本发明涉及焊接和连接技术领域，具体是一种提高铝合金型材焊接质量的方法及其应用。
背景技术：
铝合金作为一种以铝为基础添加一定量其他合金化元素的合金材料，对于现代工业具有重要意义。铝合金具有密度低、比强度高和加工性好等优点，被广泛的用于制造轨道客车车体铝合金结构件。其中铝合金关键结构件是轨道客车铝合金车体的主要承力部件，关系到列车的运行安全，焊接质量要求高。基于安全方面的原因，轨道客车车体铝合金结构件通常采用厚板铝合金型材，板厚为15-30mm，坡口型式为x型，根部钝边为1mm左右，这就对铝合金型材焊接质量提出了更高的要求。
目前，铝合金型材焊接工艺大多是单一的焊接方式，例如手工tig(tungsteninertgaswelding，非熔化极惰性气体保护电弧焊)、自动tig和mig(meltinert-gaswelding，熔化极惰性气体保护焊)，但对于厚板铝合金结构件，焊接难点在于，根部位置空间狭小，焊接可达性差，操作困难，接头中根部位置易出现未焊透、咬边和裂纹缺陷，根部位置也是产生焊接气孔的主要部位，同时铝合金焊接过程中接头金属受到焊接热的影响，产生接头软化问题，进而降低了焊接部位尤其是焊接接头的焊接质量。
因此，现有技术中用于铝合金型材的焊接工艺，在实际使用时存在以下不足：现有用于铝合金型材的焊接工艺存在焊接接头系数不高的问题，从而降低了焊接质量。
技术实现要素：
本发明实施例的目的在于提供一种提高铝合金型材焊接质量的方法，以解决上述背景技术中提出的现有用于铝合金型材的焊接工艺存在焊接接头系数不高的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种提高铝合金型材焊接质量的方法，包括以下步骤：
1)将待焊接的铝合金型材进行组对，然后将不锈钢材料作为焊接垫板设置在待焊接的铝合金型材的坡口一侧，在保护气体下通过tig焊进行打底焊接；
2)修磨打底焊接的焊缝，然后在保护气体下使用mig焊进行中间层焊接；
3)修磨中间层焊接的焊缝，然后使用mig焊进行盖面焊接。
本发明实施例还提供一种所述的提高铝合金型材焊接质量的方法在厚板铝合金结构件焊接中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例提供的提高铝合金型材焊接质量的方法通过tig+mig复合焊实现了焊接质量与焊接效率的结合，对于厚板铝合金，打底焊焊接难度大，通过tig进行打底焊，降低了接头根部缺陷倾向；中间层与盖面层焊接可达性好，通过采用mig焊的焊接速度快，生产效率高，而且，焊接垫板为不锈钢材料，不易吸附水分，可以降低接头根部的气孔倾向，有效提高了接头力学性能，焊接接头系数达到0.80-0.85，解决了现有用于铝合金型材的焊接工艺存在焊接接头系数不高的问题，有效提高了焊接接头质量，具有广阔的市场前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明中未涉及部分均可以采用现有技术来实现，这里并不作赘述。
本发明实施例提供的一种提高铝合金型材焊接质量的方法，具体是一种提高厚板铝合金焊接接头质量的方法，可应用于x型坡口厚板铝合金结构件的焊接，其包括以下步骤：
1)将待焊接的铝合金型材进行组对，然后将不锈钢材料(优选的是不锈钢圆棒，当然也可以是其他的形状，例如多棱柱等，具体根据需求进行选择，这里并不作限定)作为焊接垫板设置在待焊接的铝合金型材的坡口一侧，在保护气体下通过tig焊进行打底焊接；
2)修磨打底焊接的焊缝，然后使用mig焊进行中间层焊接；
3)修磨中间层焊接的焊缝，然后使用mig焊进行盖面焊接。
作为本发明的另一优选实施例，所述保护气体为he与ar的混和气体，且he与ar的体积比是1-3:7-9。
优选的，所述保护气体为20％(v/v)he+80％(v/v)ar的混和气体。
需要说明是的，通常焊接工艺按照顺序依次为打底焊(打底焊接)、填充焊(中间层焊接)、盖面焊接，即填充焊是在打底焊上进行，盖面焊是在填充焊上进行。
作为本发明的另一优选实施例，所述通过tig焊进行打底焊接具体是将待焊接的铝合金型材预热至100-120℃，使用tig焊进行打底焊接，焊接电流是180-210a，焊接速度是30-50cm/min，保护气体的气体流量是10-15l/min。
作为本发明的另一优选实施例，所述使用tig焊进行打底焊接时的焊接电流是180-200a或190-210a。
作为本发明的另一优选实施例，所述使用mig焊进行中间层焊接具体是将待焊接的铝合金型材使用mig焊进行中间层焊接，正反两面对称焊接，焊接电流是190-210a，焊接电压是21-23v，焊接速度是50-60cm/min，保护气体的气体流量是10-15l/min。
作为本发明的另一优选实施例，所述使用mig焊进行盖面焊接具体是在将中间层焊接的焊缝进行修磨后使用mig焊进行盖面焊接，焊接电流是180-200a，焊接电压是22-24v，焊接速度是40-50cm/min，使用mig焊进行盖面焊接采用的是氩气，且氩气流量是10-15l/min。
作为本发明的另一优选实施例，在所述的提高铝合金型材焊接质量的方法中，所述将待焊接的铝合金型材进行组对时，控制间隙为1-1.5mm，反变形量为1-2mm。
作为本发明的另一优选实施例，在所述的提高铝合金型材焊接质量的方法中，还包括在将待焊接的铝合金型材进行组对后，再在待焊接的铝合金型材的坡口的纵向两端进行点固引弧板与收弧板的步骤。
作为本发明的另一优选实施例，在所述的提高铝合金型材焊接质量的方法中，在进行点固引弧板与收弧板后，使用吸热压敏铝箔胶带将不锈钢圆棒作为焊接垫板固定于x型坡口一侧，不锈钢圆棒与两侧坡口贴和严密。
作为本发明的另一优选实施例，在所述的提高铝合金型材焊接质量的方法中，还包括表面处理的步骤，所述表面处理具体是将待焊接的铝合金型材的坡口位置及坡口外侧5-15mm范围内的母材表面进行机械打磨，然后用有机溶剂进行擦拭干净。
作为本发明的另一优选实施例，所述有机溶剂可以是乙腈、吡啶、苯酚、苯、甲苯、二甲苯、戊烷、己烷、辛烷、环己烷、环己酮、氯苯、二氯苯、二氯甲烷、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、甲基丁酮等中的任意一种，具体根据需求进行选择，这里并不作限定。
优选的，所述有机溶剂是乙醇。
本发明提供的提高铝合金型材焊接质量的方法，通过采用tig+mig复合焊，既保证了焊接效率，又保证了结构件的焊接质量，减少了接头的根部缺陷；通过使用不锈钢焊接垫板、背部清根、预热以及层间温度控制等方法，在进一步减少接头缺陷的基础上，改善了接头组织，提高了接头力学性能；其中，厚板铝合金结构件接头质量等级达到了b，接头强度：母材强度达到0.80-0.85。
本发明实施例还提供一种所述的提高铝合金型材焊接质量的方法在厚板铝合金结构件焊接中的应用。具体的，所厚板铝合金常指厚度不小于5mm的铝合金板材。
作为本发明的另一优选实施例，在所述的提高铝合金型材焊接质量的方法在厚板铝合金结构件焊接中的应用中，所述厚板铝合金结构件的坡口型式选自x型、k型、v型、u型中的任意一种。
需要说明的是，所述坡口是指焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽，一般有x型、k型、v型、u型等坡口。
以下通过列举具体实施例对本发明的提高铝合金型材焊接质量的方法的技术效果做进一步的说明。
实施例1
一种提高铝合金型材焊接质量的方法，具体是一种提高厚板铝合金焊接接头质量的工艺，可以应用于制造轨道客车铝合金车体关键结构件。该工艺包含以下步骤：
第一步，表面处理：
将待焊接的铝合金型材坡口位置及坡口外侧10mm范围内母材表面进行机械打磨，然后用有机试剂进行擦拭干净。
第二步，组对试件：
将待焊接的铝合金型材作为结构件按要求进行组对，在结构件x型坡口纵向两端点固引弧板与收弧板。使用吸热压敏铝箔胶带将不锈钢圆棒作为焊接垫板固定于x型坡口一侧，不锈钢圆棒与两侧坡口贴和严密。
第三步，打底焊接：
将结构件预热至100-120℃，在保护气体下使用tig进行打底焊接，焊接电流190-210a，焊接速度30-50cm/min，保护气体的气体流量10-15l/min，所述保护气体为20％(v/v)he+80％(v/v)ar的混和气体。翻转工装，背面根部进行清理，使用相同工艺与方法完成反面打底焊接。
第四步，中间层焊接：
使用直磨机修磨打底焊接的焊缝，焊缝温度控制在80-120℃。使用mig焊焊接机器人进行中间层焊接，正反两面对称焊接，焊接电流190-210a，焊接电压21-23v，焊接速度50-60cm/min，氩气流量10-15l/min。
第五步，盖面焊接：
将中间层焊接的焊缝进行修磨清理，焊缝温度控制在80-120℃。使用mig焊焊接机器人进行盖面焊接，焊接电流180-200a，焊接电压22-24v，焊接速度40-50cm/min，氩气流量10-15l/min。
实施例2
与实施例1相比，除了打底焊接时的保护气体的气体流量12l/min，所述保护气体为20％(v/v)he+80％(v/v)ar的混和气体外，其他与实施例1相同。
实施例3
与实施例1相比，除了打底焊接时的保护气体的气体流量10l/min，所述保护气体为10％(v/v)he+90％(v/v)ar的混和气体外，其他与实施例1相同。
实施例4
与实施例1相比，除了打底焊接时的保护气体的气体流量15l/min，所述保护气体为30％(v/v)he+70％(v/v)ar的混和气体外，其他与实施例1相同。
实施例5
与实施例1相比，除了打底焊接时的保护气体的气体流量13l/min，所述保护气体为he与ar的混和气体，且he与ar的体积比是1:7外，其他与实施例1相同。
实施例6
与实施例1相比，除了打底焊接时的保护气体的气体流量13l/min，所述保护气体为he与ar的混和气体，且he与ar的体积比是3:9外，其他与实施例1相同。
实施例7
与实施例1相比，除了打底焊接时的保护气体的气体流量13l/min，所述保护气体为he与ar的混和气体，且he与ar的体积比是2:9外，其他与实施例1相同。
实施例8
与实施例1相比，除了在保护气体下使用tig进行打底焊接的焊接电流是190a，焊接速度是30cm/min外，其他与实施例1相同。
实施例9
与实施例1相比，除了在保护气体下使用tig进行打底焊接的焊接电流是210a，焊接速度是50cm/min外，其他与实施例1相同。
实施例10
与实施例1相比，除了在保护气体下使用tig进行打底焊接的焊接电流是180a，焊接速度是40cm/min外，其他与实施例1相同。
在以上实施例中，打底焊接采用不添加焊丝和保护气体为20％he+80％ar的混和气体的tig焊。tig焊枪嘴相对较小，焊接过程中电极不熔化，可以深入x型坡口厚板铝合金结构件的根本位置，焊接可达性好，电弧燃烧稳定；同时采用的保护气体为20％he+80％ar的混和气体，20％he+80％ar的混合气体相对纯氩导热性高，焊接熔深较深，焊接质量高。同时焊接过程中使用预热和层间温度控制的方法和工艺，一方面可以减少单道焊接热输入量，细化焊缝晶粒，改善组织，提高接头力学性能；另一方面，可以降低焊缝金属温度差，减慢熔池金属冷却速度，降低接头内应力，减少接头焊接缺陷。
实施例11
一种提高铝合金型材焊接质量的方法，具体是一种提高厚板铝合金焊接接头质量的方法及工艺，利过tig+mig复合焊以及预热+层间温控制等方法焊接x型坡口厚板铝合金结构件，具体工艺步骤如下：
1)表面处理：
焊接前4小时内，用碗刷将6082-t6铝合金结构件(作为待焊接的铝合金型材，板厚15mm)的坡口位置及坡口外侧10mm范围内母材表面打磨干净，然后用乙醇试剂进行擦拭。
2)组对试件：
在工装中组对结构件，间隙为1-1.5mm，反变形量为1-2mm，压紧工装夹紧装置，并在结构件坡口纵向两端焊接引弧板与收弧板，同时使用直磨机在引弧板与收弧板上按照结构件坡口尺寸形状进行修磨。翻转结构件，使用吸热压敏铝箔胶带将不锈钢圆棒作为焊接垫板固定于x型坡口一侧，不锈钢圆棒与两侧坡口贴和严密。
3)打底焊接：
将结构件预热至120℃，利用交流tig焊完成底部焊接，不填充焊丝，焊接电流190-210a，焊接速度30-50cm/min，保护气体为20％he+80％ar的混和气体，流量为10-15l/min。
4)根部处理：
翻转工装，去除结构件背部焊接垫板，使用直磨机将背面根部进行清理，以使焊缝纵向平缓，焊缝金属与两侧母材过渡圆滑，表面无未焊透、咬边、气孔和裂纹等缺陷。
5)反面焊接：
将结构件预热至120℃，利用交流tig焊完成反面底部焊接，不填充焊丝，焊接电流180-200a，焊接速度30-50cm/min，保护气体为20％he+80％ar的混和气体，流量为10-15l/min。
6)中间层焊接：
使用直磨机修磨底层焊缝表面，焊缝纵向平缓，焊缝金属与两侧母材过渡圆滑，表面无未焊透、咬边、气孔和裂纹等缺陷。预热至120℃，层间焊缝温度控制在100℃，使用mig焊焊接机器人进行中间层焊接，正反两面对称焊接，焊接电流190-210a，焊接电压21-23v，焊接速度50-60cm/min，保护气体流量10-15l/min。
7)盖面焊接：
使用直磨机修磨中间层焊缝表面，焊缝纵向平缓，焊缝金属与两侧母材过渡圆滑，表面无未焊透、咬边、气孔和裂纹等缺陷。预热至120℃，层间焊缝温度控制在100℃，使用mig焊焊接机器人进行盖面焊接，焊接电流180-200a，焊接电压22-24v，焊接速度40-50cm/min，氩气流量10-15l/min。
实施例12
与实施例11相比，除了6082-t6铝合金结构件的板厚是15mm，焊接方法只采用mig焊接，且在各个焊接操作时不设置预热温度与层间(焊缝)温度，以及焊接垫板的材料是陶瓷外，其他与实施例11相同。
实施例13
与实施例11相比，除了6082-t6铝合金结构件的板厚是15mm，焊接方法只采用mig焊接，且在各个焊接操作时的预热温度是120℃，层间(焊缝)温度控制在100℃，以及焊接垫板的材料是陶瓷外，其他与实施例11相同。
实施例14
与实施例11相比，除了6082-t6铝合金结构件的板厚是18mm，在各个焊接操作时的预热温度是120℃，层间(焊缝)温度控制在100℃外，其他与实施例11相同。
实施例15
与实施例11相比，除了6082-t6铝合金结构件的板厚是21mm，在各个焊接操作时的预热温度是120℃，层间(焊缝)温度控制在100℃外，其他与实施例11相同。
实施例16
经上述工艺后，对实施例11-15制备的样品进行检测，具体参照gb/t2651－2008《焊接接头拉伸试验方法》进行接头强度的测定，参照欧洲标准en30042《铝及铝合金的电弧焊接头焊接缺陷的评定标准》进行质量评定，具体的结果见1所示。
表16082-t6铝合金焊接工艺及其焊接接头质量
从见1可以看出，本发明提供的提高铝合金型材焊接质量的方法，利用tig+mig复合焊接方法，通过背部使用不锈钢垫板以及预热温度控制和层间温度控制等方法，减少焊接热输入量，减慢熔池金属冷却速度，降低接头内应力，减少接头焊接缺陷，改善接头组织，提高接头力学性能，按照上述工艺步骤完成x型坡口厚板铝合金结构件的焊接，结构件焊接质量达到的技术指标如下：(1)厚板铝合金结构件接头质量等级b。(2)焊接接头系数达到0.80-0.85，焊接接头系数＝接头强度：母材强度。
实施例17
与实施例11相比，除了是将坡口外侧5mm范围内母材表面打磨干净外，其他与实施例11相同。
实施例18
与实施例11相比，除了是将坡口外侧15mm范围内母材表面打磨干净外，其他与实施例11相同。
实施例19
与实施例11相比，除了中间层焊接的焊接电流190a，焊接电压23v，焊接速度60cm/min，保护气体流量15l/min外，其他与实施例11相同。
实施例20
与实施例11相比，除了中间层焊接的焊接电流210a，焊接电压21v，焊接速度50cm/min，保护气体流量10l/min外，其他与实施例11相同。
实施例21
与实施例11相比，除了盖面焊接的焊接电流是180a，焊接电压是22v，焊接速度是40cm/min外，其他与实施例11相同。
实施例22
与实施例11相比，除了盖面焊接的焊接电流是200a，焊接电压是24v，焊接速度是50cm/min外，其他与实施例11相同。
在本发明以上实施例中，提供的提高铝合金型材焊接质量的方法取得的有益效果具体如下：
1)本发明所述的一种提高铝合金型材焊接质量的方法，应用了tig+mig复合焊焊接厚板铝合金结构件，实现了焊接质量与焊接效率的结合。打底焊焊接难度大，tig进行打底焊，降低了接头根部缺陷倾向；中间层与盖面层焊接可达性好，mig焊焊接机器人焊接速度快，生产效率高。
2)焊接垫板为不锈钢圆棒，不锈钢垫板不易吸附水分，可以降低接头根部的气孔倾向；预热和层间温度控制的方法和工艺在进一步降低了接头裂纹倾向的基础上，还可以减少单道焊接热输入量，细化焊缝晶粒，改善组织，提高接头力学性能。
需要说明是，在实际应用中，轨道客车车体铝合金结构件通常采用厚板铝合金型材，板厚为15-30mm，坡口型式为x型，根部钝边为1mm左右。厚板铝合金结构件的焊接难点在于，根部位置空间狭小，焊接可达性差，操作困难，接头中根部位置易出现未焊透、咬边和裂纹缺陷。厚板铝金结构件根部位置也是产生焊接气孔的主要部位。一方面，铝合金化学性质活泼，短时间内就会生成氧化膜，氧化膜吸附水分，焊接过程中不能及时逸出，就会产生气孔，根部位置气体逸出时间较长，易产生气孔缺陷；另一方面，焊接过程过程中电弧燃烧不稳定也会破坏惰性气体的保护气氛，造成气体保护效果不佳，提高接头中根部位置产生气孔的倾向，进而导致存在结构件的接头强度:母材强度不高的问题，从而降低了焊接质量。
而且，厚板铝合金结构件熔池金属中存在al、mg、si、ti和mn等元素，上述部分元素在熔池金属冷却结晶过程中将发生共晶反应，在α-al晶界处形成强度低、塑性差的低熔点共晶薄膜状组织。厚板铝合金结构件焊缝金属填充量大，焊后接头中存在极大的内应力，内应力常导致接头中的薄弱位置发生破裂，形成裂纹。同时厚板铝合金结构件多采用热处理强化铝合金，强化方法是固溶强化+时效强化。焊前铝合金中部分mg、si、ti和mn等元素作为溶质原子溶入面心立方晶格的α-al中，导致α-al晶格发生畸变；另一部分mg、si和mn等元素以细颗粒状的mg2si、mg2al3和al6mn等金属间化物的形式析出，呈弥散状分布于α-al基体上；同时合金在制造过程中，发生严重的塑性变形。因此，虽然铝合金具有较高的硬度、强度以及优良的综合性能，但是，铝合金焊接过程中接头金属受到焊接热的影响，部分金属熔化，mg、si和mn等元素发生重溶和再析出，组织中相组成、相比例、形貌、分布、大小和数量发生变化；强化相发生聚集和长大；合金发生回复和再结晶，强化效果减弱，产生接头软化问题。因此，开发一种经济、高效、高质量和稳定的厚板铝合金x型坡口结构件的焊接技术一直是企业急需解决的难题。
本发明通过提供一种提高铝合金型材焊接质量的方法，具体是一种提高厚板铝合金焊接接头质量的方法，应用于x型坡口厚板铝合金结构件的焊接，利用tig+mig复合焊接方法，通过背部使用不锈钢垫板以及预热和层间温度控制等工艺，减少焊接热输入量，减慢熔池金属冷却速度，降低接头内应力，减少接头焊接缺陷，改善接头组织，提高了接头力学性能，解决了铝合金结构件在焊接工艺中存在的接头强度:母材强度不高的问题，有效保证了焊接质量。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。尤其是，只要不存在冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。