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解析铝合金厚板CMT补焊工艺试验

时间:2019-03-01    作者: 张桐、 钟浩 、刘孝丽 、周利成    来源: 永信论文网
摘要:文章针对铝合金厚板CMT补焊工艺的应用,首先对其进行了分析,通过CMT补焊工艺和脉冲MIG焊接工艺的对比了解这两种工艺的优劣,其次从焊接接头组织与焊接接头硬度演变这两个方面展开了具体阐述,最后做出了总结,明确了CMT补焊工艺应用优势,为今后铝合金厚板焊接、补焊等操作提供技术支持。

关键词:铝合金厚板;CMT补焊;工艺试验

    高强铝合金焊接有非常严格的要求,重点表现在焊接结构、应用工艺以及材料质量三个方面,若焊接人员所使用的工艺控制存在问题,尤其是厚板铝合金焊接过程中,层间温度与清理或者是焊道设置不到位,便会直接使厚板铝合金焊接制造过程中形成局部气孔以及焊接热裂纹。这样一来,为了保证产品质量,需要进行补焊,CMT补焊工艺是当前应用最为广泛、效果最好的一种,文章主要对其展开分析。

1 CMT补焊工艺

    针对一些比较重要的铝合金产品的焊接、修补,必须保证其质量,减少焊接与修复的次数,不仅可以降低产品报废率,还能够实现经济效益最大化[1]。铝合金补焊操作中,如果操作不当会出现焊接问题,例如热裂纹或者晶粒粗大致使接头性能下降,必须要选择带有低热输入特点的焊接方法,保证缺陷修复效果。

    低热输入焊接新工艺比较典型的有CMT、Coldarc等技术,CMT技术应用效果最好。熔滴短路环节,CMT技术所呈现的电源输出电流接近0,焊丝回抽使熔滴脱落更为迅速,有效达成了熔滴冷过渡效果,并且很少的减少了焊接期间热输入。

    对于铝合金厚板焊接修复工作,为了全面提高质量,建议应用脉冲补焊工艺和CMT补焊工艺,对这两种补焊工艺进行对比,测试补焊之后焊接接头显微组织以及硬度,重点与脉冲焊接工艺所应用的补焊焊接接头展开比对,最终结果表示CMT焊接工艺所呈现效果更好。

2 补焊工艺试验对比

2.1 CMT焊接工艺

    基于以往正极性CMT焊接技术,有关专家成功研究开发了CMTAdvanced系列焊机,使极性变换成为可能,凭借负极性阶段比较高的焊丝熔化效率,减少热输入[2]。全新的焊接模式包括直流与交流CMT、直流CMT和脉冲混合、交流CMT和脉冲混合之间的过渡等。

为了对补焊期间CMT铝合金焊接所导致的热裂纹敏感性进行评价,此次以12mm厚铝合金展开补焊热裂纹敏感性试验。

    此次补焊试验步骤主要有一次、二次和三次补焊,试板长度为400mm,宽200mm。具体试验流程如下:

    第一,按照之前设定的焊接参数,进行下列操作:(1)试板焊接。结束试板焊接之后,需要将试件接缝堆高切除;(2)加工槽部;(3)重新补焊。首先进行一次补焊,得到一次补焊试板,一次补焊需要重复三次,获得三块试板,其中一块作为最后一次补焊的试板。

    第二,步骤一获得的两块板进行槽部加工和补焊,如此便可以完成长度试板二次补焊操作。所获得的三块试板中的一块作为二次补焊操作的试板,剩下一块继续后期的补焊。

    第三,步骤二剩余的试板进行补焊,并且将试件接缝堆高予以切除,并且槽部加工、补焊这两个步骤,从而结束三次补焊。

    焊接与补焊工艺参数如下:(1)焊接气压。S1、S2、S3、补焊焊道均为20.5U/V;(2)焊接电流。S1、S2、S3焊道为240I/A,补焊焊道为250I/A;(3)焊接速度。S1、S2、S3、补焊焊道均为60v/(mm·s-1)[3]。保护气体主要是应用高纯氢气体,焊丝直径是1.2mm,焊接地点是机器人工作站。CMT焊接工艺实施期间并没有发现任何裂纹。

2.2 脉冲MIG焊接工艺

    针对12mm厚板应用脉冲MIG工艺,焊接工艺参数如下:(1)焊接气压。S1焊道为23U/V,S2、S3焊道为24U/V,补焊焊道均为25U/V;(2)焊接电流。S1焊道为198I/A,S2、S3焊道为230I/A,补焊焊道为220I/A;(3)焊接速度。S1、S2、S3焊道为60v/(mm·s-1),补焊焊道均为85v/(mm·s-1)[4]。操作期间所使用的保护气体是高纯氢气体,焊丝直径为1.2mm,焊接地点同样是机器人工作站,按照S1、S2、S3、S4的顺序进行焊接。

3 焊接接头演变

3.1 焊接接头组织演变

    应用CMT焊接工艺展开补焊试验,需要详细观察脉冲焊接工艺焊接接头微观组织。金相试样首先要应用砂纸磨制,之后需要运用抛光液进行抛光处理,将已经腐蚀之后的试样放在蔡司显微镜下观察。通过对多次补焊焊道微观组织演变的观察可以了解,一次补焊之后,相邻的补焊焊缝焊道S1,其上部组织基于补焊热量作用发现晶粒长大。这时的S1焊道下部组织也比较粗大,树枝晶形貌不存在。经过两次补焊之后,在焊缝热量作用下,S1焊道的上部组织不断扩大,柱状晶形貌也非常明显,在三次补焊之后,S1焊道的组织已经非常粗大。

    CMT补焊工艺在一次补焊之后,F1焊道组织并未发生显著的变化,二次补焊之后,F1焊道的上部组织出现了显著的变化,然而试验件接近下表面位置的F1焊道组织却没有出现任何变化,由此可证明由最上部补焊焊缝扩散热量并不多[5]。CMT补焊工艺在三次补焊之后,F1焊道组织出现了极为明显的变化,接近试验件内侧位置的一侧晶粒极为粗大,与试验件下表面相接近的晶粒也出现了明显的增长,但是整体来说依然比较小。由此可证明,CMT焊接工艺热输入非常低,由后焊焊道扩散到先焊焊道的热量较少。

    CMT工艺补焊试验期间,对焊道交界位置微观组织与脉冲焊接工艺焊道交界位置的微观组织进行观察,发现CMT补焊工艺经过一次补焊之后,最上层补焊焊道对最下层F1焊道的影响不大,CMT补焊工艺第两次补焊之后,会受到两次补焊焊缝热量影响,靠近S1焊道的F1焊道上部分组织呈现出细微的变化。CMT补焊工艺第三次补焊之后,F1焊道组织逐渐成长。

    脉冲MIG工艺应用的多道焊试验件当中,尽管并未补焊,然而各个焊道也受到热作用,CMT补焊工艺的焊道组织和脉冲MIG焊接工艺焊道组织比对之后发现,即便没有脉冲MIG补焊这个环节,焊接接头组织本身也非常粗大,析出相溶解大于CMT补焊工艺补焊组织。若以脉冲工艺进行反复补焊,那么组织一定会恶化[6]。通过对组织的观察可以了解到,试验规范基础上的CMT焊接实际热输入并不大,将其渗透至母材内热量小,焊接接头的整体温度较低,这对焊缝、热影响区组织、性能的优化有重要作用,同时也可以减少焊缝填充金属内重要微量元素的损失。

    分析之后认为CMT是短路过渡的一种,由其所构成的熔滴温度与脉冲焊接相比较低,短路时的电流非常小,母材热输入也非常小,所以CMT焊接期间温度要小于脉冲焊。因为脉冲焊所形成的熔滴电流较大,熔滴温度也高于CMT补焊工艺,CMT补焊工艺熔滴温度相对较低,所以母材热输入也小,要想发挥出铝合金接头性能优化作用,其关键在于焊缝组织的改善,降低热影响区软化。鉴于此,CMT补焊工艺焊缝组织得到改善,其本质原因在于CMT熔滴温度较低,熔滴过渡至熔池,在这之后熔池中液态金属温度低,致使凝固之前的温度梯度较小,能够形成成分过冷。如果过冷范围过大,会出现轴晶,将柱状晶的生长范围缩小,也就是减少柱状晶区域,将等轴晶区扩大。脉冲焊接工艺应用的过程中,因为熔滴温度较高,加上实际温度梯度大,对于成分过冷的形成非常不利,从而增多了柱状晶范围,晶粒较为粗大,后焊焊道所形成的热量也对先焊焊道造成影响。

3.2 焊接接头硬度演变

    硬度试验需要按照国际标准《金属材料焊缝破坏性试验硬度试验一电弧焊接头硬度试验》展开。硬度检定主要涉及到焊缝、热影响区、母材这三个部分。硬度试验参数建议以维氏硬度载荷4.9N以及测点间距1mm为主[7]。12mm厚板试验期间,要对焊接接头的近上表面、中部以及近下表面硬度实际分布情况进行测量。观察发现,焊缝硬度相比母材硬度较低,12mm厚板的接接头焊缝中心硬度分布按照近上表面、中部的顺序补焊次数不断下降。观察可知,CMT补焊工艺可能导致临近焊缝晶粒较为粗大,且补焊次数增加,晶粒粗大领域扩大,所以降低厚板中部硬度。

    通过以上分析总结出以下几点内容:第一,与脉冲MIG工艺相对比,铝合金厚板CMT焊接工艺展开多次补焊所获得的焊缝晶粒度比较小,铝合金厚板多层多道CMT焊接工艺应用之后,焊道针对先焊焊道所产生的热传导相对较小;第二,CMT补焊工艺可能导致厚板中部临近的焊缝位置晶粒过于粗大且硬度降低。

结束语:

    综上所述,通过应用CMT补焊工艺,能够有效减小先焊焊道热传导以及焊缝附近晶粒硬度,为今后铝合金产品焊接、补焊等相关操作提供了诸多参考。

参考文献:

[1]孙世烜,高彦军,毕煌圣,呼啸,刘政,焉嵩.2219铝合金变极性等离子横焊接头补焊性能研究[J].压力容器,2017,34(03):10-16+29.

[2]张欣盟,何广忠,张行,毛一伟,王相国,刘会杰.6005A铝合金型材搅拌摩擦焊未焊合缺陷的搅拌摩擦补焊研究[J].焊接,2016(11):37-40+73.

[3]贺地求,姚俊歌,赖瑞林,王海军,李然.FSW与MIG补焊的6005A-T6铝合金型材FSW接头疲劳性能研究[J].热加工工艺,2015,44(13):20-23.

[4]姚俊歌,贺地求,赖瑞林,李然,王海军.采用FSW与MIG工艺补焊6005A-T6铝合金的接头力学性能[J].中国有色金属学报,2015,25(03):589-594.

[5]陈东方,韩德成,方喜风,刘雪松.相对湿度对5083铝合金补焊焊缝缺陷的影响[J].焊接技术,2014,43(12):66-68.

[6]梁志敏,李亚博,赵双双,汪殿龙,路浩.7N01铝合金脉冲MIG焊与直流CMT焊多次补焊试验[J].焊接学报,2014,35(09):27-31+2.

[7]汪之平,付宁宁,隋显庭,周成候,李春广,池浩瀚.多次补焊对5083-H111铝合金焊接接头组织与性能的影响[J].电焊机,2014,44(06):130-134.

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