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        鋁合金激光—電弧雙面焊接中“雙弧”形成機理探討

        2021-11-02 13:41:30杜晶晶
        世界有色金屬 2021年11期
        關(guān)鍵詞:弧焊雙面電弧

        杜晶晶,杜 鵬,徐 釗

        (衡水學(xué)院,河北 衡水 053000)

        隨著工業(yè)制造業(yè)中焊接工藝運用的范圍日益增多,對此研究焊縫正反兩面同時施焊,研究擴展得到雙面雙弧焊接。近些年來得到了越來越多的關(guān)注,雙面雙弧焊與單弧焊相比具有很多優(yōu)點。為此對鋁合金激光-電弧雙面焊接中“雙弧”展開詳細分析。為今后各行各業(yè)焊接工藝技術(shù)提供參考。

        1 鋁合金激光焊接技術(shù)概述

        1.1 鋁合金激光焊接發(fā)展現(xiàn)狀

        鋁合金激光焊接有諸多優(yōu)勢,焊接變形小、成形好等,因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但相比較傳統(tǒng)的鋁合金方法來說,鋁合金激光焊接想高質(zhì)量的實現(xiàn)并不簡單,激光焊接鋁合金很容易出現(xiàn)下塌和孔洞等缺陷。國內(nèi)外焊接工作者對此技術(shù)進行了改進,使這種焊接工藝得到了進步。提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本方面,激光焊是行之有效的技術(shù)方法。激光焊接技術(shù)優(yōu)點,焊接的速度快、效率高、工件熱影響區(qū)小、變形小,質(zhì)量也好。焊接條件可以在特殊環(huán)境或者溫室環(huán)境。相對不同的結(jié)構(gòu)或和材料來說,具有較高的適應(yīng)性,能微型焊接。準確獲得很小的光斑后,可以精密的定位,可以焊接接觸不到或難以接觸的部位,靈活性強。比較電子束焊技術(shù),焊接質(zhì)量差別不大,激光焊不需要真空環(huán)境和保護氣成分。

        1.2 鋁合金激光焊接方法

        在多種鋁合金激光焊接的焊接方法中,不同的生產(chǎn)場所運用不同的方法。第一,鋁合金電阻點焊,主要適合用于4mm厚的薄板進行焊接,在航空航天中出現(xiàn)得比較多。第二,熱源為兩級間電弧的焊接方法。因為是焊絲保護熔化極惰性氣體,所以母材的熔深也大,焊接過程中熔敷速度也高,不僅能夠焊接中等和較薄的工件,也能夠焊接大厚板的工件。第三,平行縫焊,該方法利用兩只同步平行運動的電極輪與蓋板產(chǎn)生閉合回路,電流產(chǎn)生局部高溫使焊接材料熔化完成焊接,這種工藝一般應(yīng)用于外形規(guī)則對稱的小型模塊中[1]。第四,激光焊的接頭性能良好不受電磁干擾,通過激光焊對高能量密度的產(chǎn)生,使高熱量輸入工件的待焊接位置的金屬,從而達到焊接目的,是一種工藝技術(shù)。

        1.3 鋁合金激光焊接難點

        因受基體材料本身性質(zhì)的影響,鋁合金激光焊接存在著很多問題,激光深熔焊小孔坍塌,從而形成氣孔,此問題原因是液態(tài)鋁表面張力低;激光具有良好的傳輸和聚焦性能,鋁合金電導(dǎo)率高,通常產(chǎn)生接頭性能差和變形大。激光熔焊方法,是一種較為特殊的熔焊方法,容易出現(xiàn)許多復(fù)雜的問題,例如出現(xiàn)焊接接頭缺陷。對此總結(jié)了以下幾點:第一,焊接接頭產(chǎn)生焊縫裂紋和接頭軟化等缺陷。第二,激光焊接冷卻速度快,使焊接接頭產(chǎn)生氣孔問題。焊縫低熔點共晶合金元素成分易在冷卻凝固過程中形成裂紋;第三,激光能量消耗量大,由于激光需穿過電弧后才能作用于工件,電弧等離子體對激光的吸收、散焦以及折射作用不可避免地造成激光能量的損耗[2]。鋁合金電弧自身的穩(wěn)定性非常差,振蕩呈現(xiàn)周期性。提高鋁合金激光焊過程的穩(wěn)定性、能量利用率。這類基本問題得到很好的理論解釋。另外鋁合金激光焊接的密度要高,是鋼鐵材料的四五倍[3]。

        2 鋁合金雙面雙弧焊的形成機理

        2.1 雙面雙弧非對稱焊接

        雙弧焊接過程中進行施焊的兩個電弧在工件的兩側(cè),這種焊接工藝,要兩個焊槍保持一定的電弧距離,在前后方面。雙面TIG焊的出現(xiàn)頻率很高,在目前生產(chǎn)中。雙面雙弧非對稱焊接能夠降低金屬的熔敷量,加快生產(chǎn)效率,是一種高效的工藝方法。后面進行清根處理時,并且需要對坡口進行徹底的清理。此工作程序能夠耗氣刨電極,操作上也很消耗時間,焊接金屬的熔敷量清根效果很一般,因反面氣刨的大幅度增加,很容易出現(xiàn)焊接缺陷,在熔合區(qū)中。焊件合格率的檢驗被直接增加,相對不合格率卻大大提高了。焊接過程中,雙面雙弧焊取消了原有的清根以及檢驗等焊接程序,很大幅度的提升了焊接效率,并且焊縫兩邊的熱能輸入基本對稱,在焊接過程中。降低了焊接的變形程度,因此這一焊接方法是高效節(jié)能的工藝技術(shù)。針對焊槍間距對焊接質(zhì)量的影響做出了實驗。如圖1所示,同步焊接時兩電弧完全重合,焊接能量集中,熔透性好。

        圖1 氣孔數(shù)量及未熔合比例隨焊槍間距變化曲線

        但此時兩側(cè)電弧互相干擾,可能導(dǎo)致紊流,因此氣孔較多,隨著焊槍間距增大,熔池拉長,能量逐漸分散,未熔合比例增多。

        2.2 雙面雙弧對稱焊接

        等離子弧在不同的作用強度下,會產(chǎn)生小孔效應(yīng),而導(dǎo)致這一問題的原因是過大的鎢極氬弧造成的。小孔效應(yīng)的出現(xiàn),使焊接效率進一步提升。增加熔深的同時為焊接質(zhì)量和力學(xué)性能提供有效的技術(shù)支撐,從而為熱影響區(qū)的限制條件提供可靠控制手段。激光焊相對投資大,而電弧焊的投資成本偏低,這兩種技術(shù)的復(fù)合,會在很大程度上提高效率。雙面弧焊對比其他焊接來說,能夠?qū)崿F(xiàn)工藝技術(shù),并且在程序準備上工作量小,相對激光束焊接設(shè)備成本低。PAW-TIG焊的工藝是指,鎢極氬弧焊和等離子弧焊同時,對伸縮鉆桿進行操作。在一定程度上加大了焊接生產(chǎn)率,此工藝的效果顯著。焊縫的質(zhì)量與原質(zhì)量相差甚微。既節(jié)省了焊接材料,又提高了效率。某大學(xué)教授在物理性質(zhì)上,在對鎢極的雙面電弧焊展開了研究,對其熱流密度創(chuàng)建了控制方程式的同時,構(gòu)建二維數(shù)學(xué)模式。對熱影響區(qū)性能,進行傳熱規(guī)律的剖析,得出雙面雙弧焊熔深增加的原因[4]。雙面雙弧焊的焊接參數(shù)的選取經(jīng)過多次試驗的調(diào)試,參考了單面單弧焊的數(shù)據(jù),試驗參數(shù)見表1。

        表1 雙面雙弧MIG焊T型接頭焊接參數(shù)表

        在試驗溫度:20℃和空氣相對濕度:35攝氏度參數(shù)下較單面單弧焊在單位時間內(nèi)的熱輸入量大幅度增加,因而,在焊接電流、焊接速度等方面進行了進一步調(diào)整。焊接試驗的總指導(dǎo)方向是:研究預(yù)熱溫度和電弧前后間距對焊接性能的影響。

        3 結(jié)語

        本文針對鋁合金激光-電弧雙面焊接中“雙弧”的研究中發(fā)現(xiàn),反面碳弧氣刨和檢驗等焊接程序,被雙弧焊取消了,不僅對焊接效率有很大程度的提升,而且節(jié)省材料沒有影響到焊縫質(zhì)量,焊接程序少,工藝條件易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

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