采用填充焊丝的窄间隙铝合金激光焊接方法
阅读：827发布：2020-05-12
专利汇可以提供采用填充焊丝的窄间隙铝合金激光焊接方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且采用 填充 焊丝 的窄间隙 铝 合金 激光 焊接 方法属于激光材料加工技术领域。 铝合金 对激光的吸收率低， 焊缝 成型差，焊接过程稳定差，易形成孔洞，产生热裂纹、气孔。本 发明 特征在于：焊接前，接头处预留1～10mm大小的间隙，激光与 工件 表面成30°～75°倾斜入射，焊丝垂直于工件表面或与工件表面法线夹 角 为15°以内送入上述间隙中， 激光束 熔化 焊丝对该间隙进行填充，从而实现工件的联接。本发明还包括与焊丝同轴输送保护气；间隙的形式为带顿边的V型或U型坡口。本方法通过改变激光、焊丝和保护气的输入方式，大大改善了焊接过程的 稳定性 、对熔池实现了更有效保护，提高了加工效率。，下面是采用填充焊丝的窄间隙铝合金激光焊接方法专利的具体信息内容。
技术领域
一种采用填充焊丝的窄间隙铝合金激光焊接方法属于激光材料 加工技术领域。
背景技术
铝及其合金是有色金属中用途最广的轻金属之一。它具有密度 小、重量轻、比强度高、导电与导热性好且具有较好的耐腐蚀性、无磁性、良 好的成型性、低温性能，随着航空、航海、汽车工业的发展；石油化 工、电信和原子能及空间技术等新兴工业的崛起，铝合金的使用量在 日益增加，因而在国民经济中占有很重要的地位。
在飞机、汽车和机车车辆等制造业中，高强铝合金主要是作为薄 壁结构使用的。长期以来，这些行业中铝合金板材结构的主要连接直 到目前仍然使用落后的加工工艺—铆接。就其原因，主要是传统的焊 接方法(如火焰、电弧、等离子体等)热源是发散的，能量密度较低， 而铝合金的导热性又极强，因此焊接速度低，热输入量大，造成焊接 接头性能较差，而铝合金大的热膨胀系数又使得焊接结构的变形量 大。
与传统的焊接热源不同，激光具有优良的传输和聚焦特性，经过 聚焦镜组后可以将全部能量集中一点。因此，激光焊接可以使用最少 的能量作用于最小的区域。由于能量高度集中，因此作用时间也大大 缩短，即加工速度大大提高，从而得到极其细小的焊缝组织，并且近 缝区的热影响最小。同时保证了焊接接头具有很好的性能，焊接结构 的变形也很小。
但是，铝合金的激光焊接在八十年代初期还被认为是不可能的， 这主要是由于铝合金对激光的高反射和自身的高导热性，使得铝合金 对激光的吸收率低，焊缝成型差。除此之外，铝合金的激光焊接还存 在其他一些难点：
1)因其电离能低，焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展，焊接 过程稳定差。
2)铝合金属于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固条件下更容易 产生热裂纹；
3)由于激光焊接的冷却速度太快，气泡不易上浮析出，容易产生气孔。
4)液态铝合金流动性良好、表面张力低，焊接过程的不稳定造成焊 接熔池剧烈振荡，容易出现咬边、焊缝成型不连续，严重时造成小孔 突然闭合而在焊缝产生直径较大的工艺孔洞或小孔在闭合前由向外 喷发的等离子体将液态金属吹出熔池而形成孔洞。
随着针对铝合金激光焊接的研究越来越多，大量激光焊接开始应 用于许多领域。但是随着铝合金焊接厚度的增加，所需激光功率增大， 金属表面在高能密度激光作用下瞬间气化形成致密的等离子体，它对 激光具有屏蔽作用，使得焊接过程难于保证，由于焊接过程的不稳定 造成焊接缺陷成为厚板(≥2mm)铝合金激光焊接的主要问题。
填充焊丝的使用，能对等离子体进行有效地干预，改善对激光的 吸收情况，使得整个焊接过程稳定，获得均匀的无缺陷焊缝，同时， 填充材料的使用有效地阻止了裂纹的形成，改善了焊缝的性能。
但是随着铝合金板焊接厚度的增大，其熔深增大，而焊丝又不能 深入到焊缝内部，由于在一定的焊接条件下存在最佳的送丝参数，那 些对热裂纹非常敏感的高强铝合金，采用填充焊丝往往不能提供足够 的填充材料，特别是当焊接速度较高或着板厚较大时焊接熔池中母材 与焊丝材料混和不均匀，在焊缝下部也会产生热裂纹。并且，小孔的 深度加大，小孔周围受到的来自于熔池对它的压力增大，这就使小孔 在焊接过程中更加难于维持稳定，从而造成焊接过程的不稳定，甚至 使厚板焊接无法进行。
由于铝合金激光焊接一次性焊接深度有限，对于一些超大厚度 (≥15mm)的铝合金，很难实现有效联接。通常对于超大厚度的铝 合金焊接，一般采用开坡口或预留一定窄间隙的多层填丝激光焊接的 工艺方法。填充焊丝的高强铝合金激光焊接质量有赖于焊丝的对位精 度和对焊接过程的有效保护，焊丝送进过程的干扰会立即导致焊缝缺 陷的产生，不恰当的送气方式也会使得焊接过程的稳定性难于保证， 同时，保护效果变差，焊缝中会有大量气孔产生。传统的焊接方法， 由于受到间隙或坡口的限制，送丝和送气的稳定性都会受到影响，使 焊接质量变差。
针对目前大厚度铝合金板材激光焊接存在的诸多上述难点，我们 发明了一种激光焊接方法：采用填充焊丝、光致等离子体控制气和熔 池保护气体同轴垂直送进、激光束倾斜入射，用千瓦级激光器成功实 现了大厚板铝合金的窄间隙激光多层焊接，并且能够完全避免了高强 铝合金厚板激光焊接裂纹。
在飞机、汽车和机车车辆等制造业中，高强铝合金主要是作为薄 壁结构使用的。长期以来，这些行业中铝合金板材结构的主要连接直 到目前仍然使用落后的加工工艺—铆接。就其原因，主要是传统的焊 接方法(如火焰、电弧、等离子体等)热源是发散的，能量密度较低， 而铝合金的导热性又极强，因此焊接速度低，热输入量大，造成焊接 接头性能较差，而铝合金大的热膨胀系数又使得焊接结构的变形量 大。
与传统的焊接热源不同，激光具有优良的传输和聚焦特性，经过 聚焦镜组后可以将全部能量集中一点。因此，激光焊接可以使用最少 的能量作用于最小的区域。由于能量高度集中，因此作用时间也大大 缩短，即加工速度大大提高，从而得到极其细小的焊缝组织，并且近 缝区的热影响最小。同时保证了焊接接头具有很好的性能，焊接结构 的变形也很小。
但是，铝合金的激光焊接在八十年代初期还被认为是不可能的， 这主要是由于铝合金对激光的高反射和自身的高导热性，使得铝合金 对激光的吸收率低，焊缝成型差。除此之外，铝合金的激光焊接还存 在其他一些难点：
1)因其电离能低，焊接过程中光致等离子体易于过热和扩展，焊接 过程稳定差。
2)铝合金属于典型的共晶合金，在激光焊接快速凝固条件下更容易 产生热裂纹；
3)由于激光焊接的冷却速度太快，气泡不易上浮析出，容易产生气孔。
4)液态铝合金流动性良好、表面张力低，焊接过程的不稳定造成焊 接熔池剧烈振荡，容易出现咬边、焊缝成型不连续，严重时造成小孔 突然闭合而在焊缝产生直径较大的工艺孔洞或小孔在闭合前由向外 喷发的等离子体将液态金属吹出熔池而形成孔洞。
随着针对铝合金激光焊接的研究越来越多，大量激光焊接开始应 用于许多领域。但是随着铝合金焊接厚度的增加，所需激光功率增大， 金属表面在高能密度激光作用下瞬间气化形成致密的等离子体，它对 激光具有屏蔽作用，使得焊接过程难于保证，由于焊接过程的不稳定 造成焊接缺陷成为厚板(≥2mm)铝合金激光焊接的主要问题。
填充焊丝的使用，能对等离子体进行有效地干预，改善对激光的 吸收情况，使得整个焊接过程稳定，获得均匀的无缺陷焊缝，同时， 填充材料的使用有效地阻止了裂纹的形成，改善了焊缝的性能。
但是随着铝合金板焊接厚度的增大，其熔深增大，而焊丝又不能 深入到焊缝内部，由于在一定的焊接条件下存在最佳的送丝参数，那 些对热裂纹非常敏感的高强铝合金，采用填充焊丝往往不能提供足够 的填充材料，特别是当焊接速度较高或着板厚较大时焊接熔池中母材 与焊丝材料混和不均匀，在焊缝下部也会产生热裂纹。并且，小孔的 深度加大，小孔周围受到的来自于熔池对它的压力增大，这就使小孔 在焊接过程中更加难于维持稳定，从而造成焊接过程的不稳定，甚至 使厚板焊接无法进行。
由于铝合金激光焊接一次性焊接深度有限，对于一些超大厚度 (≥15mm)的铝合金，很难实现有效联接。通常对于超大厚度的铝 合金焊接，一般采用开坡口或预留一定窄间隙的多层填丝激光焊接的 工艺方法。填充焊丝的高强铝合金激光焊接质量有赖于焊丝的对位精 度和对焊接过程的有效保护，焊丝送进过程的干扰会立即导致焊缝缺 陷的产生，不恰当的送气方式也会使得焊接过程的稳定性难于保证， 同时，保护效果变差，焊缝中会有大量气孔产生。传统的焊接方法， 由于受到间隙或坡口的限制，送丝和送气的稳定性都会受到影响，使 焊接质量变差。
针对目前大厚度铝合金板材激光焊接存在的诸多上述难点，我们 发明了一种激光焊接方法：采用填充焊丝、光致等离子体控制气和熔 池保护气体同轴垂直送进、激光束倾斜入射，用千瓦级激光器成功实 现了大厚板铝合金的窄间隙激光多层焊接，并且能够完全避免了高强 铝合金厚板激光焊接裂纹。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于大厚度的铝合金激光焊接方 法。本方法通过改变激光、焊丝和保护气的输入方式，大大改善了焊 接过程的稳定性、对熔池实现了更有效保护，提高了加工效率。
本发明的技术方案参见附图(1)，采用填充焊丝的窄间隙铝合金 激光焊接方法，其特征在于：焊接前，接头处预留1～10mm大小的间 隙，激光与工件表面成30°～75°倾斜入射，焊丝垂直于工件表面 或与工件表面法线夹角为15°以内送入上述间隙中，激光束熔化焊丝 对该间隙进行填充，从而实现工件的联接。
以上所述的采用填充焊丝的窄间隙铝合金激光焊接方法，其特征 在于：与焊丝同轴输送保护气。
以上所述的采用填充焊丝的窄间隙铝合金激光焊接方法，其特征 在于：间隙的形式为带顿边的V型或U型坡口。
本发明的基本原理是：
工件联接处预留1～10mm大小的窄间隙，焊丝垂直于工件表面送 入间隙，激光倾斜入射熔化焊丝对窄间隙进行填充。焊接过程中产生 的大量等离子体，由于激光入射角度与工件表面成30°～75°，等 离子体的运动方向不与激光束同轴，等离子体对激光的入射状态影响 减弱，而焊丝与等离子运动方向几乎一致，如果选用合适的送丝送气 参数，通过焊丝和窄间隙两侧的母材对等离子体热量的吸收，就能更 有效地对等离子体形态进行干预，改善熔池对激光的吸收情况，使焊 接过程更稳定。
同时，填充焊丝抑止了细长突出支晶的生长，晶体组织得到细化， 避免了焊缝中热裂纹的产生。另外，同轴送丝送气的方式，使焊丝、 熔滴和熔池始终处在保护气和等离子体控制气中，焊接过程的稳定性 和保护效果都大大提高，焊缝中裂纹、气孔出现几率降低，焊接质量 得到很大提高。
而在对开带顿边的V型和U型的大厚度铝合金进行激光焊接时， 其所开坡口相对于送丝送气喷嘴较小，喷嘴不能进入坡口把焊丝直接 送达熔池。而要保证焊接过程熔滴过渡稳定，焊缝成形好，焊丝的直 线度非常重要。采用本发明的垂直送丝方式相对于一定角度的侧向送 丝减小了喷嘴出口到熔池的长度，这提高了焊丝的直线度和送丝的稳 定性，从而使焊接过程的稳定性增加，焊接质量得到提高。
对大厚度铝合金板进行多层激光焊接时，除第一层外，以后每层 焊缝的质量直接依赖于前一层焊接层质量的好坏，每一层焊接表面的 不平整，都会造成后一层焊缝成形不好。对于开窄间隙的大厚度铝合 金板焊接，由于一次激光焊接铝合金板深度有限，通常需要进行多层 焊接，常用的焊接方法焊接质量较差，焊接稳定性难于控制，加工效 率低。本发明综合上述诸多优点，焊接过程稳定性大大增强，焊接质 量得到很大提高，最终获得均匀无缺陷焊缝，提高了加工效率。
附图说明：
图1：采用窄间隙的填充焊丝的激光铝合金焊接方法示意图，1、 激光束2、焊丝3、熔池4、焊缝5、保护气体6、窄间隙7、 焊接工件8、送气送丝喷嘴
图2：本发明中工件所开坡口截面图：9.U形坡口10.顿边
图3：采用常用的激光垂直入射，焊丝和保护气体倾斜输入的焊接 方法，焊接铝合金焊缝截面成型图。
图4：采用本发明方法焊接铝合金焊缝表面成型图。
图5：采用本发明方法焊接铝合金实物外观图。
图6：采用本发明方法焊接铝合金焊缝截面成型图。
本发明的技术方案参见附图(1)，采用填充焊丝的窄间隙铝合金 激光焊接方法，其特征在于：焊接前，接头处预留1～10mm大小的间 隙，激光与工件表面成30°～75°倾斜入射，焊丝垂直于工件表面 或与工件表面法线夹角为15°以内送入上述间隙中，激光束熔化焊丝 对该间隙进行填充，从而实现工件的联接。
以上所述的采用填充焊丝的窄间隙铝合金激光焊接方法，其特征 在于：与焊丝同轴输送保护气。
以上所述的采用填充焊丝的窄间隙铝合金激光焊接方法，其特征 在于：间隙的形式为带顿边的V型或U型坡口。
本发明的基本原理是：
工件联接处预留1～10mm大小的窄间隙，焊丝垂直于工件表面送 入间隙，激光倾斜入射熔化焊丝对窄间隙进行填充。焊接过程中产生 的大量等离子体，由于激光入射角度与工件表面成30°～75°，等 离子体的运动方向不与激光束同轴，等离子体对激光的入射状态影响 减弱，而焊丝与等离子运动方向几乎一致，如果选用合适的送丝送气 参数，通过焊丝和窄间隙两侧的母材对等离子体热量的吸收，就能更 有效地对等离子体形态进行干预，改善熔池对激光的吸收情况，使焊 接过程更稳定。
同时，填充焊丝抑止了细长突出支晶的生长，晶体组织得到细化， 避免了焊缝中热裂纹的产生。另外，同轴送丝送气的方式，使焊丝、 熔滴和熔池始终处在保护气和等离子体控制气中，焊接过程的稳定性 和保护效果都大大提高，焊缝中裂纹、气孔出现几率降低，焊接质量 得到很大提高。
而在对开带顿边的V型和U型的大厚度铝合金进行激光焊接时， 其所开坡口相对于送丝送气喷嘴较小，喷嘴不能进入坡口把焊丝直接 送达熔池。而要保证焊接过程熔滴过渡稳定，焊缝成形好，焊丝的直 线度非常重要。采用本发明的垂直送丝方式相对于一定角度的侧向送 丝减小了喷嘴出口到熔池的长度，这提高了焊丝的直线度和送丝的稳 定性，从而使焊接过程的稳定性增加，焊接质量得到提高。
对大厚度铝合金板进行多层激光焊接时，除第一层外，以后每层 焊缝的质量直接依赖于前一层焊接层质量的好坏，每一层焊接表面的 不平整，都会造成后一层焊缝成形不好。对于开窄间隙的大厚度铝合 金板焊接，由于一次激光焊接铝合金板深度有限，通常需要进行多层 焊接，常用的焊接方法焊接质量较差，焊接稳定性难于控制，加工效 率低。本发明综合上述诸多优点，焊接过程稳定性大大增强，焊接质 量得到很大提高，最终获得均匀无缺陷焊缝，提高了加工效率。
附图说明：
图1：采用窄间隙的填充焊丝的激光铝合金焊接方法示意图，1、 激光束2、焊丝3、熔池4、焊缝5、保护气体6、窄间隙7、 焊接工件8、送气送丝喷嘴
图2：本发明中工件所开坡口截面图：9.U形坡口10.顿边
图3：采用常用的激光垂直入射，焊丝和保护气体倾斜输入的焊接 方法，焊接铝合金焊缝截面成型图。
图4：采用本发明方法焊接铝合金焊缝表面成型图。
图5：采用本发明方法焊接铝合金实物外观图。
图6：采用本发明方法焊接铝合金焊缝截面成型图。
具体实施方式
以下为本发明的实施例与效果比较。
实验采用CO2激光器参数为：波长10.6μm，功率3500W。
实验所用铝合金材料为：2219，板厚：20mm。
窄间隙形式：带顿边双面对称U形坡口，顿边大小：4mm，U形坡 口大小：3mm。
激光入射角度：30°，焊丝和保护气同轴垂直于工件表面送入窄 间隙。
图3与图6为在CO2激光器焊接铝合金2219，CO2激光器参数为以上 条件，工件预留窄间隙、焊接速度、送丝速度和保护气流量相同的条 件下，采用常用的激光垂直入射，焊丝和保护气体与工件表面成45°倾 斜输入的焊接方法和采用本发明的焊接方法的焊缝截面成型图比较。 图4、图5为采用本发明焊接铝合金2219焊缝表面成型图和焊缝尺寸大 小图。由图3可以看出，采用通常用的焊接方法所得焊缝的气孔比较 多，焊接质量差。由图6可以看出，采用本发明所得焊缝的气孔明显 减少，无裂纹，焊接质量得到很大提高。由图4可以看出，焊缝表面 光滑，平整度好，说明本发明焊接过程稳定；由图5可以看出，本发明 焊接厚度可达20mm。
实验采用CO2激光器参数为：波长10.6μm，功率3500W。
实验所用铝合金材料为：2219，板厚：20mm。
窄间隙形式：带顿边双面对称U形坡口，顿边大小：4mm，U形坡 口大小：3mm。
激光入射角度：30°，焊丝和保护气同轴垂直于工件表面送入窄 间隙。
图3与图6为在CO2激光器焊接铝合金2219，CO2激光器参数为以上 条件，工件预留窄间隙、焊接速度、送丝速度和保护气流量相同的条 件下，采用常用的激光垂直入射，焊丝和保护气体与工件表面成45°倾 斜输入的焊接方法和采用本发明的焊接方法的焊缝截面成型图比较。 图4、图5为采用本发明焊接铝合金2219焊缝表面成型图和焊缝尺寸大 小图。由图3可以看出，采用通常用的焊接方法所得焊缝的气孔比较 多，焊接质量差。由图6可以看出，采用本发明所得焊缝的气孔明显 减少，无裂纹，焊接质量得到很大提高。由图4可以看出，焊缝表面 光滑，平整度好，说明本发明焊接过程稳定；由图5可以看出，本发明 焊接厚度可达20mm。
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