較小，電弧在基本電流過中給予母材的熱輸入小，因此在整個焊接過程中母材獲得的熱輸入小于平均電流相同時的熱輸入。3.電弧工藝參數(shù)可調(diào)節(jié)性好：由于焊接過程中的電流分為基本電流和脈沖電流兩部分，且電流波形頻率、兩部分之間的比率均可調(diào)節(jié)，因此脈沖弧焊電源可調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)較多，通過參數(shù)的合理調(diào)節(jié)，可以獲得更以控制的、可調(diào)范圍更廣的焊接電弧。從而實現(xiàn)更高質(zhì)量的焊接。4.對熔池具有較強的攪拌作用，有利于焊接質(zhì)量：在焊接過程中，由于脈沖電弧存在較小的基本電流和較大的脈沖電流之間的變化，電流的變化

13、造成電弧壓力的變化，增強了電弧對熔池的攪拌作用，使焊縫金屬細密并有利于缺陷的消除。 5.裂紋傾向?。好}沖焊接電弧總體熱輸入少，基本電流時熔池冷卻快，因此此焊接過程高溫停留時短，可減小材料產(chǎn)生熱裂紋的傾向。（4）MIG焊焊接熔池影響因素的相關(guān)研究1.電弧壓力對MIG焊接熔池幾何形狀的影響，根據(jù)電弧物理的基本原理, 提出了MIG焊接電流密度在變形熔池表面上的分布模型,在此基礎(chǔ)上得到了電弧壓力的計算模型計算結(jié)果表明,MIG 焊接電弧壓力在電弧中心線附近呈雙峰分布, 且雙峰向電弧后方偏移,在離開電弧中心線一定距離處變?yōu)閱畏宸植既鄢氐谋砻姘枷萆疃?、隆起高度越? 電流壓力在電弧中心線附近的雙峰分布就越顯

14、著。2.熔滴沖擊力對MIG焊接熔池表面形狀的影響，熔化極惰性氣體保護電弧焊(Metal inert gas, MIG)焊接過程中，焊絲端頭的熔滴過渡到熔池當(dāng)中，向熔池傳輸熱量、動量和質(zhì)量。熔池前部電弧正下方，熔池表面產(chǎn)生較大的下凹變形;而在熔池后部，液態(tài)金屬堆積隆起，高出焊件表面，凝固后形成焊縫余高。這是MIG焊接過程的重要特點。（5）交流脈沖MIG焊的相關(guān)研究電弧焊焊接鋁合金薄板時，在形成適量母材熔化量的條件下，提高熔敷速度可以提高焊接速度，進而避免出現(xiàn)燒穿、熔池下塌現(xiàn)象。MIG 焊是高效率焊接工藝。直流且焊絲為正極性的脈沖MIG（DCEP PMIG）焊，其焊絲熔化速度和焊接電流成正比關(guān)系。

15、交流脈沖MIG（DCEP PMIG）焊焊接鋁合金薄板時，若要求加大熔敷速度，相應(yīng)就需要提高焊絲熔化速度，也就是需要提高焊接電流；提高了焊接電流，就會加大焊接熔池，容易出現(xiàn)燒穿及熔池下塌現(xiàn)象。焊接鋁合金薄板時，要求焊縫熔深淺，為此要求焊接電流小；焊接電流小將導(dǎo)致焊絲的熔化速度低；由于焊接過程要求形成合適的焊縫成形，所以需要相匹配的熔敷速度，這樣就需要降低焊接速度；降低了焊接速度，將加大焊縫熔深，同樣會出現(xiàn)燒穿及熔池下塌現(xiàn)象。以上所述就是MIG（DCEP PMIG）焊焊接鋁合金薄板時存在的問題。為此，需要研究焊接鋁合金薄板的電弧焊焊接工藝，在控制形成淺焊縫熔深的同時，形成較高的熔敷速度，這樣可以提

16、高焊接速度及焊接質(zhì)量。相關(guān)實驗表明：（1） 在送絲速度及焊接速度一定的條件下，DCEP PMIG焊即AC DCEP PMIG焊的EN%（負極性比率）等于零時，焊接電流最大，焊絲熔化系數(shù)最小，焊縫熔深最大；AC DCEP PMIG焊，隨著EN%增加，（形成一定熔敷速度的）焊接電流減小，焊絲熔化系數(shù)增加，焊縫熔深明顯減小。（2）在焊接電流及焊接速度一定的條件下，DCEP PMIG焊即AC DCEP PMIG焊的EN%等于零時，焊縫熔深最大，焊絲熔化系數(shù)最小，熔敷速度最小；AC DCEP PMIG焊，隨著EN%增加，焊縫熔深減小，焊絲熔化系數(shù)增加，熔敷速度也增加。（6）交替送氣惰性氣體保護焊的相關(guān)研

17、究1.交替送氣MIG焊相關(guān)實驗表明：采用Ar+67%He，控制其他工藝參數(shù)相同，交替送氣與連續(xù)送氣相比較具有以下特點（1）交替送氣可減少焊縫氣孔。（2）交替送氣可增大熔池熔深及熔池寬度。（3）交替送氣可改善焊縫成形。2. 交替送氣TIG焊相關(guān)實驗表明：采用Ar+67%He，控制其他工藝參數(shù)相同，交替送氣與連續(xù)送氣相比較具有以下特點（1）交替送氣可實現(xiàn)更小的焊接變形。（2）交替送氣在保持焊縫成形相似的條件下，焊接速度基本相同。（3）交替送氣可有效地節(jié)約保護氣體，降低生產(chǎn)成本。三.工作計劃（1） 查閱相關(guān)文獻資料，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計開題報告。 時間：2011年1月-2011年2月（2） 進行畢業(yè)設(shè)計實驗

18、階段的設(shè)計。 時間：2011年3月-2011年4月（3） 控制系統(tǒng)參數(shù)相同分別采用脈動送氣及連續(xù)送氣進行MIG焊焊鋁合金試驗，對相關(guān)工藝參數(shù)及焊縫成形作對比分析。時間：2011年5月-2011年6月（4） 進行最終實驗結(jié)果分析與研究。時間：2011年6月-2011年7月（5） 后期整理工作，書寫畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯；時間：2011年6月-2011年7月四.參考文獻 1張力，張振宇.MIG焊接法在鋁及鋁合金焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用J.城市車輛，2009,062孫俊生，武傳松 .電弧壓力對MIG焊接熔池幾何形狀的影響J.金屬學(xué)報，2010，043孫俊生，武傳松. 焊接熱輸入對MIG焊接熔池行為

19、的影響J. 中國科學(xué)E輯，2002.044杭爭翔，  殷樹言  ，宋政.  交流脈沖MIG焊接鋁合金薄板的工藝特性J.焊接學(xué)報，2004,025 從保強 ，齊鉑金 ，李偉 ，楊明軒. 脈沖電流頻率對2219鋁合金焊縫組織性能的影響J.焊接學(xué)報，2010,096 逯志亮  .脈沖弧焊電源的特點及應(yīng)用J.硅谷，2010,237武傳松 ，L.Dorn. 熔滴沖擊力對MIG焊接熔池表面形狀的影響J.金屬學(xué)報，1997,078楊柏 ，許良紅，彭云，田志凌，

20、張曉牧. 高強鋁合金的MIG焊焊接工藝J.焊接技術(shù)，2008,049許良紅，田志凌，彭云，張曉牧. 高強鋁合金的MIG以及激光_MIG焊接工藝對比J.焊接學(xué)報，2007,0210 王旭友, 王威,林尚揚.焊接參數(shù)對鋁合金激光_MIG電弧復(fù)合焊縫熔深的影響J.焊接學(xué)報，2008,0611 李敬勇，章明明， 趙勇， 林鑄明 .鋁合金MIG焊焊縫中氣孔的控制J. 華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2004，0512周桂芬.鋁合金MIG焊接工藝試驗與分析J.金屬鑄鍛焊技術(shù)，2009,0913 陸志強，華學(xué)明，李芳，吳毅雄. 鋁合

21、金P_MIG焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀J.電焊機，2009,0714陳東高，劉宏偉，譚兵  沈瑩吉，王法科，程朝豐，呂緋 .中厚度7A05鋁合金MIG焊接工藝研究J.兵器材料科學(xué)與工程，2009,0615 王威,王旭友,秦國梁,雷震鋁合金激光_小功率脈沖MIG電弧復(fù)合熱源焊接特性分析J.焊接學(xué)報，2007，0816 雷祥，單際國，鄭世卿，陳武柱，任家烈.焊接工藝對6005A鋁合金激光_MIG復(fù)合焊焊縫成形的影響J.焊接2008,0717余陽春.YAG_MIG復(fù)合焊接ZL_114A鋁合金的接頭組織與性能研究J.激光技術(shù)，2008,3218 范成磊，楊春利，程士軍，國旭明.2519高強鋁合金雙絲MIG焊接接頭時效弱化研究J.焊接，2005,1119 B.Y. Kanga, Yarlagadda K.D.V. Prasadb, M.J. Kanga, H.J. Kima, I.S. Kimc.The effect of alternate supply ofshielding gases in au