CN110587165A - 一种铝及其合金型材的复合焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝及其合金型材的复合焊接工艺方法，本发明采用两种焊接方法的热输入互相补充利用，第一种是先进行腹板两侧角焊缝的电弧焊，相隔一定距离后焊接中间翼板的搅拌摩擦焊。第二种是先焊中间的搅拌摩擦焊接形成丁字接头，然后进行两侧熔化焊接。本发明集成复合焊接可以实现高效率、高质量、相对低成本的自动化型材焊接生产线。

Description

一种铝及其合金型材的复合焊接工艺方法

技术领域

本发明属于有色金属铝及其合金的焊接领域，具体涉及一种采用铝及其合金焊接制造T型或工字型材焊接方法。

背景技术

铝是目前应用最广的金属材料之一，其具有质轻，强度比高，耐大气腐蚀的显著特点。但是，铝焊接问题颇多，氧化膜清理、焊接变形大，导热快难以熔化以及高强材料焊接时接头强度低等问题困扰焊接过程。在大厚度铝型材制造中，如果需要焊接制造抗疲劳性高的T或工字型结构时，一般要求必须将连接接头处焊透并形成圆滑过渡。因此在采用一般的熔化焊接方法时，则必须要对腹板边缘进行开坡口焊接。坡口形式可根据板厚或受力特点开成单边V型或K型，如图1所示。要实现这一过程需要进行机械加工开坡口，然后组装固定，再通过多层或多道焊接将坡口填充饱满，并形成焊脚尺寸合适的外角焊缝，如图2所示。采用这种焊接工艺，需要消耗很多工时，材料和电能以及必要的辅助工时，这就势必给企业造成高昂的生产成本。在焊接变形方面，也有可能使翼板产生角变形或弯曲变形。此外，在铝及其合金的熔化焊接过程中，接头强度软化严重、焊缝成型困难等问题突出。因此，在铝及其合金的熔化焊接过程中减少焊接工作量将直接影响到焊件的焊接质量提升和焊接作业效率的提高。

对于铝及其合金的焊接，目前还有一种非常高效高质量的焊接方法，这种方法是1991年由英国焊接研究所发明的搅拌摩擦焊接。该方法目前可用于各种铝合金的焊接，可用于对接，角接等形式，也可以用于异种材料的焊接，如铝钢、铝铜等之间的焊接。但如果仅利用搅拌摩擦焊接丁字接头时，则会在连接直角处形成结构突变以及部分未焊透问题。

发明内容

为了克服在熔化焊接厚板铝及其合金制作型材时的开坡口和在搅拌摩擦焊接时降低结构突变引起的焊趾处的应力集中问题。本发明提出一种复合焊接工艺，即利用搅拌摩擦焊接与电弧熔化焊接相结合用于丁字形接头结构件的复合焊接工艺方法。

本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1，准备符合型材尺寸要求的铝及其合金翼板材和腹板材；

步骤2，根据尺寸要求，利用工装夹具组对翼板和腹板并进行点固焊接，并进行型材矫形；

步骤3，将固定焊后的型材放入焊接流水线，开启腹板夹紧机构和翼板夹具机构实现流水线作业***的夹紧；

步骤4，调节搅拌摩擦焊机到上丁字接头的翼板焊接位置，调节双弧弧焊***操作手到下丁字接头的角焊缝位置；

步骤5，根据焊接速度设置流水线传输速度，使搅拌摩擦焊机的焊接与双弧焊***的焊接速度同步；

步骤6，启动搅拌摩擦焊机，待焊接处达到塑性化温度后，启动双弧焊接***的同时，启动流水线传送机构，形成焊接过程；

在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头的搅拌针长度超过翼板厚度，因此搅拌针的部分进入腹板中间，实现腹板与翼板的搅拌摩擦连接；如果，翼板是由两块等宽窄板条拼接，则实现翼板之间的对接，同时实现翼板与腹板的丁字接；在双角焊缝的弧焊过程中，腹板两侧的电弧熔化腹板与翼板的连接直角处并形成一定的熔深，而熔化的填充金属完成了角焊缝金属；在构件翻转后，工字型结构的上半部，搅拌摩擦焊接进行双弧焊接后的腹板与翼板间的未熔透部分，利用搅拌针将未熔透部分进行搅拌摩擦焊接；而在工字型结构的下半部，双弧焊接***焊接腹板两侧的角焊缝，电弧熔化腹板与翼板的连接直角处并形成一定的熔深，而熔化的填充金属完成了角焊缝金属。

所述的步骤6中，实现两种焊接方法的热输入互相补充利用；第一种是先进行腹板两侧角焊缝的电弧焊，相隔一定距离后焊接中间翼板的搅拌摩擦焊；第二种是先焊中间的搅拌摩擦焊接形成丁字接头，然后进行两侧熔化焊接。

所述的步骤6中，搅拌头包括搅拌头夹持部、轴肩及搅拌针，搅拌头夹持部、轴肩及搅拌针依次连接，所述的搅拌针由大搅拌针和小搅拌针构成台阶梯形，大搅拌针的长度与翼板厚度相对应，大搅拌针的直径为翼板厚度的0.5～0.9倍；小搅拌针的长度为大搅拌针直径的0.2～0.3倍；小搅拌针直径为大搅拌针直径的0.6～0.8倍；所述的轴肩端面直径是大搅拌针直径的2.5～3倍。

所述的大搅拌针的直径根据腹板板厚选取，厚板取下限，薄板取上限。

本发明的优点效果如下：

集成搅拌摩擦焊接与电弧焊接***于T型接头焊接生产线。通过搅拌摩擦焊接将熔化焊接难以焊透的根部进行搅拌摩擦焊接，利用熔化焊接工艺方法将丁字接头连接部位的直角处进行电弧熔化焊接，实现焊趾处圆滑过渡以降低相应的应力集中。此外，利用集成复合焊接，可以实现两种焊接方法的热输入互相补充利用，提高焊接效率。根据两种焊接方法的位置布置不同，可产生两种不同的效果。第一种是先进行腹板两侧角焊缝的电弧焊，相隔一定距离后焊接中间翼板的搅拌摩擦焊。在这种情况下，两侧角焊缝既可以满足设计要求，又可以作为搅拌摩擦焊缝的两侧支撑拘束点。如果两种焊接方法的施焊点接近时，电弧焊接工件余热可以对搅拌摩擦焊接起到预热作用，相应地提高焊接速度或降低搅拌摩擦焊接转速。由于铝具有良好的导热性，在两种焊接方法进行到一定距离后，两种方法的温度场叠加后建立新的温度场，且处于动态平衡时就处于互相影响的状态。第二种是先焊中间的搅拌摩擦焊接形成丁字接头，然后进行两侧熔化焊接。在这种情况下，由于搅拌摩擦焊接工件余热的存在，相当于对熔化焊接进行预热作用，这样就可以减少熔化焊接的热输入。同样，如果两种方法施焊位置较近时，弧焊时的热量也反过来对搅拌摩擦焊接产生影响，由此提高搅拌摩擦焊接速度。因此，不论采取哪种组合，都对两种焊接方法产生积极作用。因此，集成复合焊接可以实现高效率、高质量、相对低成本的自动化型材焊接生产线。

附图说明

图1为丁字接头开坡口形式示意图。

图2a是单边V型角焊缝示意图。

图2b是单边V型带钝边坡口角焊缝示意图。

图2c是双边V型坡口角焊缝示意图。

图2d是双边V型带钝边坡口角焊缝示意图。

图2e是带钝边J型角焊缝示意图。

图2f是带钝边双边J型角焊缝示意图。

图3为本发明焊接***组成示意图。

图4为本发明搅拌头结构示意图。

图1中：101为腹板，102为翼板，103为角焊缝。

图3中，1是搅拌头，2是上翼板，3是腹板，4是MIG弧焊，6是搅拌摩擦焊缝，7是弧焊角焊缝。

图4中，φ1、搅拌头夹持直径；φ2、搅拌头轴肩直径；φ3、搅拌头的大搅拌针直径；φ4、搅拌头的小搅拌针直径；L1、搅拌头夹持长度；L2、搅拌头轴肩长度；L3、大搅拌针长度；L4、小搅拌针长度。

具体实施方式

实施例

步骤1，准备符合型材尺寸要求的铝及其合金翼板材和腹板材；

步骤2，根据尺寸要求，利用工装夹具组对翼板和腹板并进行点固焊接，并进行型材矫形；

步骤3，将固定焊后的型材放入焊接流水线，开启腹板夹紧机构和翼板夹具机构实现流水线作业***的夹紧；

步骤4，调节搅拌摩擦焊机到上丁字接头的翼板焊接位置，调节双弧弧焊***操作手到下丁字接头的角焊缝位置；

步骤5，根据焊接速度设置流水线传输速度，使搅拌摩擦焊机的焊接与双弧焊***的焊接速度同步；

步骤6，启动搅拌摩擦焊机，待焊接处达到塑性化温度后，启动双弧焊接***的同时，启动流水线传送机构，形成焊接过程；

在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头的搅拌针长度超过翼板厚度，因此搅拌针的部分进入腹板中间，实现腹板与翼板的搅拌摩擦连接；如果，翼板是由两块等宽窄板条拼接，则实现翼板之间的对接，同时实现翼板与腹板的丁字接；在双角焊缝的弧焊过程中，腹板两侧的电弧熔化腹板与翼板的连接直角处并形成一定的熔深，而熔化的填充金属完成了角焊缝金属；在构件翻转后，工字型结构的上半部，搅拌摩擦焊接进行双弧焊接后的腹板与翼板间的未熔透部分，利用搅拌针将未熔透部分进行搅拌摩擦焊接；而在工字型结构的下半部，双弧焊接***焊接腹板两侧的角焊缝，电弧熔化腹板与翼板的连接直角处并形成一定的熔深，而熔化的填充金属完成了角焊缝金属。

实施举例：利用本发明，本课题组在实验室利用搅拌摩擦焊接和双脉冲MIG实现厚度为5mm丁字型铝金属结构的焊接。型材尺寸为5*100*300*110。搅拌针直径4mm，长度6mm，双脉冲MIG焊接参数为：电流120A，焊丝直径1.2mm。电压20V。焊接速度120mm/min。

集成复合焊接生产线组成可以由以下四部分：

1、型材组对安装固定部分。

该部分主要功能是完成下料后的腹板和上下翼板的组对与安装固定。主要有相应尺寸的工装夹具和2台或4台移动弧焊焊接操作手完成。可根据设计在一定间隔内进行适当焊缝长度的弧焊点固。点固焊缝长度和间距需根据翼板和腹板厚度而定。

2、移动熔压焊接平台。

在焊接平台上设置有下翼板支撑机构，上翼板压紧机构，型材移动驱动机构、搅拌摩擦焊接***机构，两台MIG弧焊焊接操作手、成品部件的履带输送机构以及整个***的参数调节及程序控制***等组成。***组成简图如图3所示。在搅拌摩擦焊接上翼板与腹板连接处时，下翼板与腹板连接处的两条角焊缝分别由两台熔化焊接操作手进行熔化焊接。在焊接完毕后，翻转工件，再一次进行焊接，带有角焊缝的一侧进行搅拌摩擦焊接。而另一侧进行熔化焊接角焊缝。

3、弧焊焊接***部分。

铝及其合金的熔化焊接目前主要是交流TIG焊和直流MIG，其中，MIG焊接效率高，实现机器人焊接相对比较容易。因此，本方法提出主要使用MIG焊。而目前铝及其合金的MIG焊主要是直流脉冲MIG焊和双脉冲MIG焊。这两种焊接工艺方法都具有很好的焊缝质量和成形，相对而言，双脉冲的热输入更容易调节，焊缝成形更美观一点。因此更应该使用机器人操作下的双脉冲MIG焊。虽然是四条焊缝，当采取两次分开焊接时，可以使弧焊处于平角位置进行焊接，有利于焊缝成型，因此采用两台机器人操作下的两台双脉冲MIG。在编好焊接程序后，可与搅拌摩擦焊接同时进行对称焊接。

4、搅拌摩擦焊接***

如图4所示，本发明的搅拌头包括搅拌头夹持部、轴肩及搅拌针，搅拌头夹持部、轴肩及搅拌针依次连接，所述的搅拌针由大搅拌针和小搅拌针构成台阶梯形，大搅拌针的长度（L3）与翼板厚度相对应，其直径为翼板厚度的0.5～0.9倍。可根据腹板板厚选取，厚板取下限，薄板取上限。小搅拌针的长度（L4）为大搅拌针直径（φ3）的0.2～0.3倍。小搅拌针直径（φ4）为大搅拌针直径（φ3）的0.6～0.8倍；轴肩直径是大搅拌针直径的2.5～3倍。

根据前面总体结构设计，对于工字型对称截面构件，在上翼板和腹板连接中心处采用搅拌摩擦焊接的搭接接头形式进行焊接。这要求搅拌摩擦焊接过程中准确控制焊接位置使焊缝处于腹板中心位置。在焊接过程中，为防止腹板的上边缘两侧因搅拌针***腹板后产生挤裂现象，因此搅拌针采用台阶梯形，且***腹板的搅拌针的直径和长度较小。

本***也可以由两套焊接***组合成流水线工作，其中在两套***间设置工件翻转机构，在第一套焊接完成后，翻转***翻转半成品焊件进行第二次焊接。由于焊件存在余热，对于第二次焊接而言，相当于预热，因此第二次焊接的热输入可以较小。

本***集成两种焊接方法于铝及其合金的T型接头焊接过程，将会产生下列两个方面的显著特点及优势：

1、电弧热辅助搅拌摩擦焊接过程，降低搅拌摩擦焊接功率，提高焊接效率。

厚板铝及其合金的良好导热性使焊接过程需要搅拌摩擦焊接产生足够功率的热量以使焊接区域金属达到塑性化才能进行焊接，这就势必加大搅拌头的旋转速度、顶压力或降低焊接速度，这样在搅拌头轴肩摩擦接触区域由于产生热量过多而使金属处于过热状态，在金属的厚度方向上产生巨大的温度梯度。反之，要使表面金属温度达到合适状态，相应地在厚板的底部区域温度处于偏低状态，不利于搅拌过程，降低搅拌摩擦焊接的效率。特别在搭接接头情况下，两板之间存在空气间隙降低热量的传递。同时，腹板的热量主要来自于搅拌针前端部分与腹板摩擦热，由于接触面积小，产热量相对较小。因此，腹板的塑性化更加困难。而对称边的弧焊热量经过热传导传递到搅拌摩擦焊接的腹板区域，形成对搅拌摩擦焊接的预热状态。针对厚板的搅拌摩擦焊接效率的提高措施主要是适当提高板材温度，这方面的文献和技术有很多，如利用TIG或PAW以及激光等预热。本技术则是利用集成在***内的对称边电弧焊接角焊缝时的工件余热进行搅拌摩擦焊接的预热。

2、搅拌摩擦焊接余热对熔化焊接过程起到预热效果，降低电弧焊接参数，对提高焊缝性能和效率是有利的。

对于电弧焊接丁字接头，根据焊接结构特点，热传导是三个方向，翼板是二维传热，腹板是一维传热。因此在电弧焊接时，需要加大电弧热量，同时还需要电弧大部热量指向二维传热的翼板侧，这样才能形成适宜的温度场和焊缝成形。由于电弧对称焊接以及搅拌摩擦焊接余热使腹板温度升高，腹板散热会减缓，因此，对于丁字接头焊接的热输入可以大幅减小。

在第二套***焊接时，经过搅拌摩擦焊接***和电弧焊焊接***的双重加热下，工件会处在一个较高的整体温度下，这样不论是第二道的搅拌摩擦焊接还是电弧焊接都将存在预热。这样将可以大幅降低焊接所需要的参数或提高焊接速度。而减少焊缝的电弧热输入，对于细化焊缝晶粒和提高焊缝性能是有利的。

Claims (4)

1.一种铝及其合金型材的复合焊接工艺方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1，准备符合型材尺寸要求的铝及其合金翼板材和腹板材；

步骤2，根据尺寸要求，利用工装夹具组对翼板和腹板并进行点固焊接，并进行型材矫形；

步骤3，将固定焊后的型材放入焊接流水线，开启腹板夹紧机构和翼板夹具机构实现流水线作业***的夹紧；

步骤4，调节搅拌摩擦焊机到上丁字接头的翼板焊接位置，调节双弧弧焊***操作手到下丁字接头的角焊缝位置；

步骤5，根据焊接速度设置流水线传输速度，使搅拌摩擦焊机的焊接与双弧焊***的焊接速度同步；

步骤6，启动搅拌摩擦焊机，待焊接处达到塑性化温度后，启动双弧焊接***的同时，启动流水线传送机构，形成焊接过程；

在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头的搅拌针长度超过翼板厚度，因此搅拌针的部分进入腹板中间，实现腹板与翼板的搅拌摩擦连接；如果，翼板是由两块等宽窄板条拼接，则实现翼板之间的对接，同时实现翼板与腹板的丁字接；在双角焊缝的弧焊过程中，腹板两侧的电弧熔化腹板与翼板的连接直角处并形成一定的熔深，而熔化的填充金属完成了角焊缝金属；在构件翻转后，工字型结构的上半部，搅拌摩擦焊接进行双弧焊接后的腹板与翼板间的未熔透部分，利用搅拌针将未熔透部分进行搅拌摩擦焊接；而在工字型结构的下半部，双弧焊接***焊接腹板两侧的角焊缝，电弧熔化腹板与翼板的连接直角处并形成一定的熔深，而熔化的填充金属完成了角焊缝金属。

2.根据权利要求1所述的一种铝及其合金型材的复合焊接工艺方法，其特征在于所述的步骤6中，实现两种焊接方法的热输入互相补充利用；第一种是先进行腹板两侧角焊缝的电弧焊，相隔一定距离后焊接中间翼板的搅拌摩擦焊；第二种是先焊中间的搅拌摩擦焊接形成丁字接头，然后进行两侧熔化焊接。

3.根据权利要求1所述的一种铝及其合金型材的复合焊接工艺方法，其特征在于所述的步骤6中，搅拌头包括搅拌头夹持部、轴肩及搅拌针，搅拌头夹持部、轴肩及搅拌针依次连接，所述的搅拌针由大搅拌针和小搅拌针构成台阶梯形，大搅拌针的长度与翼板厚度相对应，大搅拌针的直径为翼板厚度的0.5～0.9倍；小搅拌针的长度为大搅拌针直径的0.2～0.3倍；小搅拌针直径为大搅拌针直径的0.6～0.8倍；所述的轴肩端面直径是大搅拌针直径的2.5～3倍。

4.根据权利要求3所述的一种铝及其合金型材的复合焊接工艺方法，其特征在于所述的大搅拌针的直径根据腹板板厚选取，厚板取下限，薄板取上限。