一种铝合金焊接接头软化区的强韧化方法
阅读：582发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种铝合金焊接接头软化区的强韧化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种 铝 合金 焊接 接头 软化 区的强韧化方法，其特征在于，根据焊接的 铝合金 板材牌号，确定 填充 焊丝 成分，采用预设的焊接参数，使得焊接接头软化区无限接近于 焊缝 ，同时获得适量的焊缝余高；通 过冷 却装置约束焊接热量在焊接板材横向上的传播能 力 ，减少软化区的范围及软化程度，使得焊接接头软化区进一步能靠近焊缝余高区域；仅 对焊 缝余高区域进行 轧制 ，依据焊缝余高的形状及 变形 量调控焊接接头软化区的变形程度与变形梯度，从而调控焊接接头软化区的强化的范围和程度。本发明可使具有明显软化区的铝合金焊接接头的整体性能趋于一致，减少受力过程中 应力 应变集中的倾向，在大幅度提高铝合金焊接接头强度的同时，提升焊接接头的塑性指标。，下面是一种铝合金焊接接头软化区的强韧化方法专利的具体信息内容。
1.一种铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据焊接的铝合金板材牌号，确定填充焊丝成分，采用预设的焊接参数，使得焊接接头软化区无限接近于焊缝，同时获得适量的焊缝余高；
S2、通过冷却装置约束焊接热量在焊接板材横向上的传播能力，减少软化区的范围及软化程度，使得焊接接头软化区进一步能靠近焊缝余高区域；
S3、仅对焊缝余高区域进行轧制，依据焊缝余高的形状及变形量调控焊接接头软化区的变形程度与变形梯度，从而调控焊接接头软化区的强化的范围和程度。
2.根据权利要求1所述的铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用填丝焊方法，预设的焊接参数包括调整如下参数：送丝速度、送丝角度及焊丝相对焊缝中心相对位置，焊接速度以及焊接电流，使得在保证焊接质量的前提下采用最小的焊接输入。
3.根据权利要求2所述的铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，所述填丝焊方法是指采用传统热源：钨极氩弧焊、熔化极活性气体保护焊或熔化极惰性气体保护焊；
或采用高能束热源：激光-电弧复合焊接热源、激光束焊接热源、电子束焊接热源或等离子弧焊接热源。
4.根据权利要求2所述的铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，对于同种铝合金填丝焊，热源作用于焊缝中心，填丝位置位于焊缝中心；对于异种铝合金填丝焊，根据实际需要改变热源中心位置，使得易受热源影响的板材一侧减少热量的摄入。
5.根据权利要求3所述的铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，填丝量的确定根据焊接热源参数和母材的性质进行确定，使得焊缝余高区域在轧制过程中有50～
100％的变形量，并依据焊缝余高的形状及变形量调控软化区的变形程度与变形梯度，从而调控强化的范围和程度。
6.根据权利要求1所述的铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，所述步骤S2中的冷却装置用于分流熔焊热源作用在焊接板材上的热量，根据母材厚度和焊接热源参数，确定冷却装置相对于焊缝中心的夹持距离和水冷机温控设定，调整其冷却能力。
7.根据权利要求6所述的铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，所述冷却装置的温控设定范围为5～20℃，所述冷却装置的水冷底板上开有强制成形槽，使得焊接过程中熔融金属直接与所述水冷底板相接处后成形。
8.根据权利要求1所述的铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，所述步骤S3中，仅对焊缝余高区域进行轧制是指，对焊接接头进行轧制时，根据性能需要调整轧制工艺参数，即轧制方向、轧制道次及轧制温度，设置轧辊的间距为焊接板材的厚度，即可实现焊缝余高部分与焊接接头软化区同时发生变形强化效果。
一种铝合金焊接接头软化区的强韧化方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着交通运输技术的发展与变革，当代交通工具发展方向演变为实现安全性与轻量化两者的统一结合。如何在保证安全性能的同时降低结构重量成为整个交通行业为之努力的主要目标，目前实行途径主要从材料和结构的角度出发。铝合金具有一系列优良的特性：密度小，耐蚀性好，较高的比强度和比高度，因此无疑成为现代汽车行业，航天航空，轨道交通中最有优势的轻质材料。拼焊板结构可根据构件不同部位所需不同性能的特点，将不同强度指标、或抗蚀性能的板材焊接后整体成形，因此强度要求较低的位置可采用薄板以达到轻量化的目的。
[0003] 铝合金拼焊技术目前仍处于不太成熟的阶段，主要是由于熔焊接头中软化区性能大幅度下降，使得接头整体强度指标只有母材的60～70％左右，这是因为铝合金在焊接热源的作用下，因其具有比其他金属更大的导热系数，所以软化区中出现晶粒粗化的范围更广，程度更大。同时对于热处理强化类型的铝合金进行焊接时，软化区会出现析出相的溶解，长大和过时效现象，较之母材相比焊后接头性能下降且呈现不同的区域组织，极大的破坏了板材的整体性，均匀性，即存在性能陡变，使得焊件在使用服役期间，造成应力应变在软化区集中，降低结构的力学性能。即使采用公认热输入低的搅拌摩擦焊焊接时，接头仍会受到热的影响且存在不均匀性，只不过不均性程度降低。并且对于有些系列牌号的铝合金，如6000系的6061-T6铝合金焊接，性能最薄弱的软化区距离焊缝有一定距离，纵然想通过冶金成分优化进行改善，但焊接是一个瞬时快速的凝固过程，扩散来不及进行，无法通过焊缝成分冶金的方法对其进行改善。所以焊后常常采用热处理工艺将软化区中过时效析出相重新固溶到基体中再次析出，从而使接头性能趋于一致。但热处理方法常常会受限于焊件尺寸，且费时费力成本较高。
[0004] 因此，迫切需要新的拼焊制造方法，降低及改善铝合金焊接过程中因热造成的软化区性能下降及区域性能陡变现象，提高焊接接头整体综合性能成为铝合金拼焊技术的核心，也是一项重要的研究方向。
发明内容
[0005] 针对目前铝合金薄板焊后因热作用导致接头性能下降且存在分区现象，致使各个区域在受力过程中相互不协同，应力应变集中在最薄弱的软化区域，造成过早失效的问题。本发明提出一种铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，利用强制冷却装置约束焊接热量在板材横向上的传播能力，降低热量对铝合金影响的范围和程度，使得焊接接头性能最薄弱的软化区尽可能靠近焊缝。填丝焊工艺配合后续仅对焊缝填丝区轧制工艺，使得软化区能获得变形强化作用，并可依据余高的形状及变形量调控软化区的变形程度与变形梯度，从而调控强化的范围和程度，进而达到区域强化的效果，提高焊件的整体均一性。
[0006] 本发明采用的技术手段如下：
[0007] 一种铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0009] S2、通过冷却装置约束焊接热量在焊接板材横向上的传播能力，减少软化区的范围及软化程度，使得焊接接头软化区进一步能靠近焊缝余高区域；
[0010] S3、仅对焊缝余高区域进行轧制，依据焊缝余高的形状及变形量调控焊接接头软化区的变形程度与变形梯度，从而调控焊接接头软化区的强化的范围和程度。
[0011] 进一步地，所述步骤S1中，采用填丝焊方法，预设的焊接参数包括调整如下参数：送丝速度、送丝角度及焊丝相对焊缝中心相对位置，焊接速度以及焊接电流，使得在保证焊接质量的前提下采用最小的焊接输入。
[0012] 进一步地，所述填丝焊方法是指采用传统热源：钨极氩弧焊，熔化极活性气体保护焊或熔化极惰性气体保护焊；或采用高能束热源：激光-电弧复合焊接热源、激光束焊接热源、电子束焊接热源或等离子弧焊接热源。
[0013] 进一步地，对于同种铝合金填丝焊，热源作用于焊缝中心，填丝位置位于焊缝中心；对于异种铝合金填丝焊，根据实际需要改变热源中心位置，使得易受热源影响的板材一侧减少热量的摄入。
[0014] 进一步地，填丝量的确定根据焊接热源参数和母材的性质进行确定，使得焊缝余高区域在轧制过程中有50～100％的变形量，并依据焊缝余高的形状及变形量调控软化区的变形程度与变形梯度，从而调控强化的范围和程度。
[0015] 进一步地，所述步骤S2中的冷却装置用于分流熔焊热源作用在焊接板材上的热量，根据母材厚度和焊接热源参数，确定冷却装置相对于焊缝中心的夹持距离和水冷机温控设定，调整其冷却能力。
[0017] 进一步地，所述步骤S3中，仅对焊缝余高区域进行轧制是指，对焊接接头进行轧制时，根据性能需要调整轧制工艺参数，即轧制方向、轧制道次及轧制温度，设置轧辊的间距为焊接板材的厚度，即可实现焊缝余高部分与焊接接头软化区同时发生变形强化效果。
[0018] 较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0019] 1、传统熔焊为降低热源对铝合金软化的作用，通常采用较低的焊接热输入，如降低焊接参数和提高焊接速度，较低的焊接参数容易造成断续未焊透，高速焊接容易造成焊缝中心成分偏析。而采用本发明所提出的方法，由于采用外部冷却装置可以带走和约束热量，所以具有相对较大的焊接工艺参数窗口。
[0020] 2、本发明中，由于冷却装置减少焊接软化区的范围和程度，使得最薄弱的区域相对靠近焊缝，通过轧制填丝焊缝的方法可以使得薄弱区获得变形强化，并可依据余高的形状及变形量调控软化区的变形程度与变形梯度，从而调控强化范围和程度，改善了焊接结构的整体不均一性，提高其力学性能。
[0021] 3、对于热处理可强化的铝合金，传统熔焊或搅拌摩擦焊后，为提高焊件的力学性能，需要配合焊后热处理工艺，热处理工艺常常需要加热和保温数天，这无疑增加生产成本，浪费自然资源。同时热处理工艺对于尺寸相对较大的焊件来说，实施起来较为困难。本发明方法较传统工艺节约时间和成本，更适合汽车企业实际应用。
[0022] 综上，本发明一是采用铝合金填丝焊方法获得一定焊缝余高，并在焊接过程中对焊缝及附近区域实施强制冷却及热导约束，使焊接接头软化区向焊缝靠近；二是仅对焊接接头余高部分进行轧制，使填丝焊所获得的焊缝余高部分与软化区共同发生塑性变形，利用塑性变形的强化作用提升焊接接头软化区的综合力学性能，并可依据余高的形状及变形量调控软化区的变形程度与变形梯度，从而调控强化的范围和程度。本发明可使具有明显软化区的铝合金焊接接头的整体性能趋于一致，减少受力过程中应力应变集中的倾向，在大幅度提高铝合金焊接接头强度的同时，可提升焊接接头的塑性指标，为铝合金高性能轻量化焊接构件的开发提供了崭新途径。附图说明
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024] 图1为本发明铝合金焊接接头软化区的强韧化方法中冷却装置的示意图。
[0025] 图2为本发明铝合金焊接接头软化区的强韧化方法中轧制过程的示意图。
[0026] 图3为本发明铝合金焊接接头软化区强韧化方法处理后焊接接头软化区的微观组织图，选用1.5mm厚5083-O铝合金板材与1.5mm厚6061-T6铝合金板材电弧填丝焊，其中，(a)为焊接接头软化区金相组织；(b)为焊接接头软化区轧制后金相组织。
[0027] 图4为本发明铝合金焊接接头软化区强韧化方法的力学性能曲线图，选用1.5mm厚5083-O铝合金板材与1.5mm厚6061-T6铝合金板材电弧填丝焊。
[0028] 图中：1、进冷水管；2、出循环水管；3、冷却循环水箱；4、水冷底板；5、水冷盖板；6、垫板基体；7、轧辊。
具体实施方式
[0029] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0030] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0032] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0033] 在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0034] 为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0036] 本发明提供了一种铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，
[0037] S1、根据焊接的铝合金板材牌号，确定填充焊丝成分，采用填丝焊方法，调整焊接参数：送丝速度、送丝角度及焊丝相对焊缝中心相对位置，焊接速度以及焊接电流等，使得在保证焊接质量的前提下采用最小的焊接输入，使得焊接接头软化区无限接近于(尽可能靠近)焊缝，同时获得适量的焊缝余高；
[0038] 所述填丝焊方法是指采用传统热源：钨极氩弧焊，熔化极活性气体保护焊或熔化极惰性气体保护焊等；或者采用高能束热源：激光-电弧复合焊接热源、激光束焊接热源、电子束焊接热源或等离子弧焊接热源等。其中，高能束热源能量集中，减少板材熔透因热扩散所需的焊接热输入，减少软化区的范围及软化程度，使得焊接接头软化区靠近焊缝余高区域。
[0039] 对于同种铝合金填丝焊，热源作用于焊缝中心，填丝位置位于焊缝中心；对于异种铝合金填丝焊，根据实际需要改变热源中心位置，使得易受热源影响的板材一侧减少热量的摄入。
[0040] 填丝量的确定根据焊接热源参数和母材的性质进行确定，使得焊缝余高区域在轧制过程中有50～100％的变形量，并依据焊缝余高的形状及变形量调控软化区的变形程度与变形梯度，从而调控强化的范围和程度。
[0041] 优选地，送丝速度范围为1500～5000mm/min，送丝角度范围为20～70°，焊接速度范围为300mm～800mm/min，钨极氩弧焊焊接时电弧电流范围为80～200A，钨极高度范围1.5mm～3mm。当使用高能束激光电弧复合焊时，激光功率范围为350～2000W、激光离焦量的调节范围为-5～5mm、电弧电流范围为60～180A、激光束与TIG电弧电极间距Dla调节范围为
1.0～3.0mm，冷填丝光丝间距范围为2.0～5.0mm。
1.0～3.0mm，冷填丝光丝间距范围为2.0～5.0mm。
[0042] S2、通过冷却装置约束焊接热量在焊接板材横向上的传播能力，减少软化区的范围及软化程度，使得焊接接头软化区进一步能靠近焊缝余高区域；具体地，冷却装置用于分流熔焊热源作用在焊接板材上的热量，根据母材厚度和焊接热源参数，确定冷却装置相对于焊缝中心的夹持距离和水冷机温控设定，调整其冷却能力。
[0043] 冷却装置材质可以选用但不局限于紫铜，冷却介质为水冷机供应的冷却水，水冷温控设定范围为5～20℃，如图1所示，仅为本发明冷却装置的原理示意图，其中冷却装置可由设置在垫板基体6上的水冷底板4和水冷盖板5组成，且水冷底板4和水冷盖板5上分别通过进冷水管1和出循环水管2与冷却循环水箱3相连，确保冷却水的循环。
[0044] 水冷底板4上开有强制成形槽，强制成形槽直径为4mm深度为2mm，使得焊接过程中熔融金属直接与水冷底板4相接处，不同于传统熔融金属的自由成形。水冷底板4可以带走更多的热量，减少热量在板材横向上的传递。
[0045] 根据母材的厚度，焊接方法和焊接热源参数，确定水冷盖板5相对于焊缝中心的夹持距离，在焊接热源稳定的前提下，根据焊接熔宽来确定夹持距离，对于薄板铝合金焊接，当使用钨极氩弧焊填丝焊接时，单侧水冷盖板5相对于焊缝中心夹持距离的取值范围为4～8mm。对于相对较厚铝合金焊接，使用高能束热源填丝焊接时，由于热源能量集中，熔宽相对较窄，单侧水冷盖板5相对于焊缝中心夹持距离的取值范围同样为4～8mm。
[0046] 通过上述步骤S1和S2，可实现减少软化区受热影响的程度，使得软化区尽可能靠近焊缝。
[0047] S3、对焊接接头进行轧制，设置轧辊的间距为焊接板材的厚度，即仅对焊缝余高区域进行轧制(如图2所示)，即可实现焊缝余高部分与焊接接头软化区同时发生变形强化效果，依据余高的形状及变形量调控软化区的变形程度与变形梯度，从而调控强化的范围和程度。
[0048] 轧制工艺过程中，调整两棍间距离只对焊缝填丝区域进行轧制，根据性能需要调整轧制工艺如：轧制方向、轧制道次及轧制温度等。使得软化区能获得强化作用，到达区域强化的目的，焊件的整体性能趋于一致，减少受力过程中应力应变集中的倾向，提高力学性能。
[0049] 实施例1 1mm厚6061-T6铝合金板材钨极氩弧焊实例
[0050] 钨极氩弧焊焊接电流95A，钨极高度2mm，焊接速度350mm/min，送丝速度5000mm/min，焊丝牌号为ER4043，热源作用在焊缝中心，送丝角度20°，水冷底板强制成形槽直径4mm深度为2mm，单侧水冷盖板相对于焊缝中心的夹持距离为4mm，水冷温控设定范围为15℃，轧制工艺两棍间距1mm，一道次室温轧制，使得余高部位在轧制过程中大约有66.7％的变形量。采用上述铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，焊件拉伸强度可达6061-T6母材的90％以上，延伸率达到6061-T6母材的80％以上。钨极氩弧焊且不采用上述铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，焊后试样拉伸强度只为6061-T6母材的62.5％，延伸率约为6061-T6母材的50％。
[0051] 实施例2 1.5mm厚5083-O铝合金板材与1.5mm厚6061-T6铝合金板材高能束激光电弧复合焊实例
[0052] 钨极氩弧焊焊接电流110A，钨极高度2mm，激光功率520W，激光离焦量为0mm，激光束与电弧电极间距Dla为2.0mm，光丝间距为2.0mm，焊接速度350mm/min，送丝速度5000mm/min，焊丝牌号为ER5356，热源偏移5083-O侧0.3mm，送丝角度20°，水冷底板强制成形槽直径4mm深度为2mm，单侧水冷盖板相对于焊缝中心的夹持距离为4mm，水冷温控设定范围为15℃，轧制工艺两棍间距1.5mm，一道次室温轧制，使得余高部位在轧制过程中大约有50.2％的变形量。采用上述铝合金焊接接头软化区的强韧化方法后，焊件拉伸断裂在5083-O母材侧，拉伸强度与5083-O铝合金母材相当，可到达1.5mm厚6061-T6母材的90％以上，延伸率达到6061-T6母材的80％以上。当不采用上述铝合金焊接接头软化区的强韧化方法，焊后试样拉伸强度只有6061-T6母材的63.8％，延伸率约为6061-T6母材的50％。
[0053] 选用1.5mm厚5083-O铝合金板材与1.5mm厚6061-T6铝合金板材电弧填丝焊，对焊接接头软化区进行强韧后，由图3可以看出，6061铝合金焊接接头软化区存在大量析出相聚集，轧制后该区域发生明显晶粒变形和细化，体现出变形强化效果。图4是6061与5083异质铝合金焊接及轧制的应力-位移曲线，可以看出焊接接头轧制后的拉伸强度与延伸率均有大幅度提升，其中拉伸强度达与5083母材相当，说明轧制后焊接接头软化区的强韧性均提高。
[0054] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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