大型鋁合金框架類零件焊接變形防止辦法及矯正方法工藝研究*

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，在焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋，通過母材化學(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電弧增材補(bǔ)焊后，零件變形被矯正過來，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以內(nèi)，防止焊縫收縮量過大導(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夾緊平臺(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程對(duì)比

3.1 焊接變形原因分析

管管連接在焊接過程會(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，但是無法完全消除焊接殘余變形，本文講解的是米字型框架類鋁合金零件，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，通過機(jī)械矯正會(huì)導(dǎo)致焊縫開裂、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，所以通過錘擊矯正或油壓機(jī)擠壓矯正都會(huì)使焊縫過載，導(dǎo)致焊縫開裂還需重新補(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)在于鋁合金框架類零件在焊接過程會(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零件焊接變形提供防止辦法及矯正方法。