胡戰(zhàn)明 周 凱 張學(xué)海 李學(xué)強(qiáng)

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭014030)

1 2A12鋁合金焊接難點(diǎn)及前期工藝準(zhǔn)備

1.1 2A12鋁合金材料焊接性分析

從表1母材化學(xué)成分可以看出該鋁合金含銅量較高，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生熱裂紋，通過(guò)母材化學(xué)成分選擇焊絲為ER4043￠3.0mm氬弧焊絲，該焊絲屬于鋁硅合金，熔點(diǎn)為573～625℃，流動(dòng)性好，抗熱裂能力強(qiáng)，符合母材焊接要求。

表1 母材和焊絲的化學(xué)成分

1.2 焊前清理工作

該鋁合金熱裂紋傾向嚴(yán)重，焊接性較差，焊接前必須做好清理工作，清理方法具體分為化學(xué)清洗法和機(jī)械清理法。采用化學(xué)清洗零件需進(jìn)行75%氫氧化鈉熱液清洗15分鐘，再進(jìn)行清水漂洗3次，將零件放入5%硝酸溶液里浸泡15分鐘，撈出后再入清水槽漂洗3次，將零件放入烘干箱烘干，零件于48小時(shí)內(nèi)焊接即可。采用機(jī)械清理就是將零件變形處通過(guò)電弧增材補(bǔ)焊后，零件變形被矯正過(guò)來(lái)，增材焊縫采用角磨機(jī)拋光片打磨干凈即可。該2A12鋁合金框架所有零件全部采用化學(xué)清洗，后續(xù)矯正增材焊縫全部采用機(jī)械清理。

1.3 焊接材料準(zhǔn)備

在使用鎢極氬弧焊時(shí)，應(yīng)該選用ER4043￠3.0mm鋁硅合金焊絲，氣體選用99.99%Ar。

1.4 焊接設(shè)備選用

WSME-500交直流氬弧焊機(jī)。

2 2A12鋁合金框架零件焊接過(guò)程控制

2.1 2A12鋁合金框架裝配間隙的選擇

由于鋁合金焊接時(shí)的收縮特性，間隙組對(duì)至關(guān)重要，零件的下料尺寸必須比圖紙要求尺寸大出2～3mm余量。

鋁合金線膨脹系數(shù)是鋼的2.4倍，在焊接熱源和焊縫收縮應(yīng)力的作用下，結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生撓曲變形及扭曲變形，焊接組對(duì)間隙盡可能控制在0.5mm以?xún)?nèi)，防止焊縫收縮量過(guò)大導(dǎo)致焊接變形增加。如圖1所示。

圖1 鋁合金框架裝配圖

2.2 2A12鋁合金框架焊接工藝參數(shù)選擇

2A12鋁合金框架焊接工藝參數(shù)選擇，如表2所示。

表2 為焊接參數(shù)配比表

2.3 2A12鋁合金框架焊接前采取的防止變形措施

首先將框架各矩形梁按圖紙尺寸及形狀進(jìn)行組合，將零件放在三維柔性?shī)A緊平臺(tái)上，利用輔具直尺控制框架各尺寸及各梁之間的垂直度，采用壓緊裝置將梁壓緊在平臺(tái)上，邊緣部分采用卡蘭壓緊，工件組夾完成后進(jìn)行定位焊，定位焊點(diǎn)均勻分布。如圖2所示。

圖2 框架剛性固定圖

焊接順序分布，該零件組合完成后形成米字布局，焊口為36處矩形焊口全部滿(mǎn)焊，焊接拘束應(yīng)力非常大，合理的焊縫布局能夠減少焊縫拘束應(yīng)力產(chǎn)生，對(duì)焊接變形也具有一定效果，焊接順序從米字中心開(kāi)始向框架外部擴(kuò)散，焊接順序如圖3所示。

圖3 框架焊縫焊接順序圖

焊接工藝采用交流TIG焊接，焊接電流不易過(guò)大，宜采用150A～200A之間焊接電流，焊槍角度保證與工件75°夾角，采用左焊法，焊槍不做橫向擺動(dòng)盡可能減少焊接熱輸入，避免熱影響區(qū)太寬晶粒粗化產(chǎn)生熱裂紋，同時(shí)也能降低焊接變形。

焊接時(shí)先焊平面焊縫再焊角接焊縫，所有焊縫完成后使用木錘敲擊焊縫及周邊熱影響區(qū)，釋放焊接應(yīng)力，同時(shí)也起到時(shí)效振動(dòng)效果。

框架所有焊縫焊接完成，冷卻到室溫松開(kāi)壓緊裝置，觀察焊接變形區(qū)域及變形形態(tài)，發(fā)現(xiàn)米字中心區(qū)域變形嚴(yán)重，中心比兩端高出10mm，產(chǎn)生撓曲變形。如圖4所示。

圖4 零件變形檢測(cè)圖

3 2A12鋁合金框架焊接變形矯正過(guò)程對(duì)比

3.1 焊接變形原因分析

管管連接在焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生拉壓力及壓應(yīng)力，這兩種作用力容易使橫向管體發(fā)生彎曲變形，這種焊接變形在剛性固定的情況下會(huì)有所改變，但是無(wú)法完全消除焊接殘余變形，本文講解的是米字型框架類(lèi)鋁合金零件，與圖5作用力基本一致，所以該框架產(chǎn)生了整體彎曲變形，米字中心處發(fā)生向下拱起變形。焊接應(yīng)力與焊接變形之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 T型環(huán)焊縫應(yīng)力分布圖

3.2 焊接變形矯正方法

焊接變形矯正方法有兩種，即機(jī)械矯正法和火焰加熱矯正法。機(jī)械矯正又可以分為油壓機(jī)擠壓矯正和手工冷作矯正，通過(guò)機(jī)械矯正會(huì)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂、零件表面劃傷，因?yàn)?A12鋁合金強(qiáng)度高、硬度高、塑性變形能力低，屈服強(qiáng)度≥265MPa，延伸率為5%，ER4043焊絲焊接完成后焊縫抗拉強(qiáng)度只有180～240MPa，所以通過(guò)錘擊矯正或油壓機(jī)擠壓矯正都會(huì)使焊縫過(guò)載，導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂還需重新補(bǔ)焊，但補(bǔ)焊后又發(fā)生焊接變形，該矯正方法效果不理想，不建議使用。

3.3 火焰加熱矯正法

火焰加熱矯正法可以分為兩種，即氧乙炔火焰加熱和電弧加熱。氧乙炔火焰在加熱2A12鋁合金時(shí)容易出現(xiàn)游離氫，使鋁合金產(chǎn)生氫氣孔，加熱面積過(guò)寬使鋁合金表面氧化嚴(yán)重，影響使用性能，矯正收縮量不好控制，不建議使用。采用鎢極氬弧焊利用電弧加熱，添加焊絲在框架拱起部位焊接長(zhǎng)度100mm寬度8mm焊縫，利用鋁合金受熱產(chǎn)生收縮變形原理，局部下行的特點(diǎn)矯正拱起面，焊縫壓應(yīng)力對(duì)焊接變形矯正修復(fù)效果如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 電弧增材矯正焊縫圖

圖7 機(jī)械打磨增材矯正焊縫圖

圖8 合格產(chǎn)品平面度檢測(cè)圖

4 結(jié)論

通過(guò)采用預(yù)設(shè)反變形余量+剛性固定法和焊縫模擬仿真電弧增材矯正法，有效地解決了2A12鋁合金框架焊接變形難題，同時(shí)總結(jié)出兩種針對(duì)鋁合金框架類(lèi)零件焊接變形控制方法及焊接變形矯正方法。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于鋁合金框架類(lèi)零件在焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的膨脹和冷卻收縮現(xiàn)象，所以會(huì)發(fā)生撓曲變形，通過(guò)焊接前對(duì)零件采取預(yù)設(shè)反變形余量+剛性固定法可以有效地防止焊接變形產(chǎn)生，即便存在焊接變形通過(guò)采取焊縫模擬仿真電弧增材矯正法也能有效地矯正焊接變形。本文研究具有極強(qiáng)的可操作性及推廣性，可以為大型鋁合金框架類(lèi)零件焊接變形提供防止辦法及矯正方法。