厚板硬铝合金焊接工艺设计和接头分析

本课题研究并制定了10mm厚板硬铝合金的TIG焊与A-TIG焊的焊接工艺,并对TIG焊与A-TIG焊在不同电流条件下的焊接接头进行了分析。本文着重研究了当采用TIG焊和活性化钨极氩弧焊(A-TIG)方法焊接厚板硬铝合金时,焊接电流的变化对组织及焊缝成形的影响,以及活性剂的加入对提高厚板硬铝合金熔深和金相组织的影响。     

活性剂增加铝合金交流A-TIG焊熔深机理研究

采用多组元活性剂AF305进行铝合金交流A-TIG焊时,熔深达到传统TIG焊的3倍以上。进行了交流、直流正接和直流反接A-TIG焊,发现极性不同时活性剂对熔深的影响也不同。研究了强制电弧收缩对交流焊熔深的影响,发现弧根整体收缩并不是AF305增加交流A-TIG焊熔深的主要机理,熔深显著增加主要与焊渣成片分布有关。对焊渣进行了SEM形貌观察和EDS成分分析,并采用氦弧焊证实了焊接过程中焊渣在熔池表面成片分布,电弧斑点极大收缩。向AF305活性剂中添加铝粉改变焊渣分布,研究焊渣分布与熔深的关系,证实了焊渣成片分布能增加焊接熔深。认为焊渣成片分布使得电弧斑点极大收缩,斑点压力以及电弧和熔池内的Lorentz力增强,最终焊接熔深显著增加。     

考虑金属蒸汽的定点活性钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析

建立包括钨极、电弧和阳极的定点活性钨极惰性气体保护(Activating tungsten inert gas,A-TIG)焊电弧熔池交互作用统一数学模型。通过麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解,得到了电弧和熔池的温度、等离子体运动速度、熔池流动速度、电弧压力、电势、电流密度和金属蒸汽分布等结果。因为在A-TIG焊中,熔池的内向流动造成了大量的热被传入到熔池底部,热量的利用率更高,导致焊接熔池的表面温度比TIG焊的表面温度要高,从而引起了金属蒸汽浓度的增加,所以考虑金属蒸汽的A-TIG焊的电弧等温线较考虑金属蒸汽的TIG焊的电弧等温线有一定程度收缩。结果表明,考虑金属蒸汽对A-TIG焊熔深的模拟结果具有一定的影响,熔深减小约6%,该结果与有关试验研究结果吻合良好。     

表面活性剂对TIG焊电弧现象及焊接熔深的影响

在变动焊接电流下检测电弧电压,考察A-TIG焊电弧收缩及活性剂的影响。采取适当的试验方法研究A-TIG焊活性剂对电弧现象及活性剂涂敷量对焊接熔深增加的作用。结果表明,A-TIG焊电弧是否产生收缩与所使用的活性剂有关,即使在电弧未产生收缩情况下,表面活性剂仍然对焊接熔深的增加有较大的作用。     

LY12硬铝合金TIG与A—TIG焊接接头组织和熔深的研究

针对Al-Cu—Mg系共晶型高强度LY12硬铝合金,进行了TIG与A—TIG焊接接头组织特征和熔深变化规律的研究。结果表明,在相同焊接规范下,TIG与A—TIG焊接接头焊缝区金相组织均为树枝状晶,热影响区金相组织均为等轴晶,差别在于A—TIG焊接接头组织晶粒较粗大。高倍显微镜下的金相组织显示,A—TIG焊缝区和热影响区中强化相数量比TIG焊多,且比TIG焊粗大。另外由于活性剂的加入,电弧产生收缩,热量集中,使得A—TIG焊熔深比TIG焊大。     

钛合金电弧超声TIG焊研究

进行了TC4电弧超声TIG焊接与传统TIG焊,利用X射线探伤检测接头质量,金相显微镜和SEM观察接头组织和断口,利用万能实验机测试接头拉伸性能.结果表明,严格按照航空标准进行TC4常规TIG焊与电弧超声TIG焊,所获得的接头均达到航空一级；随着加入超声频率的增加,激励电压的增大,电弧超声TIG焊焊缝组织细化、等轴化,枝晶破坏痕迹不明显,接头拉伸强度、屈服强度和延伸率均有所提高.     

TP304不锈钢钢管环焊缝的A-TIG焊接研究

A-TIG焊接技术是基于TIG焊的焊接新工艺,具有大幅增加焊缝熔深、提高焊接生产率,降低成本等优点。本研究采用A-TIG焊接技术对TP304不锈钢50mm×6mm的管子进行全位置焊接,对得到的焊接接头进行射线探伤、显微组织分析以及力学性能测试,结果表明,接头的显微组织优于普通TIG焊接接头、接头质量和力学性能均达到标准要求。     

焊接活性剂在液压管件TIG焊中的应用

将活性焊接法引入了液压管件的焊接,并进行了相关的焊接工艺试验。结果表明,对于壁厚为5mm的20#无缝钢管对接焊缝,钢管不用开坡口,使用活性荆后可以一次焊透,并且单面焊接双面成形。活性焊接法在液压管件焊接中的应用扩大了活性剂的使用范围,不仅提高了液压管件的焊后质量,而且焊接效率也得到大幅度提升。与常规的TIG焊接方法相比,A-TIG焊接接头的性能均满足相关要求。     

A-TIG焊接工艺研究

TIG焊接工艺可以应用于不锈钢、镍基合金、钛合金等金属材料的焊接。使用活性焊剂可以提高TIG焊接工艺的性能,这种工艺称为A-TIG.对两种焊接工艺进行了对比,分析了焊缝的形貌,焊缝对熔深的影响,以及焊接接头的性能,表明A-TIG焊接工艺具有较高的工程应用价值。     

活性剂增加铝合金交流FZ-TIG焊熔深机理

针对铝合金材料提出一种新型活性TIG焊,即分区活性TIG(FZ-TIG)焊,可同时保证焊缝熔深显著增加和焊缝成形良好.利用氦气保护钨极电弧焊观察电弧行为变化,通过分析电弧电压随弧长的变化规律研究活性剂影响电弧的方式,采用焊缝偏移试验分析活性剂对导电通道电阻的影响,进行焊缝表面焊渣X射线衍射分析和热力学计算,分析活性剂与表面氧化膜或熔池金属之间可能的化学反应.通过以上试验研究铝合金交流FZ-TIG焊中活性剂增加熔深的机理,得出活性剂强烈收缩电弧弧根和弧柱是SiO2+FZ108活性剂增加铝合金交流FZ-TIG焊熔深的主要机理.     

B4C/6061Al复合材料焊接接头组织与力学性能研究*

基于碳化硼中¹⁰B同位素优良的热中子吸收能力,铝基碳化硼复合材作为中子吸收材料越来越多的应用于核电站中。但碳化硼颗粒的加入使该材料的可焊性变差,因此研究其焊接行为变得十分必要。采用钨极氩弧焊(Tungsten inert gas,TIG)和搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)对体积分数为30%的B₄C/6061Al复合材料进行焊接,研究不同焊接方法、焊缝填充材料对复合材料对接接头微观组织及力学性能的影响。B₄C/6061Al复合材料焊接接头拉伸性能如下：FSW焊>TIG焊(Al-Si焊丝)>TIG焊(6061Al焊丝)>TIG焊(6061Al-Mg焊丝)>TIG焊(无填充)。TIG焊缝区容易产生气孔、B₄C颗粒分布不均匀及有害生成相是导致其力学性能不佳的主要原因。FSW可以有效避免基体金属与增强相的高温化学反应,使得焊缝区的晶粒细化,增强相颗粒的分布比TIG焊均匀,为30%B₄C/6061Al复合材料最佳焊接方法,其接头的室温拉伸强度达247 MPa,为母材强度的85%。     

镍基合金A-TIG焊技术的研究

<正> 哈工大焊接国家重点实验室根据被焊材料的冶金特点及物理化学特点,研制了A-TIG焊活性焊剂,并通过活性化焊剂的成分、焊接工艺参数,了解它们对焊缝成形、焊接接头的组织和性能的影响,开发出较为理想的镍基高温合金A-TIG焊工艺。     

活性剂焊接技术的研究

活性剂焊接是近十年来发展起来的增大焊接熔深，改善焊缝成形和焊接质量，提高焊接生产效率的新技术。早期主要集中在A—TIG焊，已在碳钢、不锈钢、高温合金、钛合金的焊接中有了成功的应用，对于铝镁合金的活性剂焊接技术也在研究中。目前研究认为活性剂提高熔深的机理一是活性剂可影响电弧特性，提高电弧的能量密度和作用于熔池的电弧力，二是活性剂影响了熔池的表面张力而提高了焊接熔深，或是2种原因兼而有之。随着A—TIG焊应用的成熟，活性剂焊接拓展到MIG焊、等离子弧焊和激光焊中的应用成为活性剂焊接发展的一个方向，在提高熔深，改善焊缝成形方面有了初步的效果。     

5A06铝镁合金薄板TIG焊接接头性能的研究

为了掌握5A06铝镁合金薄板TIG焊接接头性能,通过使用手工交流TIG焊接工艺,对6种厚度(0.5 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm)的薄板制备4类(母材、对接焊、双面正角焊和倒角焊)试件,开展拉伸破坏试验,测试其抗拉强度及断后伸长率。试验表明,TIG焊接接头抗拉强度为母材的50%~80%,断后伸长率为母材的8%~25%。     

AZ31B镁合金TIG焊焊接接头的疲劳性能

对8 mm厚AZ31B镁合金板及其三种TIG焊焊接接头的静载拉伸性能和疲劳性能进行试验研究。试验结果表明AZ31B镁合金母材的静载抗拉强度为245.50 MPa,TIG焊对接接头、纵向角接接头和非承载十字接头的静载抗拉强度分别为193.55 MPa、229.89 MPa、227.39 MPa。脉动循环(r = 0)疲劳试验表明,在2×106循环次数下,AZ31B镁合金母材的疲劳强度为57.81 MPa,为其静载抗拉强度的23.5％。相同循环次数下,AZ31B镁合金TIG焊对接接头、纵向角接接头和非承载十字接头的疲劳强度为24.60 MPa、20.14 MPa、17.25 MPa,分别为母材疲劳强度的42.6 %、34.8 %和29.8 %。按照国际焊接学会的规范,发现镁合金焊接接头的疲劳级别FAT仅为相应铝合金接头疲劳级别FAT的一半。由此看来,疲劳性能是影响镁合金在承受动态载荷结构中应用的主要因素之一。     

不锈钢AA-TIG焊接法

针对不锈钢,提出一种新型活性TIG焊方法——电弧辅助活性TIG焊,即AA-TIG焊。采用CO2+Ar作为小电流钨极电弧的保护气体进行单弧AA-TIG焊,分别研究小电流钨极电弧和正常TIG焊工艺参数对焊缝熔深的影响,并针对试验范围内的最佳焊接规范研究不锈钢AA-TIG焊的焊缝成形、焊缝显微组织、化学成分和焊缝性能。采用AA-TIG焊可以单道焊透10mm厚的不锈钢板材,单面焊双面成形。与传统TIG焊相比,焊缝组织和化学成分几乎没有变化,焊缝的耐Cu/CuSO4腐蚀性能和低温冲击韧度都满足相关标准要求。     

15Ni3CrMoV与10Ni5CrMoV异种钢对接接头的显微组织及力学性能

采用脉冲TIG焊及手工电弧焊相结合对15Ni3CrMoV钢与10Ni5CrMoV钢进行双边开坡口的对接焊,对异种钢对接接头的显微组织、拉伸性能、冲击韧性和显微硬度等进行了研究。结果表明:异种钢对接接头焊缝区的组织呈典型的树枝晶特征,手工电弧焊对接接头的焊缝晶粒呈垂直生长的特点,而脉冲TIG焊对接接头的焊缝晶粒则呈水平生长的特点;对接接头室温拉伸断裂位置均在焊缝区,热影响区的硬度最大;脉冲TIG焊对接接头的抗拉强度和冲击韧性均高于手工电弧焊的。     

薄壁不锈钢管列置双TIG电弧高速焊接工艺

单钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas,TIG)是目前工业用薄壁不锈钢管主要生产工艺,但其存在生产效率低的问题。针对高速TIG焊出现的驼峰焊道、咬边等焊缝表面成形缺陷产生的原因,提出列置双TIG电弧高效节能焊接新工艺。试验结果表明,采用双TIG电弧高效焊接新工艺,48 mm×1.2 mm和42 mm×1.5 mm两种规格的409L铁素体不锈钢管在获得良好焊缝成形的条件下焊接速度分别可达5.1 m/min和3.2 m/min;与单TIG焊接生产工艺相比,生产效率分别提高了240%和140%,能耗也分别降低44%和29%。两种规格铁素体不锈钢管膨胀率分别达到14.1%和33.7%,高于单TIG电弧焊的11.2%和21.4%,满足生产要求。分析表明,辅助TIG电弧加热主TIG电弧熔池后部堆积的液态金属,从热和力两方面延长熔池存在时间、促使液态金属回流填平主TIG电弧产生的熔池凹陷,从而有效抑制驼峰焊道和咬边的产生,在高速焊接条件下获得良好的焊缝成形,实现薄壁不锈钢管优质高效节能的焊接生产。     

空心钨极中心负压电弧基础特性研究

为了提高传统钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧的能量密度和热源边界的能量梯度,保证焊接热输入均衡,规避输入能量分散,提出空心钨极中心负压电弧焊接方法,设计并构建空心钨极中心负压电弧焊接系统,介绍系统的组成及操作方法。利用高速摄像机拍摄空心钨极中心负压电弧的宏观形态,进行定点焊接烧蚀试验,并对阳极表面熔池尺寸和焊接接头的宏观形貌进行分析。试验结果表明,在电弧自身刚性的作用下,空心钨极中心负压电弧能够稳定地建立于空心钨极和阳极工件之间;与传统TIG焊电弧相比,在宏观形态上,空心钨极中心负压电弧的弧柱沿径向收缩,呈现拘束状,空心钨极的尖端呈现白炽状态;在焊接接头的宏观形貌上,空心钨极中心负压电弧对应焊接接头的熔深大,熔宽小,焊缝成形好。     

20#钢管全位置A-TIG焊接接头组织及性能的研究

采用A-TIG焊接技术对20#钢Ф57mm×5mm的管子进行全位置焊接,对得到的焊接接头进行射线探伤和力学性能测试,结果表明,接头质量均达到标准要求,接头的显微组织优于普通TIG焊接接头。A-TIG这一新型高效的焊接技术对于管子焊接安装、提高效率、降低成本具有极大的工程意义。