本科毕业设计(论文)开题报告

本科毕业设计（论文）开题报告

题目： 薄板铝合金TIG焊焊接工艺优化

设计与焊后质量检验

学生姓名 教学院系 专业年级 指导教师 单 位

李继 学 号 高职院

0715090151

焊接技术及其自动化2007级 武斌

职 称

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目录

1.选题目的及意义 .................................................... 3 2.铝合金焊接技术国内外研究现状 ...................................... 4

2.1铝合金焊接技术国内研究现状 ................................... 4 2.2铝合金焊接技术国外研究现状 ................................... 5 3 .实验内容 ......................................................... 6

3.1实验方案 ..................................................... 7 3.2实验工艺流程图 ............................................... 9 3.3可行性分析 .................................................. 10 3.4实验的理论基础及所用实验设备 ................................ 10

3.4.1实验理论基础 .......................................... 10 3.4.2实验设备及耗材 ........................................ 10

4．预期实验结果 .................................................... 10 5．工作进度安排 .................................................... 11 6.参考文献 ......................................................... 12

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1.选题目的及意义

铝合金由于其质轻，高强度和具有优良的导电性、导热性及耐腐蚀性，目前在人们的日常生活和工业生产中得到越来越广泛的应用。在现代生产生活中，铝合金常作为重要结构件通过交流TIG焊，MIG焊，变极性等离子立焊（VPPA）,激光-MIG复合焊（L-MIG复合焊），电子束焊，搅拌摩擦焊（FSW）焊接工艺实现有效连接。但在一些焊接方法中，由于焊接过程受焊接设备、生产成本、效率和施焊环境的影响，一些焊接方法在实际生产过程中并没有得的到广泛的推广和应用。TIG焊由于钨极所产生的电弧具有很好的稳定性，焊接电流可调范围广，同时具有高的焊接可靠性并能够实现高品质的焊接连接，得到质优形美的焊缝，尤其是对铝、镁、钛、铜等有色金属及其合金、不锈钢、耐热钢、及添加如钼、铌、锆等难熔金属的高温合金钢等金属的焊接具有很好的焊接焊接工艺性，因而在实际生产已经得到了较为广泛的应用。焊接时，焊缝金属主要靠惰性气体保护，所以可以不用溶剂，从而避免了焊后残渣对焊接接头的腐蚀，也避免了焊后清渣，而且接头形式也可以不受限制。此外保护气体不溶于金属，故在焊缝中不形成气孔。同时TIG焊焊接接头的质量比气焊搞得多，接头强度一般可达母材强度的90%--100%。但是由于TIG焊是不用溶剂，所以焊前清理的要求要比其他焊接方法严格。由于铝合金TIG焊焊接质量好、操作技术容易掌握，所以在目前铝合金焊接中被广泛应用。

但由于TIG焊保护气体—氩气没有脱氧和去氢作用，加之在母材和填充材料的表面粘附和吸附的水分、有机物、腐蚀生成物在电弧热源的作用下分解所产生的氢，使铝合金的焊接极易出现气孔和夹杂等焊接缺陷。除此之外，铝合金焊接过程中还易产生如焊接变形，咬边，未焊透，夹钨等焊后缺陷。针对这些焊接缺陷，本实验主要通过对同种焊接材料采用不同的焊接工艺，通过直流脉冲频率的变化，焊接输入电流和电压之间的变化关系，通过最后的焊接检验，优化工艺设计，找到薄板铝合金适宜的焊接参数。

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2.铝合金焊接技术国内外研究现状

2.1铝合金焊接技术国内研究现状

铝合金焊接工艺的研究在国内起步较晚，但自上世纪年代末以来，我国的铝合金焊接工艺研究随着现代工业的需要也得到快速发展。在2001年，上海金通电子设备有限公司研制了LHME-315型IGBT双重逆变式VPPA W机及配套装置，这是国产第一代VPPAW焊接设备。该设备广泛应用于铝合金变极性粒子弧焊电源，为铝合金焊接电源的选择开辟了新的方向。通过微机控制，利用IGBT一次逆变电源的高效率、高电弧镇定度，以及次级IGBT二次逆变的高效变流，可获得约84%的电源总效率，100%的满额负载率，长电弧恒流外特性，具备独立控制的副弧电源和高频引弧、脉冲稳弧，以及离子气随焊接电流缓升、缓降控制装置。在交流焊接时不需高频稳弧，可大范围改变熔深和清扫宽度。设备能在电弧稳定度焊接效率、焊缝成形、表面清扫和电桥喷嘴寿命间进行良好的l办调，满足最佳工艺要求。另外，该公司还研制了LHME-500型IGBT双重逆变式VPPAW焊机及配套的GA C S OOA等离子焊炬、12 kW大功率循环冷却装置，这是目前国产最高参数等级的新一代VPPAW设备。

活性TIG 工艺通过在TIG 焊前将很薄的一层表面活性剂涂敷在施焊板材表面，然后再进行正常焊接，在保证焊缝质量的基础上，通过改变电弧收缩和熔池流动使得焊接熔深显著增加，可达到传统TIG 焊的2- 3 倍，从而大大提高了焊接生产效率，降低了生产成本[5]。相对于传统的TIG焊，活性TIG焊具有三大突出优点：焊接熔深大，生产效率高；对施焊材料中所含的微量元素不敏感；焊接熔深稳定，应用领域广，易实现自动化焊接。目前焊接铝合金常用的活性剂有CaF2、TiO2、SiO2 及卤化物等。

搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术，它利用一种特殊形状的搅拌工具，旋转着插入被焊工件，然后沿着焊缝运动，通过搅拌工具的轴肩与材料摩擦产生热量，使焊材加热到塑性状态，通过塑性变形，破坏接合面的氧化膜和金属晶粒，使得处于热塑性状态的金属在焊接区域转移过渡，经过轴肩挤压塑性金属而形成焊接接头[8]。具有以下优点：a、几乎无缺陷,焊接接头综合力学性能优异；b、焊后几天变形,残余应力小；c、适应范围广；d、焊接成本低；e、焊缝质量对人的依赖程度很低。但是搅拌摩擦焊也存在一定的局限性：搅拌摩擦焊仅适合于规则焊

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缝（直缝、环缝），而且设备复杂，对工件形状的适应性差[9]；焊接速度比熔焊要低；接头部间隙的容许范围比熔焊小;焊后接合部终端残存钥孔;不能三维曲面施工。

2.2铝合金焊接技术国外研究现状

近年来，随着航空航天工业和陆地轻型交通运输的快速发展，各种新型结构工程材料都得到飞速发展，但面对工业发展背后所承受的极大能源和环境负担。寻找一种高强度，轻型，节能，环保的材料已成为交通运输、航空航天降低对环境的污染,提高燃料的利用率的最主要途径。铝合金由于比强度高而倍受这些行业的青睐。此外，铝合金还有良好的耐蚀性、导电性、延展性，且外形美观等一系列性能优点。随着材料科学、加工技术的发展，铝合金在工业中的应用比重越来越大，应用范围也越来越广泛。焊接作为铝合金工程构件最主要连接方法，随着现代新型工业的发展，铝合金的焊接技术随着工业需求飞速发展。早在1998 年，由肯塔基大学的机器人及制造系统中心和美国国家科技基金资助而研制的双焊枪TIG焊，采用恒定的方波交流电流，两把焊枪正向对立分布，分别指向工件正反两面，不仅双面成形而且一部分电流从一把焊枪通过工件传到另一把焊枪，再回到电源。这种电流的流动使得电弧更加集中，熔深增加，减少厚板的焊接层数。同时还由于降低了热输入，使HAZ 范围减少，裂纹出现率降低，焊后变形小。此外，此焊接法不需要使用填充焊丝，因此不会使合金成分发生很大的改变，提高了焊缝质量而且降低了生产成本[6]。后来，Y. M. ZHANG 和S. B. ZHANG 用此法对6061 铝合金进行了焊接，对于9.5 毫米厚的铝板可以在不预热的情况下，仅用150A 电流和焊接速度为2mm/s 单道焊就可以充分焊透。与传统的交流TIG焊相比，双枪TIG焊不仅可以简化焊接工艺、节省能量而且其焊缝强度和延展性都高于普通的交流TIG焊[7]。另外，在铝合金中厚板焊接方面，芬兰Kemppi 焊研公司通过对铝合金焊接电源的研究，在2001 在市场上推出的一款全数字化脉冲(double pulse)MIG 焊机Kemppi pro Evolution，使得送丝速度与脉冲频率调节在焊接过程中自动吻合适应而提高焊接质量，进一步提高了焊接效率和可施焊母材的厚度[3]。除此之外，美国航空航天管理局(NANA)对铝合金焊接电源的变极性进行了大量的研究,成功研制了以变极性等离子弧焊工艺(VPPAW)为核心的焊接技术和相应的设备,并成功地实现了厚板铝合金构件的焊接[4]。

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[1]

综上所述，未来铝合金焊接的有些发展趋势有：

a.生产力不断提高，焊接质量增强。随着研究的深入，铝合金焊接技术理论更加成熟，许多焊接问题迎刃而解，并对焊接工艺进行改善。

b.进一步提高机械化。焊接机器人，数控技术等应用在铝合金焊接中，并逐渐的到推广，以减少因为人为操作失误而造成焊接的缺陷。

c.继续寻找更有效率的焊接工艺和方法。通过新设计新方法来提高铝合金可焊性。诸如复合焊和搅拌摩擦焊新工艺已经出现。

d.与其他技术相结合。在国内外焊接研究中，我们能清楚看到电子元件、计算机技术以及数字通讯的发展影响着焊接及其设备的发展。

3 .实验内容

针对薄板铝合金焊接时存在易烧穿、气孔和焊接变形等工艺缺陷,本次实验主要针对薄板铝合金TIG焊方法中的烧穿问题，焊接变形问题，气孔问题问题进行研究。

a.烧穿问题：大量的薄板焊接试验证明,烧穿是薄板电弧焊时的主要问题之一,其产生与熔池受力密切相关。水平焊时, 熔池主要承受如下几种力: 1) 熔融金属的重力F重, F重决定于熔池金属量的多少; 2) 电弧吹力F电弧, F电弧主要由电流大小决定;

3) 熔池金属表面张力F表, F表除与金属种类有关外,还与熔池表面状态有关。 4) 固、液态金属的附着力和液态金属的内聚力都是保持熔池的内力,对烧穿的影响可不计。

b.焊接变形问题：焊接过程是一个局部加热和冷却的过程。在焊接热作用下,形成焊接温度场,材料受到不均匀的加热和冷却,会造成不均匀的应力状态,形成不同程度的应力变形及应变。而薄板由于其自身拘束度小,焊接时变形较大。其中以波浪变形最为严重,且很难矫正。铝及其合金等一些热膨胀系数较大的材料,变形尤为严重。因此,对于薄板的焊接,如何获得美观而无变形的焊缝是首先要解决的问题

c.气孔问题: 焊接过程中,熔池周围充满着成分复杂的各种气体,这些气体主要来自周围的空气,焊件上的杂质如铁锈、油漆、油脂等受热后所产生的气体。如果这些气体析出,就不会产生气孔。但是如果气体的产生正处在熔池的结晶过程中,而结晶过程进行较快时气体来不及析出熔池,就会残留在焊缝金属中形成气

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孔。气孔是体积性缺陷,对焊缝金属的性能影响很大,其危害性主要是降低焊缝的承载能力。如果气孔穿透焊缝表面,特别是穿透接触介质的焊缝表面,介质积存在孔穴内,当介质有腐蚀性时,将形成集中腐蚀,孔穴逐渐变深、变大,以至腐蚀穿孔而泄漏[ 10] 。

通过改变电流和焊接速度来对上面几种可能出现的问题进行分析，找出适当的防止措施，从而找出适当的焊接方式方法来优化薄板铝合金的TIG焊的焊接技术。 本次实验的主要内容：

1>焊接的焊前准备，设计接头形式、准备焊接工具。

2>焊接变形及控制先准备薄板铝合金两组试验对比材料，然后确定焊接方法、焊接参数和焊接顺序。

3>焊后处理先要清楚焊件表面残渣，然后进行焊件表面处理，在确认焊件是否有比较明显缺陷而需要返修。

4>焊后质量检验阶段先进行外观检验，再进行机械性能试验和强度试验。 5>通过焊后质量检验，讲两组材料的焊接试验数据进行对比，分析焊接过程中容易出现的缺陷，从而找到防止缺陷的有效处理方法，进而优化薄板铝合金的焊接技术。

3.1实验方案

焊前准备：选择焊接材料（薄板铝合金），对材料进行接头设计和接头准备，一般采用卷边对接形式；然后对板材进行清理（脱脂去油清理，化学清理，机械清理），放在不锈钢垫板上，并用专门的卡具保证焊件接缝的平直度及防止错边等。然后确定焊接方法，薄板一般用单道焊进行焊接，钨极选用铈钨极做电极，保护气体选用氩气为保护气体，因为氩气比空气重且是惰性气体，不漂浮散失有利于保护作用。

焊接变形及控制：此阶段实验分两步做，分别是在相同的焊接速度下用不同的焊接电流和在相同的焊接电流下用不同的焊接速度对薄板铝合金进行焊接。在此前也要确定是否需要添加填充材料。确定焊接顺序，正确的焊接顺序是控制和减少焊接变形的主要方法。同时对于一个焊道一旦开始焊接就要一直焊完。

焊后处理：焊接完成后先要进行清除残渣，表面处理以避免造成不良的后果，然后进行焊缝的整形和缺陷处理，同时通过观察和分析确认是否需要进行焊后返修。

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焊缝质量检验：焊接完成及处理后先进行焊缝外观检查，看是否有气孔，裂纹之类的可见缺陷，如果有需要及时处理或返修。外观检查合格后进行机械性能和接头强度的检测。记录好实验数值，通过分析来完善优化焊接技术。

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3.2实验工艺流程图

铝和铝合金的TIG焊是一种精细的工艺过程，必须注意从材料准备到焊接质量检验全过程中的各个环节[11]。

焊接变形及控制 焊缝的整形和焊后缺陷的返修 焊后处理 焊件的表面处理 清楚残渣 焊接顺序的确定 焊接参数的确定 焊接方法确定 焊接材料的选择 焊接工具夹 焊前准备 焊前清理 垫板 接头准备 接头设计 焊缝质量检验

9 外观检验 接头机械性能检验 强度试验

3.3可行性分析

铝合金TIG焊的实验是可行的，实验室具备实验相关的各种设备和材料，同时在实验过程中改变焊接参数来获得不同的焊接接头效果，在实验室可以通过改变电流、电压大小来获得不同的焊接参数，因此该实验完全在实验室完成。同时在焊后质量检验阶段，对于接头机械性能检测和强度测验也可以在实验室完成，实验室有相应的检测仪器可以完成正个实验过程。因此该实验是可行的。

3.4实验的理论基础及所用实验设备

3.4.1实验理论基础

铝合金TIG焊的优化可以通过比较在相同材料的条件下改变焊接参数来，不同的焊接参数焊接的效果是不同的，比如在相同电压条件下用不同的电流焊接出来的焊接接头的强度、缺陷是不同的，通过对比不同焊接参数下的焊接效果来完善和提升TIG焊的焊接工艺。

3.4.2实验设备及耗材

钨极材料使用纯钨电极；保护气体使用氩气；焊机使用交流/直流两用手工钨极氩弧焊机；铝合金板材用3mm左右的开了坡口的板材；专门固定焊件的卡具；垫板

4．预期实验结果

1、掌握薄板铝合金TIG焊焊接工艺；

2、分析各种焊接参数对TIG焊焊后质量的影响及常见的焊接缺陷产生的原因； 3、优化TIG焊焊接工艺参数； 4、完成英文文献的翻译; 5、完成毕业论文的书写；

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5．工作进度安排

序号 1 设计（论文咯阶）段内容 起止日期 准确理解任务书，调研文献，查阅资料，翻1-3 周 译相关英文资料，完成开题任务书的书写，准备开题答辩 2 设计实验总体方案，书写实验计划 4 周 3 4 5

按照实验方案进行实验研究 5-13 周 处理实验数据、补充部分实验，书写毕业论14-15 周 文 修改论文，准备答辩 16 周 11

6.参考文献

[1] 张少华.铝合金在汽车上应用的进展[J] .汽车工业研究,2003 (3) :36-39. [2] Zhang, Y. M., and Zhang, S. B. 1998.Double-sided arc welding increasesweld jointpenetration.Welding Journal 77 (6) : 57-61

[3] Pasi Hiltunen.kemppi pro-evolution doublepulse and aluminium welding [ J] .PRONEWS, 2002 (2) : 10-13.

[4] 李志远,钱乙余,张九海等.先进连接方法[M] .北京:机械工业出版社, 2000: 9-11、91-100.

[ 5] Lucas W,Howes D S.Activating flux increasingthe performance and productivity ofthe TIG and plasma process.Welding and MetalFabrication,1996 (1) :11-17.

[ 6] Zhang, Y. M., and Zhang, S. B. 1998.Method of arc welding using dual serial opposedtorches. U.S. patent application, S. N.9,049,191 [7] Zhang, Y. M., and Zhang, S. B. WeldingAluminum Alloy 6061 with the Opposing Dual-Torch GTAW Process [ J] . Welding ResearchSupplement.1999 JUNE:202-206

[8] 杨扬.金属爆炸复合技术与物理冶金[M] .北京:化学工业出版社, 2006:4-5. [9] 包哗峰,熊家林,王松祥.工艺因素对铝合金扩散氢的影响[J] .机车车辆工艺,1996, (4) :17-21.

[10] 李亚江. 特殊及难焊材料的焊接. 北京:化学工业出版社,2002. [11]黄旺福、黄金刚.铝及铝合金焊接指南.湖南:科学技术出版社.2005

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