鋁合金工業(yè)型材MIG激光焊接工藝評定

1、二、項目綜述2018年3月，秦皇島國際旅游港和自由貿(mào)易港一期工程開工， 項目涵蓋郵輪、游艇帆船及游船碼頭改造項目。其中秦皇島港西 港區(qū)工作船碼頭，主要施工內(nèi)容為新建 58座浮碼頭泊位，浮碼頭 共由3條主浮橋、29條支浮橋組成，浮碼頭采用浮箱 -鋁合金結(jié) 構(gòu)骨架-面板的設(shè)計形式，其中鋁合金結(jié)構(gòu)骨架采用焊接工藝制 作。新建浮碼頭面積約 1400吊,需用鋁合金約28t,焊接作業(yè)工程 量巨大，同時焊接質(zhì)量好壞是決定浮碼頭工程安全使用功能的重 要因素。由于焊接工程量巨大，焊接母材較為特殊，同時浮碼頭環(huán)境 條件特殊，承受海浪沖擊力較大，項目部將焊接作業(yè)作為質(zhì)量控 制重點。經(jīng)公司技術(shù)部門研究決定采用MIG激

2、光焊接工藝，自行組織焊接工藝評定，保證焊接質(zhì)量，同時確保浮碼頭整體骨架滿 足安全使用功能。浮碼頭布置情況見下圖：三、項目詳細(xì)內(nèi)容（包括立項背景、技術(shù)方案、應(yīng)用情況、實施效果等）一、立項背景焊接技術(shù)雖然是機(jī)電工程中最常用的技術(shù)之一，但是隨著科 技的發(fā)展各種新型材料層由不窮，同時針對不同工程作業(yè)環(huán)境、 使用環(huán)境均不相同，所以針對特定材料特定作業(yè)環(huán)境和使用環(huán)境 有必要進(jìn)行焊接工藝評定，根據(jù)評定結(jié)果編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書， 指導(dǎo)焊接作業(yè)和焊后熱處理。MIG激光焊接是一種以惰性氣體作為引弧介質(zhì)，并保護(hù)金屬 容滴、焊接熔池和焊接區(qū)高溫金屬的熔化焊接方法。該工藝成本 低、操作靈活，是世界上應(yīng)用最廣泛的焊接方法之

3、一。MIG電弧燃燒穩(wěn)定、容滴向熔池過度平穩(wěn)，焊縫成形均勻、美觀。目前， 國外鋁合金的焊接90蛆上采用MIG方法。鋁合金激光焊接常見缺陷：.氣孔。氣孔是鋁合金激光焊接中由現(xiàn)最多和最主要的一類 缺陷，尺度從幾百微米到幾毫米不等。氣孔不僅削弱焊縫的有效 工作斷面，同時也引起應(yīng)力集中，降低焊接接頭的動載強(qiáng)度和疲 勞強(qiáng)度。.熱裂紋。熱裂紋形成于熔池金屬凝固過程中，是鋁合金激 光焊接較為常見的缺陷類型之一。其產(chǎn)生的原因主要與其自身的 特性和焊接工藝有關(guān)。.咬邊與焊穿。鋁合金的電離能較低，焊接過程中光致等離 子體易于過熱和擴(kuò)展，造成焊接過程不穩(wěn)定。此外液態(tài)鋁合金流 動性好、表面張力小常需要較大的保護(hù)氣流和激

4、光輸由功率，焊接過程穩(wěn)定性變差，從而導(dǎo)致由現(xiàn)咬邊和焊穿等缺陷.夾渣。夾渣的產(chǎn)生主要源于焊件和焊絲表面的氧化物以及 鋁合金材料國產(chǎn)化過程中的工藝不穩(wěn)定。二、焊接工藝評定總體方案焊接工藝評定是指為驗證擬定的焊接工藝正確性而進(jìn)行的實 驗過程及結(jié)果評價，同時驗證施焊單位作業(yè)能力。1.鋁合金材料根據(jù)設(shè)計要求浮橋主材選用 6061-6T鋁合金結(jié)構(gòu)，相較于鋼 結(jié)構(gòu)鋁合金結(jié)構(gòu)具有重量輕，減少材料和能源消耗，同時確保結(jié) 構(gòu)強(qiáng)度剛度。6061-6T型鋁合金材料含 AI-MG-SI元素，合金強(qiáng)度 會隨加熱溫度的提高和溶質(zhì)原子的充分固溶而提高，延伸率也會因時效強(qiáng)化而發(fā)生顯著變化。若時效溫度過高，時效時間過長， 將會使

5、鋁合金的強(qiáng)度大幅降低?？傮w來說該合金有較好的耐腐蝕 性和焊接性能。八棺：限”唱*W，；l-L 5669-682、小 kW! 17 050*海鞫桃巾i?St-wi2,激光焊接設(shè)備激光器的特性參數(shù)較多，如光束參數(shù)積、發(fā)散角和聚光斑尺寸 等，其中激光束參數(shù)乘積（BPP決定了激光加工的質(zhì)量范圍BPP4 / 兀 k k=入 M2/ 兀式中：入為激光的波長；k為光束傳播系數(shù)（0.1-1.0 ）; M為 光束衍射極限倍數(shù)（1-10）。一般來說，激光束的聚焦參數(shù)越小，聚焦斑點就越小，光束 能量密度越大，用于鋁合金深熔焊接加工的功率閾值也會降低。 此外，材料與激光的相互作用決定了焊接質(zhì)量。為此為提高鋁合 金激光

6、焊接的效率和質(zhì)量，一方面可采用大功率激光熱源，另一方面可采用合適的表面處理工藝，以及選擇合適的接頭細(xì)節(jié)目前用于鋁合金焊接的激光器有氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器以及光纖激光器。氣體co2a光器是目前種類最多、 波長分布區(qū)域最寬和應(yīng)用最為廣泛的一類激光器，為提高激光器 的輸生功率和工作效率，還加入一定含量的N2、CO H2等輔助氣體。下圖為本次焊接選用的德國Rofin公司的擴(kuò)散冷卻式 CO2激光器，該激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量高、氣體消耗小、維 護(hù)成本低等優(yōu)點。3,激光焊接方法鋁及鋁合金的熔化極惰性氣體保護(hù)焊，也稱MIG焊，是GMAW氣體保護(hù)焊的一種，這種焊接方法是利用連續(xù)送絲與工件之間

7、燃燒的電弧作熱源，由焊炬噴生的氣體來保護(hù)電弧進(jìn)行焊接。目前國內(nèi)針對厚板鋁合金的焊接普遍采用MIG這種焊接方法。激光-MIG復(fù)合焊接能焊接的板厚度更大、工程適應(yīng)性更高。MIG電弧的加入有助于提高焊接時的間隙搭橋能力，同時降低了 單激光對坡口的制備和裝備精度要求；填充材料通過復(fù)合熔池加 入，可以改善焊縫微觀組織，提高焊縫的綜合力學(xué)性能。.試樣準(zhǔn)備及焊接參數(shù)6061-6T 鋁合金試板尺寸為 250*125*4mm3、250*125*6mm3、 250*125*8mmi、250*125*10mmt焊接填充材料采用巾1.6mm的國產(chǎn)ER5356焊絲，各尺寸試板分別按如下參數(shù)進(jìn)行試焊。主要焊接參數(shù)及成形性

8、見下表：編號激光功率/kW焊接參數(shù)焊接速度/ (m/min)止面焊縫及成形性脈沖功率=a*v1#3.0單脈沖130*200.83連續(xù)，魚鱗明顯2#2.5單脈沖130*200.83連續(xù)，魚鱗明顯3#2.2單脈沖130*200.83連續(xù)，魚鱗明顯4#2.0單脈沖170*200.83連續(xù)，魚鱗明顯5#2.0單脈沖160*200.64成形不連續(xù)6#1.8單脈沖180*200.83成形連續(xù)7#1.8單脈沖160*200.64連續(xù)，魚鱗明顯8#2.0單脈沖110*200.64成形連續(xù)9#1.5單脈沖180*200.64成形不連續(xù)10#1.3單脈沖210*200.64成形連續(xù).焊縫成形及力學(xué)性能檢測(1)氣

9、孔根據(jù)試樣焊接結(jié)果，隨著激光功率增大，氣孔數(shù)量和尺寸都 有增大趨勢。這是由于激光功率越大，焊縫熔深越大，熔池金屬 中的氣體更不容易溢生，最后造成氣孔數(shù)量增多。(2)拉伸強(qiáng)度6061-T鋁合金母材拉伸強(qiáng)度為 293.5MPa經(jīng)實驗測定各試樣接頭拉伸強(qiáng)度平均值可達(dá)到母材強(qiáng)度60蛆上。(3)抗彎性能抗彎實驗中將接頭彎曲角度設(shè)置為 180 ,圓弧變形過度良 好。(4)沖擊韌性沖擊位置在焊縫處的沖擊功分別為 7J、6.8J、6.1J ,沖擊位 置在母材側(cè)的沖擊功分別為 12J、13J、11.2J。分析可見接頭在 焊縫位置處的沖擊功比母材處低，接頭的沖擊韌性比母材低。根據(jù)工藝評定結(jié)果及相關(guān)規(guī)范編制完成焊接

10、工藝評定報告為 確定焊接工藝規(guī)程提供技術(shù)性數(shù)據(jù)。6、焊接作業(yè)指導(dǎo)書根據(jù)焊接工藝評定結(jié)果及焊接工藝評定報告編制完成 6061-6T鋁合金材料 MIG激光焊接作業(yè)指導(dǎo)書指導(dǎo)本次浮碼 頭鋁合金骨架焊接作業(yè)。焊接作業(yè)指導(dǎo)書主要技術(shù)參數(shù)如下：焊絲直徑保護(hù)氣體氣體流星L/min焊絲伸長度(mm)焊接電流(A)電弧電壓(V)焊接速度(m/min)1.6mmAr+20%CO15-2010-15160-21020640-830/、同的焊接電流所適用的母材厚度和焊接位置焊接電流(A)120-130180-200240-300焊接位置立焊橫焊平焊板厚(mm2-56-810-10 -四、主要技術(shù)創(chuàng)新點激光焊接是21世

11、紀(jì)高性能長壽命鋁合金結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造技 術(shù)之一。與傳統(tǒng)的弧焊技術(shù)相比，在裝備精度、焊接效率、工藝 柔性等多個方面具有無可比擬的優(yōu)越性。本次激光焊接方案在焊 接速度、保護(hù)氣體上均是一次全新的嘗試，增加焊接線能量提高 焊接速度以提高作業(yè)效率，采用瀛氣和二氧化碳混合保護(hù)氣體以 提高更好的焊接保護(hù)。經(jīng)過焊接工藝評定形成以上“焊接作業(yè)指 導(dǎo)書”指導(dǎo)焊接，焊接外觀質(zhì)量優(yōu)良，經(jīng)實驗檢測滿足相關(guān)規(guī)范 要求可廣泛用于鋁合金焊接作業(yè)，指導(dǎo)生產(chǎn)。-11 -五、項目獲得知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)及發(fā)表論文情況（包括發(fā)明專利、實用新型專利、計算機(jī)軟件著作權(quán)、科技論文等）暫無-12 -六、項目應(yīng)用情況、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益1、推廣應(yīng)用情況

12、（概述）一、應(yīng)用情況.按評定后的焊接工藝指導(dǎo)施焊，電弧燃燒穩(wěn)定，有效控制 氣泡和裂紋產(chǎn)生，焊縫成形均勻美觀；.經(jīng)無損檢測及力學(xué)性能試驗，該工藝焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，并體 現(xiàn)由優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊韌性；.MIG激光焊接熱輸入和焊接變形小，能夠?qū)崿F(xiàn)大速度自動 化焊接，生產(chǎn)效率獲得了大幅提高。.形成的6061-6T鋁合金材料 MIG激光焊接作業(yè)指導(dǎo)書 為該型號鋁合金 MIG焊接提供指導(dǎo)性文件，可用于該型號鋁合金 激光焊接作業(yè)指導(dǎo)，在行業(yè)具有參考意義。二、實施效果本次秦皇島港國際旅游港一期工程-游艇臨時浮碼頭建設(shè)工程浮碼頭鋁合金結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)，全部采用本次焊接工藝評定形成 的“焊接作業(yè)指導(dǎo)書”施焊，成品結(jié)構(gòu)焊縫飽滿美觀，經(jīng)無損檢 測及力學(xué)實驗焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能優(yōu)良。另外在八月中旬本期浮碼頭全部安裝完成后，秦皇島受百年不遇的臺風(fēng)影響，連續(xù)約一周暴雨大風(fēng)，本期工程在承受數(shù)日遠(yuǎn)超 設(shè)計要求的風(fēng)浪影響后，仍能保證主體結(jié)構(gòu)完好無損，這也充分 檢驗了浮碼頭主體結(jié)構(gòu)的安全可靠，間接檢驗了骨架結(jié)構(gòu)的焊接 質(zhì)量。成品結(jié)構(gòu)見下圖：-13 -14 -15 -16 -2、經(jīng)濟(jì)效益近二年經(jīng)濟(jì)效益單位：萬兀人民幣項目總投資額5萬元年份新增利潤節(jié)約成本2018024累計經(jīng)濟(jì)效益的有關(guān)說明和各欄目的計算依據(jù)：使用該項焊接技術(shù)節(jié)約工期約 50天，材料損耗率減少3%本次工程節(jié)約：人工費(fèi)：15萬元；機(jī)械費(fèi)（綜合考慮新技