CN101670495B - 中厚航天高强铝合金板的激光-tig电弧复合焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明是中厚航天高强铝合金板的激光-TIG电弧复合焊接工艺，属于焊接工程技术领域。本发明将非熔化极TIG电弧与由光纤激光束沿着焊接方向聚集在工件上同一焊接位置，共同形成一个熔池，焊接时激光束在前方，非熔化极TIG电弧在后方，激光束的焦点与工件之间的距离形式是正离焦，激光束与竖直方向的倾角为15°～17°，TIG电弧的钨极尖端与工件表面之间的垂直距离为3～5mm，TIG电弧的钨极尖端与激光束到工件表面的作用点之间的水平距离为3～5mm，TIG电弧的钨极尖端与工件水平方向的倾角为45°～55°。本发明不仅提高了激光能量的利用率，而且显著提高了焊接速度，减少了航天高强铝合金焊接接头的冶金性损伤。
Description
技术领域
本发明涉及焊接工程技术领域的一种复合热源的高效节能焊接技术，具体是一种针对中厚(4-8mm)航天高强铝合金板的激光-TIG电弧复合焊接工艺。
背景技术
自从上世纪五十年代起，大型航天焊接结构采用铝铜(Al-Cu)系高强铝合金材料，其中铜作为铝合金中的固熔沉淀强化元素，其他微量元素以金属间化合物形式分散存在，主要起控制和抑制再结晶时晶粒长大的作用。由于航天高强铝合金高反射率、大线膨胀系数和导热率、易产生难熔氧化膜和高气孔率等焊接性差的特点，近四十年来，其结构的拼焊依然广泛采用填丝TIG焊接工艺，而对该工艺固有的“低效、耗能、对材料损伤大、力学性能较低”等缺点一直未能根本解决。
1980年，英国伦敦帝国理工学院的W.M Steen教授在杂志《Journal ofApplied Physics》第51卷11期上，发表文章《Arc augmented laser processing ofmaterials》提出并进行试验研究的一种新型焊接技术——激光+电弧复合焊接方法，即通过激光与电弧这两种具有完全不同物理性质和能量传输机制的热源相互作用、相互加强而形成一种作用在同一焊接区域的高能效热源。激光-电弧复合焊接技术综合了激光和电弧各自的优点，具有激光焊接的高速性和电弧焊接良好的桥联性，通过激光与电弧的相互耦合的作用，焊接过程更加稳定，并且焊缝成型显著改善。经过国内外学者以及工程技术人员的研究和推广，这种焊接方法、机理等都得到了一定程度的认识。
但到目前为止，激光-电弧复合焊接技术都是采用CO2、YAG激光与连续的TIG、MIG/MAG(熔化极气体保护焊)、PAW(等离子弧焊)等通过旁轴或同轴方式相结合的方法焊接不同厚度的合金钢，以及薄板的铝镁系合金和镁铝合金等，而对于中厚度的航天高强铝合金材料还没有实现激光-TIG电弧复合的焊接方法。并且CO2气体激光器产生的激光波长为10.6μm(微米)，虽然光束质量好，但是对于高强铝合金具有很低的吸收率；而YAG激光器对于高强铝合金的吸收率稍高，但是其光束质量很差，因此若要实现中厚度的航天高强铝合金材料焊接，两种激光器所需能量都非常高，十分耗能。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种焊接中厚度航天高强铝合金的方法，该方法通过光纤激光器产生的激光束与直流脉冲TIG电弧的复合，不仅提高了激光能量的利用率，而且显著提高了焊接速度，减少了航天高强铝合金焊接接头的冶金性损伤。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明将非熔化极TIG电弧与由光纤激光器发出的激光束沿着焊接方向聚集在工件上同一焊接位置，共同形成一个熔池，焊接时，沿着焊接方向，激光束在前方，非熔化极TIG电弧在后方，并且激光束和非熔化极TIG电弧都与工件有一定的倾斜角度。所述TIG电弧的钨极尖端与工件表面之间的垂直距离，为3～5mm(毫米)，与激光束到工件表面的作用点之间的水平距离，为3～5mm，与工件水平方向的倾斜角度，为45°～55°。所述的激光束的热输入为80～200J/mm(焦耳每毫米)，其功率为2800～4000W(瓦)，其与竖直方向的倾斜角度为15°～17°，其焦点与工件之间的距离形式是正离焦，距离为0～+2mm。
所述TIG电弧采用直流脉冲正接方式，其基值电流为30～40A，峰值电流为70～120A，脉冲频率为100～300Hz。
所述光纤激光器内部镜面保护气体为氩气，气体流量为30L/min，所述TIG电弧，其保护气体为氦气，气体流量为10～15L/min，工件背面保护气体为氩气，气体流量为2～4L/min。
本发明的基本原理是：所述激光束采用光纤激光器，是由于相对于CO2、YAG激光器类型，在吸收率方面，光纤激光器产生的波长在1070～1080nm(纳米)范围内，从而有利于高强铝合金的吸收，并且是CO2气体激光器吸收率的2倍；在电光转换效率方面，光纤激光器是Nd:YAG的5倍，是CO2气体激光器的3倍，因此，采用光纤激光器将更加高效和节能。
所述激光束功率要能达到深熔焊的条件，其大小主要取决于工件的厚度和焊接速度；其与竖直方向有一定倾斜角度，则不会由于铝合金的高反射率而造成激光器的损坏；并且其焦点与工件之间的距离形式是正离焦，将有助于焊缝成形美观，且不易造成焊缝坍陷。
所述TIG电弧的钨极尖端与工件表面之间的垂直距离，要满足两个热源的复合作用，当过小时，焊枪过于接近工件，电弧长度过短，容易造成电极与熔池的接触，钨极被烧损和产生夹钨缺陷；TIG焊枪钨极尖端与工件表面之间的垂直距离过大时，电弧燃烧不稳，不易于激光进行耦合。
所述TIG电弧的钨极尖端与激光束到工件表面的作用点之间的水平距离，要满足两个热源的复合作用，当两者间距过小时会导致激光束对焊枪外层陶瓷套嘴的烧毁；当TIG焊枪钨极尖端与激光束作用点之间的水平距离过大时，则由于激光与电弧的距离过远而无法形成复合，激光对电弧起不到引导和约束的作用，电弧也无法稀释和调制激光。
所述TIG电弧的钨极尖端与工件水平方向的倾斜角度，有利于电弧对激光的调制和耦合作用。
所述TIG电弧采用直流脉冲正接方式，不仅解决了与连续电流的复合时，电弧等离子体对激光能量吸收和散射作用而造成的稳定性差问题，例如电弧窜高或者膨胀等现象，而且更有利于电弧对激光能量的调制作用，从而显著增强航天高强铝合金板对激光能量的吸收作用。其电流基值、峰值和脉冲频率取决于工件的厚度。厚度越大，速度越快，电流基值、电流峰值都应该相应的增加，从而保证激光-电弧能够更好的进行耦合。
在本发明中，进行焊接前，先要对高强铝合金材料进行机械或化学清理，从而减小气孔，以及由于表面油污等杂质造成的不好的焊接质量。然后，引燃TIG电弧，最后打开激光，使得激光照射工件表面形成的光致等离子体与电弧等离子体进行耦合，有效增大高强铝合金对激光能量的吸收作用，产生小孔效应，进行深熔焊接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明采用了光束质量极好、吸收率很高、安装维护方面的光纤激光器产生的激光束与直流脉冲电弧进行复合，不仅提高了激光能量的利用率，而且显著提高了焊接速度，减少了航天高强铝合金焊接接头的冶金性损伤。
相对于中厚航天高强铝合金板传统TIG电弧焊接工艺，本发明方法在实现同样熔透情况下，能达到较高综合力学性能的焊缝深宽比，并有效地提高了生产效率。
该方法显著提高激光能量的吸收率，增强激光的“小孔”效应，以较低的激光功率实现中厚航天高强铝合金板的对接焊接。
试验证明：该方法将焊接速度提高到传统TIG焊接的10倍(以上)，而且能将高强铝合金板对接焊缝的深宽比控制在1∶1之内，减小了焊缝热影响区范围和固溶强化的损伤，达到了良好的综合力学性能，极大地改善了传统的焊接工艺导致的“过时效”对焊接接头性能的不利影响，也明显减少了由单一激光的铝合金焊接接头气孔率高的缺点。不仅高效、节能，即此工艺方法下的热输入(激光热输入为80～200J/mm(焦耳/毫米)，TIG电弧热输入54～56J/mm)低于单独TIG电弧的热输入(2400～3000J/mm)和单独激光热输入(130～300J/mm)，而且有利于提高中厚度(4-8mm)航天高强铝合金板对接焊接工艺水平。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的光纤激光束与TIG直流脉冲电弧复合焊接工艺示意图
图中：1、TIG电弧的钨极，2、光纤激光束，3、工件，α、光纤激光束2与竖直方向的倾斜角度，β、TIG电弧的钨极1的尖端与工件3水平方向的倾斜角度，h、TIG电弧的钨极1的尖端与工件3表面之间的垂直距离，d、TIG电弧的钨极1的尖端与光纤激光束2到工件3表面的作用点之间的水平距离。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实例进行详细说明，本实例在本发明技术方法的前提下进行实施，给出了详细的实施方法和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。
本实例用于焊接尺寸(试板)为200mm×150mm×8mm(长×宽×厚)的航天高强铝铜系铝合金，焊接的接头形式为：对接、不开坡口、接头间隙≯0.2mm(毫米)。
如图1所示，将非熔化极TIG电弧与由光纤激光器发出的激光束沿着焊接方向聚集在工件上同一焊接位置，共同形成一个熔池，光纤激光束2在前方，非熔化极TIG电弧在后方。激光焦点与工件之间的距离形式是正离焦，其离焦量为+2mm。其中，TIG电弧的钨极1的尖端与工件3水平方向的倾斜角度β为50°；光纤激光束2与竖直方向的倾斜角度α为15°；TIG电弧的钨极1的尖端与工件3表面之间的垂直距离h为4.5mm；TIG电弧的钨极1的尖端与光纤激光束2到工件3表面的作用点之间的水平距离d为5mm。
焊接速度为1.2m/min(米/分钟)，激光功率为3860W(瓦)，激光的热输入为193J/mm(焦耳/毫米)，TIG电弧采用直流脉冲正接方式，其基值电流为30A(安培)，峰值电流为120A，频率为100Hz(赫兹)，占空比为50％。
光纤激光器内部镜面保护气体为氩气，气体流量为30L/min(升/分钟)，TIG电弧，其保护气体为氦气，气体流量为15L/min，工件背面保护气体为氩气，气体流量为3L/min。
在上述参数下，先对航天高强铝合金板焊前进行机械或者化学清理。然后引燃直流脉冲TIG电弧，最后打开激光，使得激光照射工件表面形成的光致等离子体与电弧进行耦合，发生交互作用，增大高强铝合金对激光能量的吸收作用，产生小孔效应，进行深熔焊接。
Claims (5)
1.一种中厚航天高强铝合金板的激光-TIG电弧复合焊接工艺，其特征在于：将非熔化极TIG电弧与由光纤激光器发出的激光束沿着焊接方向聚集在中厚度工件上同一焊接位置，共同形成一个熔池，焊接时，激光束在前方，非熔化极TIG电弧在后方，激光束的焦点与工件之间的距离形式是正离焦，距离为0～+2mm，激光束与竖直方向的倾斜角度为15°～17°，TIG电弧的钨极尖端与工件表面之间的垂直距离为3～5mm，所述TIG电弧的钨极尖端与激光束到工件表面的作用点之间的水平距离为3～5mm，所述TIG电弧的钨极尖端与工件水平方向的倾斜角度为45°～55°，所述的激光束的热输入为80～200J/mm；
所述的中厚是指合金板的厚度为4-8mm。
2.根据权利要求1所述的中厚航天高强铝合金板的激光-TIG电弧复合焊接工艺，其特征在于：所述激光束的功率为2800～4000W。
3.根据权利要求1所述的中厚航天高强铝合金板的激光-TIG电弧复合焊接工艺，其特征在于：所述TIG电弧采用直流脉冲正接方式。
4.根据权利要求1所述的中厚航天高强铝合金板的激光-TIG电弧复合焊接工艺，其特征在于：所述TIG电弧的基值电流为30～40A，峰值电流为70～120A，脉冲频率为100～300Hz。
5.根据权利要求1所述的中厚航天高强铝合金板的激光-TIG电弧复合焊接工艺，其特征在于：所述光纤激光器的内部镜面保护气体为氩气，气体流量为30L/min；所述TIG电弧的保护气体为氦气，气体流量为10～15L/min，工件背面保护气体为氩气，气体流量为2～4L/min。
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