一种铝合金加工工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铝合金加工工艺。
【背景技术】
[0002]铝合金具有密度小(2.7g/cm3，低碳钢为7.86g/cm3)、无磁性、热导率高、比强度高、成形性能好、低温性能好、耐腐蚀等优点，被广泛的应用于各种结构之中，但其焊接性较差。
[0003]几十年来，铝合金的焊接主要采用气焊、弧焊、等离子体焊接等方法，这些焊接方法焊接的焊件质量不很理想；此外，还存在不少难焊或不能焊接的铝合金。近年来大功率激光器的出现使激光焊接铝合金焊接工艺得以发展，铝合金在汽车、船舶、航空航天器的制造中获得了大量应用。但由于铝合金对激光反射率高，激光焊接功率利用率低，焊前预处理要求高，而且厚板的激光焊接受激光功率的限制。激光-电弧复合焊接具有“1+1 > 2”的协同效应，可以获得单独激光、电弧焊接难以达到的效果，为铝合金焊接提供了一种新的焊接方法。
[0004]焊接本身就是个传质、传热、冶金和力学的复杂过程，复合焊接更涉及到两个或以上热源的耦合。单纯的依靠理论研究，很难解决实际的工业问题，而且成本昂贵。传统的焊接技术研究以“理论-试验-生产”模式来发展的，其中试验成本和耗时是一直是难以很好解决的问题。随着计算机技术的发展，采用“理论-数值模拟-生产”的模式，可以使这一问题得到更好的解决。配合一定的工业试验，采用模拟技术，建立分析模型可以减少成本、节省时间，是目前焊接工程领域的一个研究热点。
[0005]焊接过程的数值模拟研究由来已久，从D.罗申赛尔(Rosenthal)、前苏联科学院H.H.雷卡林院士开始，由最初只考虑固体热传导，到分开考虑熔池液体流动，再到综合考虑熔池流动等复杂现象和固体传热。现在大功率高能束焊接中小孔机制的发现，要求综合考虑固体、气体、液体三种状态在瞬间发生的光、电、热的诸多现象。模型的发展则从最初简单的点、线、面的解析模型，到了后来的数值积分、有限差分、有限元等数值模型，尤其后者随着计算机技术的发展，得以大量的研究应用。
[0006]良好的经济性是复合焊接得以迅速发展最根本的原因。从而拉动了工业需求的日益更新:新热源的发现，新的加工方法和新工艺的诞生。当新的焊接方法、新的热源难以寻求时，他们进行了必然的偶然选择，将热源进行了组合，并得到了良好的焊接效果，复合焊接就这样迅速发展起来。(主要指激光和电弧的复合焊接，广义的讲任何两种或以上的热源叠加进行的焊接都叫复合焊接，如:新近出现的搅拌摩擦焊接和激光焊接的复合也是一种复合焊接。实践已证明，复合焊接工艺具有良好的适应性，不但适用于钢材的焊接，在铝合金的焊接中更具有独特的优点。要搞清复合焊接，首先来看看单独的电弧焊接和激光焊接。
[0007]电弧焊接是一种熔焊，是通过利用电极和工件之间引发的电弧，将电能转换成热能，熔化、结合被焊接金属的一种焊接方法。电弧焊接分非熔化极电弧焊接和熔化极电弧焊接。典型的非熔化极电弧焊为TIG焊，此外还有等离子弧焊、碳弧焊、原子氢焊等；典型的熔化极电弧焊接为MIG焊，此外还有焊条电弧焊、埋弧焊和药芯焊等。TIG焊的电弧电流的传导是依靠保护气体电离产生的离子，是纯气体电弧;MIG焊电流的传导，绝大部分依靠金属蒸气所产生的金属离子，小部分依靠保护气体离子，是金属蒸气电弧。但是它们都以氩气、氦气或两者得混合气体作为保护气，它们都是常见的铝合金焊接方法。
[0008]TIG焊是一种较为完善的电弧焊接方法，它的能量相对集中(相对气焊)，热影响区小。由于电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易于维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定。焊接时，焊缝金属主要靠惰性气体保护，所以TIG焊时，可以不用熔剂，从而避免了焊后残渣对焊接接头的腐蚀，免除了焊后清渣，而且接头形式也可以不受限制。惰性气体在电弧周围形成保护气层，使熔融金属、钨极端头和焊丝不易于空气接触，因此在焊接过程中被焊金属和焊丝中的合金元素不易烧损。此外，保护气体不溶于金属，故在焊缝中不形成气孔。焊接时保护气体对焊接区域的冲刷，使焊接接头加快冷却，从而改善了接头的组织性能，并减少焊接变形。所以TIG焊接接头质量比气焊要高得多，强度可达母材的90-100%。但是TIG焊接不用熔剂，所以焊前清理的要求要比其他焊接方法严格。
[0009]传统的MIG焊主要用于中厚板焊接，焊接电流大，电弧热量集中、功率大，焊接效率高，生产效率比手工TIG焊至少提高2-3倍，可轻易实现全位置焊接。随着焊接技术的发展，现在也能进行铝合金的薄板焊接。由于用焊丝作电极，可采用高密度电流，因而熔深大，填充熔敷速度快，焊接生产率高。一般采用直流反接电源，焊接时有良好的雾化作用(阴极雾化效应)，从而不用熔剂来去除妨碍熔化的氧化铝薄膜，可以利用焊接金属做负极时的电弧作用来实现。因此，铝合金在焊完以后，不会因没有仔细去除熔剂而在使用过程中有造成金属腐蚀的危险。焊接过程中不会因冒烟和结渣，妨碍工件对焊接材料的观察，有助于焊工对困难位置的焊接。MIG焊进行铝合金焊接，焊缝金属熔敷效率高，通常大于95%，焊丝沿着焊缝移动时，基本没有飞溅和氧化现象。焊缝质量优良，焊接变形小。焊前一般不需要余热，厚板焊接也只需要余热起弧部位。
[0010]电弧焊接作为最早最普遍应用在材料连接领域的技术方法，已经发展成为一种成熟的铝合金焊接技术，是目前工业界中铝及铝合金焊接的主流加工方法。但是由于电弧束流能量密度分布特征，MIG焊(较之高能束焊接)速度慢(通常约0.3 - lm/min，而激光焊可达2 — 10m/min)、焊接深宽比小，变形大和生产效率低；但电弧的搭桥能力比较强，故对焊接工件的间隙要求不严格，可以达到工件厚度的10%，同时电弧能量的利用率达到输出功率的60%以上。
[0011]激光焊接主要是指能形成小孔和等离子体时的激光热加工。小孔效应即当激光功率密度足够大，达到加工金属的气化阀值(通常为106W/cm2)时，金属在激光的照射下被迅速加热，其表面温度在极短的时间内升高到沸点，使金属熔化和气化。当金属气化时，所产生的金属蒸气以一定的速度离开熔池，金属蒸气的逸出对熔化的液态金属产生一个附加压力，使熔池金属表面向下凹陷，在激光光斑下产生一个小凹坑(Crater)。当凹坑底部继续被加热气化时，所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深；另一方面，向坑外逸出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周。这个过程继续进行下去，便在液态金属中形成一