铝合金高速氦弧焊工艺研究studyonhighspeedweldingofaluminumwithheliumarcwe
摘 要摘 要TIG焊作为传统的铝合金焊接方法经常采用氩气作为保护气体，这种焊接方法焊接速度比较慢，生产效率低，生产成本高。怎样提高铝合金的焊接速度并保持良好的焊缝成形，节省焊接成本是本试验的主要目的。 本试验以1.5mm厚的1060系纯铝作为焊接母材，焊接接头形式为对接，采用氦气作为保护气体进行焊接。在试验过程中，以高速焊接为出发点，通过控制单一变量，改变不同的焊接参数，如焊接电流、焊接速度、钨极端部的几何形状等研究这些参数对高速焊接的焊缝成形有何影响，初步确定高速焊焊接参数的最佳范围。试验结果表明，采用氦气作为保护气体进行TIG时，可以显著的提高焊接速度，并且焊缝成形较为美观。焊接电流、焊接速度、 钨极端部的几何形状等对焊缝成形影响显著。当焊接电流为145A，焊接速度为3.8m/min时，可以得到较为理想的焊缝。该试验还对氦弧焊和氩弧焊的焊接成本进行了简单的比较，结果表明，氦弧焊焊接铝合金可以大幅的降低焊接成本。对于这一全新的焊接方向，许多焊接参数对焊缝成型的影响尚未得到详细的研究，因此，对铝合金高速氦弧焊的研究还需更进一步。关键词TIG；铝合金； 氦气；高速焊
目 录
第一章 绪论 1
1.1 实验目的及意义 1
1.2 铝合金高速氦弧焊的难点分析 2
1.2.1 铝合金导热系数大 2
1.2.2 气孔问题 2
1.2.3 铝合金焊接变形剧烈 3
1.3 铝合金TIG焊的研究现状 3
1.3.1 氩弧焊研究现状 3
1.3.2 氦弧焊研究现状 5
1.4 铝合金其他焊接方法的研究现状 6
1.5 试验目的 9
第二章 试验材料、设备及方法 11
2.1 试验材料 11
2.1.1 试验材料成分、性能 11
2.1.2 试验接头的形式 11
2.2 焊接设备 11
2.3 试验焊接方法 13
2.4 设备简介 13
2.5 测试分析 14
第三章 氦气保护的铝合金高速TIG焊接研究 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
15
3.1 铝合金高速氦弧焊的理论依据 15
3.1.1 氦弧焊接热输入与氩弧焊接热输入比较 15
3.1.2 氦弧与氩弧的电弧形态比较 16
3.1.3 氦弧与氩弧的加热区域不同 17
3.1.4 氦弧具有清理母材表面氧化膜的作用 17
3.2 不同焊接工艺参数对焊接外形的影响 18
3.2.1 焊接电流对焊缝外形的影响 19
3.2.2 焊接速度对焊缝外形的影响 23
3.2.3 钨针外形对焊缝成型的影响 25
3.3 高速氦弧焊的经济性分析 28
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 实验目的及意义
相比于传统的铆接来说，焊接的优点比较突出。比如，焊接接头密封性比较好：由于焊缝是一条由填充金属及母材组成的，并且焊缝金属达到了原子间的结合，因此其水密性，气密性均优于其他方法；焊接结构的设计灵活性比较大，可以体现在焊接接头形式多样有对接，搭接，T型接头等；焊接接头可以大大减轻结构件的重量。相比于铆接来说说，焊接接头免去了连接处出现铆钉等，可以大大减轻焊接结构的重量，这一优点在航空航天领域的应用尤其突出；最后，焊接接头强度高，而铆接或者螺栓连接的结构，由于要在木材上打眼钻孔，因此减少了受力的截面面积，容易引起应力集中，从而使构件的强度大大降低。
近年来，由于轻质结构金属质量轻，可以减少汽车、飞机等运输工具的重量，从而节省能源，提高能源的使用效率，因此被广泛用于运输工具之中[13]。 铝合金作为轻质结构金属更是得到了广泛的应用。从上世纪开始，铝合金就成为了运输部门应用极为广泛的金属。这种金属的回收能力已经与钢铁相当。同时，与钢铁相比，铝合金具有优异的机械性能如高比强度，良好的耐冲击性，良好的铸造、成型和回收技术，以及优异的腐蚀性能。并且，科学家们还在不断地对这种金属进行研究和试验，因此这种金属成为了工业领域中不可或缺的选择[45]。同传统的钢铁结构一样，铝及其合金结构的建筑等也可以使用焊接方法进行连接，但是由于铝及其合金的导热系数比较大，热量的利用效率低。相比于钢铁来说，熔化相同质量的铝合金需要吸收更多的热量。因此，在焊接领域，铝合金的焊接难度要比钢铁大。主要表现在，常规的焊接方法很难焊接厚度比较大的铝板，并且焊接速度也比较慢，生产效率低。因此大大影响了铝合金在工业领域的应用。
使用TIG焊焊接铝合金薄板时的速度仅为每分钟十几公分或二十几公分，焊接效率十分低，劳动力消费高，生产成本高。因此，如何能够提高铝合金TIG焊接的速度已经引起了很多研究人员的兴趣。这不仅会节省大量的能源、人力、物力消耗，还可以促进人们对于铝合金焊接研究的深入。
1.2 铝合金高速氦弧焊的难点分析
作为性能优良、用途广泛的轻质金属，铝及其合金的焊接技术问题一直受到国内外研究者的关注。铝合金的焊接难点主要有以下几点：
1.2.1 铝合金导热系数大
铝合金的导热系数比较大（参见表11），是钢的导热系数的45倍。因此，在同样的热输入的条件下，钢的焊接速度更快，熔深更深 ，而焊接铝合金时必须增加热输入，这就需要放慢焊接速度，以得到良好的焊缝成形。
表11 部分铝合金的线膨胀系数及热导率
铝合金牌号
平均热膨胀系数/（20160℃）/(106/℃)
热导率（25℃）W/m℃
1060
23.6
234
1350
23.75
234
2011
22.9
151
2117
23.75
154
3004
23.9
163
4043
22.1
163
5083
23.75
117
6066
目 录
第一章 绪论 1
1.1 实验目的及意义 1
1.2 铝合金高速氦弧焊的难点分析 2
1.2.1 铝合金导热系数大 2
1.2.2 气孔问题 2
1.2.3 铝合金焊接变形剧烈 3
1.3 铝合金TIG焊的研究现状 3
1.3.1 氩弧焊研究现状 3
1.3.2 氦弧焊研究现状 5
1.4 铝合金其他焊接方法的研究现状 6
1.5 试验目的 9
第二章 试验材料、设备及方法 11
2.1 试验材料 11
2.1.1 试验材料成分、性能 11
2.1.2 试验接头的形式 11
2.2 焊接设备 11
2.3 试验焊接方法 13
2.4 设备简介 13
2.5 测试分析 14
第三章 氦气保护的铝合金高速TIG焊接研究 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
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3.1 铝合金高速氦弧焊的理论依据 15
3.1.1 氦弧焊接热输入与氩弧焊接热输入比较 15
3.1.2 氦弧与氩弧的电弧形态比较 16
3.1.3 氦弧与氩弧的加热区域不同 17
3.1.4 氦弧具有清理母材表面氧化膜的作用 17
3.2 不同焊接工艺参数对焊接外形的影响 18
3.2.1 焊接电流对焊缝外形的影响 19
3.2.2 焊接速度对焊缝外形的影响 23
3.2.3 钨针外形对焊缝成型的影响 25
3.3 高速氦弧焊的经济性分析 28
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 实验目的及意义
相比于传统的铆接来说，焊接的优点比较突出。比如，焊接接头密封性比较好：由于焊缝是一条由填充金属及母材组成的，并且焊缝金属达到了原子间的结合，因此其水密性，气密性均优于其他方法；焊接结构的设计灵活性比较大，可以体现在焊接接头形式多样有对接，搭接，T型接头等；焊接接头可以大大减轻结构件的重量。相比于铆接来说说，焊接接头免去了连接处出现铆钉等，可以大大减轻焊接结构的重量，这一优点在航空航天领域的应用尤其突出；最后，焊接接头强度高，而铆接或者螺栓连接的结构，由于要在木材上打眼钻孔，因此减少了受力的截面面积，容易引起应力集中，从而使构件的强度大大降低。
近年来，由于轻质结构金属质量轻，可以减少汽车、飞机等运输工具的重量，从而节省能源，提高能源的使用效率，因此被广泛用于运输工具之中[13]。 铝合金作为轻质结构金属更是得到了广泛的应用。从上世纪开始，铝合金就成为了运输部门应用极为广泛的金属。这种金属的回收能力已经与钢铁相当。同时，与钢铁相比，铝合金具有优异的机械性能如高比强度，良好的耐冲击性，良好的铸造、成型和回收技术，以及优异的腐蚀性能。并且，科学家们还在不断地对这种金属进行研究和试验，因此这种金属成为了工业领域中不可或缺的选择[45]。同传统的钢铁结构一样，铝及其合金结构的建筑等也可以使用焊接方法进行连接，但是由于铝及其合金的导热系数比较大，热量的利用效率低。相比于钢铁来说，熔化相同质量的铝合金需要吸收更多的热量。因此，在焊接领域，铝合金的焊接难度要比钢铁大。主要表现在，常规的焊接方法很难焊接厚度比较大的铝板，并且焊接速度也比较慢，生产效率低。因此大大影响了铝合金在工业领域的应用。
使用TIG焊焊接铝合金薄板时的速度仅为每分钟十几公分或二十几公分，焊接效率十分低，劳动力消费高，生产成本高。因此，如何能够提高铝合金TIG焊接的速度已经引起了很多研究人员的兴趣。这不仅会节省大量的能源、人力、物力消耗，还可以促进人们对于铝合金焊接研究的深入。
1.2 铝合金高速氦弧焊的难点分析
作为性能优良、用途广泛的轻质金属，铝及其合金的焊接技术问题一直受到国内外研究者的关注。铝合金的焊接难点主要有以下几点：
1.2.1 铝合金导热系数大
铝合金的导热系数比较大（参见表11），是钢的导热系数的45倍。因此，在同样的热输入的条件下，钢的焊接速度更快，熔深更深 ，而焊接铝合金时必须增加热输入，这就需要放慢焊接速度，以得到良好的焊缝成形。
表11 部分铝合金的线膨胀系数及热导率
铝合金牌号
平均热膨胀系数/（20160℃）/(106/℃)
热导率（25℃）W/m℃
1060
23.6
234
1350
23.75
234
2011
22.9
151
2117
23.75
154
3004
23.9
163
4043
22.1
163
5083
23.75
117
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