铝/钢异种金属低功率激光耦合DP-MIG熔钎焊方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及
焊接技术领域，特别涉及一种铝/钢异种金属低功率激光耦合DP-MIG熔钎焊方法。
背景技术
[0002] 铝
合金和钢
铁作为现代制造业中两种非常重要的
基础结构材料，在航空航天、
汽车工业、轨道交通、
船舶与海洋装备、国防军工等高端制造领域发挥着无可替代的作用。铝钢异种金属连接技术一直是焊接领域的研究热点与技术难点，实现铝钢异种金属高质高效连接，形成高性能铝钢复合结构，这对于满足特殊生产需求、简化装备设计、降低产品成本、实现结构优化等具有重要的工程意义与实用价值。然而，由于两者的熔点、热导率、互溶性等属性差异巨大，致使铝钢异种金属在焊接过程中存在金属间化合物脆化、气孔率高、裂纹、残余应
力等
缺陷，尤其是金属间化合物的大量存在，严重降低了铝钢焊接接头的力学性能，目前已成为制约铝钢复合结构广泛应用的技术
瓶颈之一。
[0003] 针对铝钢异种金属焊接技术难点，采用
熔焊工艺，因铝钢之间的大量混合，在整个接头区域弥散着大量金属间化合物，大大降低了焊接
质量，往往难以获得满意的接头强度。若采用固相焊工艺，虽可提高焊接接头强度，但这类焊接方法对
工件结构要求严格，很难实现不等厚度铝钢复合结构的对接或搭接焊接，加之可操作性差、焊接时间长、且需要不同的工装夹具，导致其使用空间也十分有限。因此，需要提出一种可靠性强且适用性广泛的铝钢异种金属焊接新工艺。
[0004] 熔钎焊是近年来发展的一种新工艺，即低熔点金属和填充材料形成熔焊接头，高熔点金属形成钎焊接头，从而减少异种金属之间的大量混合，目前已广泛应用于铝钢复合结构的焊接过程。激光-
电弧熔钎焊技术集中了激光熔-钎焊与电弧熔-钎焊的优点，并相互弥补了各自的局限，具有焊接速度快、适用性强、
焊缝成形良好等优点，因而这一技术引起了国内外学者的广泛关注。目前，激光-电弧熔钎焊主要以高功率激光(4kW以上)和电弧(MIG/MAG、TIG)耦合为主，但焊接过程中存在很多问题，一方面，因
铝合金对激光反射率极高，导致激光
能量利用率非常低，
能源损耗十分严重，铝合金侧熔焊接头气孔率仍然维持在较高
水平，同时，高功率激光-电弧复合焊接的热输入量很高且不稳定，促进了
金属化合物层的生长，很难有效控制金属间化合物层的厚度；另一方面，接头湿润性与铺展性同接头力学性能密切相关，高功率激光
等离子体同
电弧等离子体形成剧烈反作用，造成接头湿润性与铺展性差，因而导致力学性能大幅降低。
[0005] 针对上述存在的问题，有必要提供一种低能耗、高性能的铝钢异种金属熔钎焊新工艺。
发明内容
[0006] 本发明提供了一种铝/钢异种金属低功率激光耦合DP-MIG熔钎焊方法，其目的是为了降低能耗的同时提高接头湿润与铺展性、提高接头强度、降低气孔发生率和裂纹敏感性。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] 一种铝/钢异种金属低功率激光耦合DP-MIG熔钎焊方法，包括如下步骤：
[0009] (1)对待焊接的铝合金和钢材进行打磨、清洗和固定；
[0010] (2)将固定后的铝合金和钢材作为
母材进行焊接，具体为：
[0011] S1、设置复合方式和焊接
位置：采用低功率激光耦合DP-MIG电弧的方式对铝合金和钢材进行焊接；
激光束中心线、电弧
焊枪中心线与焊接方向处于同一平面，激光在前、电弧在后；激光电弧热源间距为0～2mm；
[0012] S2、设置激光入射
角度与激光参数：激光垂直入射，激光光束与母材夹角为90°，激光离焦量为0～-4mm；激光功率为200W～800W；
[0013] S3、设置
电弧焊枪角度与电弧参数：电弧焊枪同母材夹角为30°～60°；直流双脉冲
熔化极惰性气体保护焊的高能量脉冲平均焊接
电流为100A～250A，低能量脉冲平均电流为10A～100A；低能量脉冲
频率2Hz～6Hz；
[0014] S4、确定保护气体与
焊丝：保护气体为惰性气体，焊丝为铝
硅或铝镁焊丝；
[0015] S5、以0.1m/min～1m/min的焊接速度进行焊接。
[0016] 优选地，所述铝合金为5052铝合金；所述钢材为热成型钢22MnB5。
[0017] 优选地，所述打磨具体为用
砂纸对母材表面进行打磨，去除表面杂质、油污和
氧化层；所述清洗具体为对打磨后的母材用酒精进行清洗。
[0018] 优选地，当进行对接熔钎焊时，激光热源与电弧热源距离母材边缘的偏移量为0～1mm；当进行搭接熔钎焊时，激光热源与电弧热源距离母材边缘的偏移量为0～2mm。
[0019] 优选地，所述激光利用连续型光纤
激光器产生，所述激光的
波长为1070nm。
[0020] 优选地，所述惰性气体为纯氩气、纯氦气，或氩气和氦气的混合气体；气体流量为10L/min～30L/min。
[0021] 优选地，所述焊丝直径为0.8mm～2mm；送丝速度为1～10m/min。
[0022] 本发明提供的熔钎焊方法采用激光在前、电弧在后，激光电弧热源间距为0～2mm，选择该热源间距有利于激光诱导等离子体与DP-MIG电弧等离子体的相互作用。若超出上述间距范围，则激光诱导等离子体与DP-MIG电弧等离子体相互作用的区域越来越少，耦合效果越来越差。
[0023] 本发明提供的熔钎焊方法采用连续型激光垂直入射，激光光束与母材夹角为90°，激光离焦量为0～-4mm。本发明中铝板厚度在5mm以下，离焦量取0～-4mm是为了保证铝合金足够的熔融量，有利于铝在钢表面形成大的铺展面积。
[0024] 本发明提供的熔钎焊方法采用电弧焊枪同母材夹角为30°～60°，焊接过程随着工况的不同，夹角在该范围内做不同的调整。
[0025] 本发明提供的熔钎焊方法进行对接熔钎焊时偏移量为0～1mm，偏移量过大(>1mm)，会导致焊接质量明显下降，甚至出现未焊合的现象。
[0026] 本发明提供的熔钎焊方法进行搭接熔钎焊时偏移量为0～2mm，这是因为钢板在下面，铝板在上面，熔融的铝合金会在钢板表面形成铺展，适当增加偏移量可以增加铝合金的熔融量，从而增加了铝在钢表面的铺展面积。
[0027] 本发明的上述方案有如下的有益效果：
[0028] 本发明提供的熔钎焊方法兼具了激光熔钎焊与电弧熔钎焊的优点，适用性与可靠性强。当进行对接熔钎焊时，单面焊双面成型，能够实现包括不等厚度对接形式与搭接形式等各类复杂结构焊接。
[0029] 本发明提供的熔钎焊方法采用低功率激光，较低的热输入量抑制了金属间化合物层的生长。一方面，低功率激光意味着低热输入量，能耗更低；不仅如此，与高功率激光电弧焊相比，低功率激光(小于1000W)对电弧具有更强的诱导增强作用；另一方面，直流双脉冲熔化极惰性气体保护焊(Double pulse metal inert gas welding，DP-MIG)通过周期性的高能量脉冲与低能量脉冲交替变化，从而减少了焊接热输入量；综合两个方面，较低的热输入量有利于抑制金属间化合物层的生长，有效减小金属间化合物层的厚度，提高了铝钢异种金属焊接接头强度。
[0030] 众所周知，接头湿润性与铺展性同接头力学性能密切相关。本发明使用的低功率激光引导并稳定DP-MIG电弧，减少了激光等离子体与电弧等离子体反作用程度，有利于提高接头湿润与铺展性，从而提高接头强度。
[0031] 本发明提供的熔钎焊方法焊缝的晶粒细化，气孔率低，裂纹敏感性低。这是因为直流双脉冲熔化极惰性气体保护焊(DP-MIG)通过周期性的高能量脉冲与低能量脉冲交替变化，通过低能量脉冲对高能量脉冲进行调节，类似于一个电弧力周期性“振动”，从而实现晶粒细化与枝晶
破碎，同时，
对焊接熔池形成一定的搅动作用，形成
湍流加速熔池气泡的溢出，降低了气孔发生率和裂纹敏感性。
附图说明
[0032] 图1为本发明铝/钢异种金属低功率激光耦合DP-MIG电弧对接熔钎焊工艺示意图。
[0033] 图2为本发明铝/钢异种金属低功率激光耦合DP-MIG电弧搭接熔钎焊工艺示意图。
[0034] 附图标记说明：1、铝合金；2、钢材；3、DP-MIG焊枪；4、激光束；α为电弧焊枪与母材的夹角；d为热源间距；b为偏移量。
具体实施方式
[0035] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体
实施例进行详细描述。
[0036] 实施例1
[0037] 采用低功率激光耦合DP-MIG电弧的方式对铝合金和钢材进行焊接，母材为5052铝合金与超高强热成型钢22MnB5，铝合金厚度为1.5mm，热成型钢22MnB5厚度为1.3mm，焊接接头形式为对接接头。
[0038] 焊前，采用砂纸对铝合金和热成型钢表面进行打磨，以去除表面杂质、油污及氧化层，并使用酒精进行清洗，之后通过夹具进行固定。
[0039] 激光与DP-MIG电弧采用旁轴耦合，焊接过程中激光在前、电弧在后，激光束与焊接母材入射夹角为90°，激光功率为600W，激光电弧热源间距d(焊丝伸长线同母材交点到激光在母材上作用点之间的间距)为0.5mm，偏移量b为0.6mm，电弧焊枪与焊接母材夹角α为45°，高能量脉冲群平均电流为120A，低能量脉冲群平均电流60A，低能量脉冲频率2.5Hz，焊接速度为0.8m/min，保护气体为氩气，气体流量为12L/min，焊丝型号采用ER4303，送丝速度为2.4m/min，直径为1.2mm。
[0040] 实施例2
[0041] 采用低功率激光耦合DP-MIG电弧的方式对铝合金和钢材进行焊接，母材为5052铝合金与超高强热成型钢22MnB5，铝合金厚度为2.2mm，热成型钢22MnB5厚度为1.8mm，焊接接头形式为对接接头。
[0042] 焊前，采用砂纸对铝合金和热成型钢表面进行打磨，以去除表面杂质、油污及氧化层，并使用酒精进行清洗，之后通过夹具进行固定。
[0043] 激光与DP-MIG电弧采用旁轴耦合，焊接过程中激光在前、电弧在后，激光束与焊接母材入射夹角为90°，激光功率为800W，激光电弧热源间距d(焊丝伸长线同母材交点到激光在母材上作用点之间的间距)为2mm，偏移量b为1mm，电弧焊枪与焊接母材夹角α为60°，高能量脉冲群平均电流为250A，低能量脉冲群平均电流100A，低能量脉冲频率6Hz，焊接速度为1m/min，保护气体为氦气，气体流量为30L/min，焊丝型号采用ER4303，送丝速度为10m/min，直径为1.5mm。
[0044] 实施例3
[0045] 采用低功率激光耦合DP-MIG电弧的方式对铝合金和钢材进行焊接，母材为5052铝合金与TWIP980高强度钢，铝合金厚度为2mm，TWIP 980厚度为1.5mm，焊接接头形式为搭接接头。
[0046] 焊前，采用砂纸对铝合金和热成型钢表面进行打磨，以去除表面杂质、油污及氧化层，并使用酒精进行清洗，之后通过夹具进行固定。
[0047] 激光与DP-MIG电弧采用旁轴耦合，焊接过程中激光在前、电弧在后，激光束与焊接母材入射夹角为90°，激光功率为550W，激光电弧热源间距d(焊丝伸长线同母材交点到激光在母材上作用点之间的间距)为0.3mm，偏移量b为1mm，电弧焊枪与焊接母材夹角α为45°，高能量脉冲群平均电流为140A，低能量脉冲群平均电流为50A，低能量脉冲群频率为3Hz，焊接速度为0.7m/min，保护气体为氩气，气体流量为15L/min，焊丝型号采用ER4303，送丝速度为3m/min，直径为0.8mm。
[0048] 实施例4
[0049] 采用低功率激光耦合DP-MIG电弧的方式对铝合金和钢材进行焊接，母材为5052铝合金与TWIP980高强度钢，铝合金厚度为1.8mm，TWIP 980厚度为1.5mm，焊接接头形式为搭接接头。
[0050] 焊前，采用砂纸对铝合金和热成型钢表面进行打磨，以去除表面杂质、油污及氧化层，并使用酒精进行清洗，之后通过夹具进行固定。
[0051] 激光与DP-MIG电弧采用旁轴耦合，焊接过程中激光在前、电弧在后，激光束与焊接母材入射夹角为90°，激光功率为200W，激光电弧热源间距d(焊丝伸长线同母材交点到激光在母材上作用点之间的间距)为1mm，偏移量b为2mm，电弧焊枪与焊接母材夹角α为30°，高能量脉冲群平均电流为100A，低能量脉冲群平均电流为10A，低能量脉冲群频率为2Hz，焊接速度为0.1m/min，保护气体为氩气和氦气的混合气体，气体流量为10L/min，焊丝型号采用ER4303，送丝速度为1m/min，直径为2mm。
[0052] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
