一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法

技术领域

本发明涉及一种熔化焊接技术领域，具体是涉及一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法。

背景技术

铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性好、可加工性好等优点，在航空航天、轨道交通、机械装备等领域具有广泛的应用。异种铝合金的复合结构可以充分发挥各种铝合金的优势，使整体结构具有优异的综合性能。时效强化型铝合金一般合金元素含量较高、凝固区间宽、固相线温度低，导致熔化焊接时易产生热裂纹，因此目前异种时效强化型铝合金的连接主要采用搅拌摩擦焊技术。但是，搅拌摩擦焊过程中需要将刚性的搅拌头扎入到待焊工件内部运动，且焊缝两侧的工件需要给予相应的顶锻力，因此对于形状复杂和焊接空间狭小的工件，该技术的使用受到了很大的限制，其应用普适性远不如熔焊技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法，包括以下步骤：

步骤S1：焊丝的类型划分及制备：将焊丝根据材质硬度划分为4种型号并进行制备：

一是超高硬度焊丝，包括硬度HRC58以上的铝合金材质和防热裂颗粒，防热裂颗粒在焊丝中的体积百分比为1.5%～2%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为30～150nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、TiB2；

二是高硬度焊丝，包括硬度HRC49～57的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为1.0%～1.6%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为30～150nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的WC和TiB2；

三是中硬度焊丝，包括硬度HRC39～48的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为0.8%～1.2%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为30～150nm，所热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、WC；

四是低硬度焊丝，包括硬度HRC38以下的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为0.5%～1.0%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为30～150nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、Al2O3；

步骤S2：铝合金异型工件焊前清理；

步骤S3：焊丝型号的选择及填充：将两个待焊接的铝合金异型工件进行比较，选出强度更高的铝合金异型工件，以该强度更高的铝合金异型工件为基准，选取与该强度更高的铝合金异型工件的硬度一致或接近的相应型号的焊丝，将选取的焊丝作为填充材料填充到两个待焊接的铝合金异型工件的对接处；

步骤S4：采用热输入小的熔化焊接方法进行焊接；

步骤S5：对焊接件进行焊后处理：将焊缝余高切除，使焊缝与两侧工件平齐，然后对焊接件进行焊后处理。

本发明通过对焊丝的改进，在焊丝中加入了防热裂颗粒，并优化防热裂颗粒在焊丝的体积比，利用该焊丝对铝合金异型工件进行焊接后，明显解决了焊接过程中所出现的热裂问题。

优选地，所述步骤S2中，具体的清理方法如下：焊接前先使用砂纸对两种铝合金异型工件的待焊区进行打磨，去除铝合金异型工件表面的氧化膜，然后使用有机溶剂丙酮擦洗打磨后的铝合金异型工件，去除铝合金异型工件表面的油污。

优选地，所述的步骤S4，熔化焊接方法采用的是激光-电弧复合焊。

优选地，采用激光-电弧复合焊时，激光器发出的激光与垂直于铝合金异型工件所在面的夹角是0~15°，电弧焊枪与铝合金异型工件的夹角是30~60°。

优选地，电弧焊枪的电流为100~250A，焊接速度为0.1~0.2m/s，送丝速度为6~10m/min，使用高纯氩气作为保护气，流量为15~25L/min。

优选地，所述激光器中，光源的光丝间距为2~4mm，离焦量为-3~+3mm，激光功率为3~5kw。

优选地，所述步骤S5中，焊后处理过程中，先在铝合金异型工件的焊缝区和焊缝两侧的热影响区进行激光冲击，然后进行时效处理。采取这种方法可以实现异种时效强化型铝合金的高性能熔化焊接，熔化焊接部分具有优异的强度和塑性。

优选地，所述激光冲击的具体步骤是：先对激光冲击的区域进行打磨抛光，然后贴黑色胶带作为吸收层，冲击时用流水作为约束层，水层厚度为1~2mm。

优选地，激光冲击参数：单脉冲能量2~9J，脉冲宽度18~24ns，采用圆形光斑，直径2.5mm，光斑搭接率20%~70%，冲击次数1~4次。

优选地，时效处理采用人工时效或自然时效，其中，人工时效参数与被焊工件中强度更低的铝合金参数相同；自然时效即在室温下放置2~16周。

本发明的有益效果在于：

本发明选择含有防热裂颗粒且与待焊工件中强度更高铝合金一致的焊丝作为填充材料，一方面是通过引入防热裂颗粒促进焊缝细小晶粒的形成，从而解决熔化焊接热裂的问题，另一方面是降低焊缝合金成分的稀释率，保证焊缝具有较高的强度。

激光-电弧焊接方式热输入小，可尽量减少焊接热输入对热影响区的影响程度。

焊后直接进行时效处理，本发明提出的先激光冲击后时效工艺，可以在提高弱铝侧热影响区强度的同时，也提高焊缝的强度，使焊缝和弱铝侧热影响区保持较大的强度差异，从而使接头塑性变形主要集中在弱铝侧热影响区，使焊接区域具有良好的塑性。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图：

图1为本发明实施例1的7075和6061铝合金焊接后的状态图；

图2为图1将焊缝余高切除，使焊缝与两侧工件平齐，然后对焊接件进行焊后处理的状态图；

图3为图2所示焊缝处焊金相组织图；

图4是本发明实施例1的7075和6061铝合金熔焊接头强度和塑性与文献中搅拌摩擦焊接头性能的对比图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上表面”、“下表面”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“正转”、“反转”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

本实例公开了一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法。选择大小相同的两种铝合金异型工件作为焊接材料，一种为7075铝合金异型工件，另外一种为6061铝合金异型工件，长度为120mm，宽度为100mm，厚度为3mm。

本实例的一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法，包括以下步骤：

步骤S1：焊丝的类型划分及制备：将焊丝根据材质硬度划分为4种型号并进行制备：

一是超高硬度焊丝，包括硬度HRC58以上的铝合金材质和防热裂颗粒，防热裂颗粒在焊丝中的体积百分比为1.5%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为30nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、TiB2；

二是高硬度焊丝，包括硬度HRC49～57的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为1.0%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为30nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的WC和TiB2；

三是中硬度焊丝，包括硬度HRC39～48的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为0.8%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为30nm，所热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、WC；

四是低硬度焊丝，包括硬度HRC38以下的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为0.5%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为30nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、Al2O3。

步骤S2：铝合金异型工件焊前清理：具体的清理方法如下：焊接前先使用砂纸对7075铝合金异型工件和6061铝合金异型工件的待焊区进行打磨，去除铝合金异型工件表面的氧化膜，然后使用有机溶剂丙酮擦洗打磨后的铝合金异型工件，去除铝合金异型工件表面的油污。

步骤S3：焊丝型号的选择及填充：将7075铝合金异型工件和6061铝合金异型工件进行比较，选出强度更高的铝合金异型工件为7075铝合金异型工件，以7075铝合金异型工件为基准，选取与该强度更高的铝合金异型工件的硬度一致或接近的相应型号的焊丝为超高硬度焊丝，将超高硬度焊丝作为填充材料填充到7075铝合金异型工件和6061铝合金异型工件的对接处。

步骤S4：采用热输入小的熔化焊接方法进行焊接：熔化焊接方法采用的是激光-电弧复合焊。采用激光-电弧复合焊时，激光器发出的激光与垂直于铝合金异型工件所在面的夹角是0°，电弧焊枪与铝合金异型工件的夹角是30°；电弧焊枪的电流为100A，焊接速度为0.1m/s，送丝速度为6m/min，使用高纯氩气作为保护气，流量为15L/min；所述激光器中，光源的光丝间距为2mm，离焦量为-3~+3mm，激光功率为3kw，焊后的形状如图1所示，

步骤S5：对焊接件进行焊后处理：将焊缝余高切除，使焊缝与两侧工件平齐，然后对焊接件进行焊后处理，如图2所示。

焊后处理过程中，先在铝合金异型工件的焊缝区和焊缝两侧的热影响区进行激光冲击，然后进行时效处理。采取这种方法可以实现异种时效强化型铝合金的高性能熔化焊接，熔化焊接部分具有优异的强度和塑性。

激光冲击的具体步骤是：先对激光冲击的区域进行打磨抛光，然后贴黑色胶带作为吸收层，冲击时用流水作为约束层，水层厚度为1mm，激光冲击参数：单脉冲能量2J，脉冲宽度18ns，采用圆形光斑，直径2.5mm，光斑搭接率20%，冲击次数1次。

时效处理采用人工时效或自然时效，其中，人工时效参数与被焊工件中强度更低的铝合金参数相同；自然时效即在室温下放置2周。

在本实施例中，7075和6061焊接后的状态，如图1所示，可见焊缝中未观察到明显裂纹，表明该方案解决了异种铝合金熔焊热裂的问题。

焊缝区金相组织如图3所示，可见焊缝区晶粒细小。

焊接区的强度和塑性与文献中搅拌摩擦焊接头性能的对比，如图4所示，图中的虚线框内的部分“PRESENT WORK”是指本发明技术，可见本实施例中的熔焊的焊接强度超过了文献中搅拌摩擦焊技术制备的焊接强度，同时保持了良好的塑性。

实施例2：

本实例公开了一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法。选择大小相同的两种铝合金异型工件作为焊接材料，一种为7075铝合金异型工件，另外一种为2024铝合金异型工件，长度为120mm，宽度为100mm，厚度为3mm。

本实例的一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法，包括以下步骤：

步骤S1：焊丝的类型划分及制备：将焊丝根据材质硬度划分为4种型号并进行制备：

一是超高硬度焊丝，包括硬度HRC58以上的铝合金材质和防热裂颗粒，防热裂颗粒在焊丝中的体积百分比为1.75%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为90nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、TiB2；

二是高硬度焊丝，包括硬度HRC49～57的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为1.3%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为90nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的WC和TiB2；

三是中硬度焊丝，包括硬度HRC39～48的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为1.0%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为90nm，所热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、WC；

四是低硬度焊丝，包括硬度HRC38以下的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为0.75%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为90nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、Al2O3。

步骤S2：铝合金异型工件焊前清理：具体的清理方法如下：焊接前先使用砂纸对7075铝合金异型工件和2024铝合金异型工件的待焊区进行打磨，去除铝合金异型工件表面的氧化膜，然后使用有机溶剂丙酮擦洗打磨后的铝合金异型工件，去除铝合金异型工件表面的油污。

步骤S3：焊丝型号的选择及填充：将两个待焊接的7075铝合金异型工件和2024铝合金异型工件进行比较，选出强度更高的铝合金异型工件为7075铝合金异型工件，以7075铝合金异型工件为基准，选取与7075铝合金异型工件的硬度一致或接近的相应型号的焊丝为超高硬度焊丝，将超高硬度焊丝作为填充材料填充到两个待焊接的7075铝合金异型工件和2024铝合金异型工件的对接处。

步骤S4：采用热输入小的熔化焊接方法进行焊接：熔化焊接方法采用的是激光-电弧复合焊。采用激光-电弧复合焊时，激光器发出的激光与垂直于铝合金异型工件所在面的夹角是8°，电弧焊枪与铝合金异型工件的夹角是45°；电弧焊枪的电流为175A，焊接速度为0.15m/s，送丝速度为8m/min，使用高纯氩气作为保护气，流量为20L/min；所述激光器中，光源的光丝间距为3mm，离焦量为-3~+3mm，激光功率为4kw。

步骤S5：对焊接件进行焊后处理：将焊缝余高切除，使焊缝与两侧工件平齐，然后对焊接件进行焊后处理。

焊后处理过程中，先在铝合金异型工件的焊缝区和焊缝两侧的热影响区进行激光冲击，然后进行时效处理。采取这种方法可以实现异种时效强化型铝合金的高性能熔化焊接，熔化焊接部分具有优异的强度和塑性。

激光冲击的具体步骤是：先对激光冲击的区域进行打磨抛光，然后贴黑色胶带作为吸收层，冲击时用流水作为约束层，水层厚度为1.5mm，激光冲击参数：单脉冲能量5.5J，脉冲宽度21ns，采用圆形光斑，直径2.5mm，光斑搭接率45%，冲击次数3次。

时效处理采用人工时效或自然时效，其中，人工时效参数与被焊工件中强度更低的铝合金参数相同；自然时效即在室温下放置9周。

实施例3：

本实例公开了一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法。选择大小相同的两种铝合金异型工件作为焊接材料，一种为6061铝合金异型工件，另外一种为2319铝合金异型工件，长度为120mm，宽度为100mm，厚度为3mm。

本实例的一种异种时效强化型铝合金熔化焊接方法，包括以下步骤：

步骤S1：焊丝的类型划分及制备：将焊丝根据材质硬度划分为4种型号并进行制备：

一是超高硬度焊丝，包括硬度HRC58以上的铝合金材质和防热裂颗粒，防热裂颗粒在焊丝中的体积百分比为2%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为150nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、TiB2；

二是高硬度焊丝，包括硬度HRC49～57的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为1.6%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为150nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的WC和TiB2；

三是中硬度焊丝，包括硬度HRC39～48的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为1.2%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为150nm，所热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、WC；

四是低硬度焊丝，包括硬度HRC38以下的铝合金材质和防热裂颗粒，焊丝中的体积百分比为1.0%，防热裂颗粒的颗粒尺寸为150nm，所述防热裂颗粒采用的是1：1重量比的SiC、Al2O3。

步骤S2：铝合金异型工件焊前清理：具体的清理方法如下：焊接前先使用砂纸对6061铝合金异型工件和2319铝合金异型工件的待焊区进行打磨，去除铝合金异型工件表面的氧化膜，然后使用有机溶剂丙酮擦洗打磨后的铝合金异型工件，去除铝合金异型工件表面的油污。

步骤S3：焊丝型号的选择及填充：将两个待焊接的6061铝合金异型工件和2319铝合金异型工件进行比较，选出强度更高的铝合金异型工件为2319铝合金异型工件，以2319铝合金异型工件为基准，选取与2319铝合金异型工件的硬度一致或接近的相应型号的焊丝为超高硬度焊丝，将选取的超高硬度焊丝作为填充材料填充到6061铝合金异型工件和2319铝合金异型工件的对接处。

步骤S4：采用热输入小的熔化焊接方法进行焊接：熔化焊接方法采用的是激光-电弧复合焊。采用激光-电弧复合焊时，激光器发出的激光与垂直于铝合金异型工件所在面的夹角是15°，电弧焊枪与铝合金异型工件的夹角是60°；电弧焊枪的电流为250A，焊接速度为0.2m/s，送丝速度为10m/min，使用高纯氩气作为保护气，流量为25L/min；所述激光器中，光源的光丝间距为4mm，离焦量为-3~+3mm，激光功率为5kw。

步骤S5：对焊接件进行焊后处理：将焊缝余高切除，使焊缝与两侧工件平齐，然后对焊接件进行焊后处理。

焊后处理过程中，先在铝合金异型工件的焊缝区和焊缝两侧的热影响区进行激光冲击，然后进行时效处理。采取这种方法可以实现异种时效强化型铝合金的高性能熔化焊接，熔化焊接部分具有优异的强度和塑性。

激光冲击的具体步骤是：先对激光冲击的区域进行打磨抛光，然后贴黑色胶带作为吸收层，冲击时用流水作为约束层，水层厚度为2mm，激光冲击参数：单脉冲能量9J，脉冲宽度24ns，采用圆形光斑，直径2.5mm，光斑搭接率70%，冲击次数4次。

时效处理采用人工时效或自然时效，其中，人工时效参数与被焊工件中强度更低的铝合金参数相同；自然时效即在室温下放置16周。

工作原理：本发明是针对异型焊接件而研发的，本发明通过对焊丝的改进，在焊丝中加入了防热裂颗粒，并优化防热裂颗粒在焊丝的体积比，利用该焊丝对铝合金异型工件进行焊接后，明显解决了焊接过程中所出现的热裂问题。

由于焊缝金属凝固过程中形成大量晶界共晶相，基体中的固溶原子量少，导致焊缝时效强化效果不明显，而两个铝合金异型工件的弱铝侧热影响区经过时效处理后强度显著提升，最终导致焊缝与弱铝侧热影响区的强度差异减小。因此，焊接接头的部分在变形过程中，焊缝和弱铝侧热影响区产生的变形程度差异小。由于焊缝是凝固组织，塑性较差，导致焊接接头断裂在焊缝区。本发明提出的先激光冲击后时效工艺，可以在提高弱铝侧热影响区强度的同时，也提高焊缝的强度，使焊缝和弱铝侧热影响区保持较大的强度差异，从而使接头塑性变形主要集中在弱铝侧热影响区。由于弱铝侧塑性好，导致接头具有良好的塑性。因此，通过本发明提出的方法可以实现异种时效强化型铝合金的高性能熔化焊接，接头具有优异的强度和塑性。

此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。