CN107511584A - 一种马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法 - Google Patents

一种马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，属于焊接技术领域。所述方法包括：采用连续输出和匀速运动的摆动激光束进行焊接，其中，在焊接过程中，所述摆动激光束沿着一平行于焊接方向的轴前进，并且在前进时，所述摆动激光束以所述轴为对称轴发生摆动，以形成一运动路径，所述运动路径为由连续排列的多个“∞”型路径形成。本发明可有效避免马鞍形铝合金结构激光焊缝内部裂纹、气孔缺陷的出现，焊接形成的焊缝过度圆滑，焊缝综合力学性能优良。

Description

一种马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法。
背景技术
随着新型飞行器对远航程、高隐身能力要求的日益提高，异型截面结构被越来越多的采用。随着焊接技术、钣金成形技术及热成形/超塑成形技术的不断发展，越来越多的铆接构件、铸造构件逐渐被焊接构件所代替。同铆接、铸造构件相比，焊接构件具有工艺过程简单、生产周期短、重量轻和成本低等优点。
异型截面结构的大量采用，对原有航天航空制造工艺提出了很大的挑战。某飞行器产品中使用的马鞍形铝合金结构采用钣焊轻量化结构设计，其中端框、加强框等主体结构为机加件，零件尺寸精度较高；蒙皮组件为机加加钣金或钣金加焊接结构，零件尺寸精度较低。上述各类零件组装后进行焊接，最终形马鞍形铝合金结构。端框类主体结构为变形铝合金或热处理强化铝合金，钣金类蒙皮为变形铝合金。由于焊接结构较为复杂，焊接工艺流程较长，焊缝长度大，马鞍形铝合金结构焊接过程中存在的问题包括：蒙皮组件成形精度差，焊接变形导致后续零件装配困难，装配精度难以满足焊接装配要求；整体焊缝长度大，结构非对称，焊后变形较为严重；铝合金焊缝气孔问题较为突出；油箱焊接周期长，焊缝酸洗时间超标后难以再清理。
目前适用于马鞍形铝合金结构的焊接方法主要有氩弧焊、电子束焊、激光焊等。其中氩弧焊热输入高，焊后结构件变形严重，相比高能束焊接，焊接速度慢，效率低；电子束焊接具有焊接速度块、焊接热输入小、焊缝内部质量高等优点，但由于电子束焊接必须在真空环境下进行，难以实现自动化，焊接效率较低，且费用高，经济性差；激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、深宽比大、适应性强、易于实现自动化等优点，可以满足未来航空航天产品结构复杂多样的需求。但目前对异型截面结构，特别是轻量化钣焊结构的激光焊接的研究较少，缺乏控制铝合金结构件激光焊缝裂纹、气孔等缺陷的激光焊接工艺方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种可提高焊缝内部质量和外观质量的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法。
本发明的技术方案为：
一种马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，包括：采用连续输出和匀速运动的摆动激光束进行焊接，其中，在焊接过程中，所述摆动激光束沿着一平行于焊接方向的轴前进，并且在前进时，所述摆动激光束以所述轴为对称轴发生摆动，以形成一运动路径，所述运动路径为由连续排列的多个“∞”型路径形成。
优选的是，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，所述摆动激光束的摆动幅值为2～3mm，摆动频率为200～400Hz。
优选的是，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，采用光纤激光器进行焊接。
优选的是，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接时，激光功率为4～6kW，焊接速度为1.5～3m/min，离焦量为-3～+3mm。
优选的是，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接前，将距焊缝中心周围20～50mm范围内的氧化皮、油污清理干净，焊缝对接端面采用刮刀进行刮削，直至露出白亮色金属本体，然后采用丙酮擦拭干净。
优选的是，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接前，采用焊接工装对马鞍形铝合金结构进行装卡，使焊缝对接间隙不大于0.1mm，阶差不大于10％母材壁厚，装配后夹紧。
优选的是，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接过程中，采用惰性气体进行保护。
优选的是，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接过程中，采用99.99％的高纯氩气进行正反面保护，正面侧吹气流量为15～20L/min，背部保护气流量或内部保护气流量为4～6L/min。
本发明的有益效果为：
本发明在焊接马鞍形铝合金结构时，采用摆动激光束进行焊接，可有效避免焊缝内部裂纹、气孔缺陷的出现，焊接形成的焊缝过度圆滑，符合Q/SB 535-2013《铝合金激光焊接技术条件》标准中I级接头要求，焊缝综合力学性能优良。
附图说明
图1为本发明所述的马鞍形铝合金结构的结构示意图；
图2为本发明所述的一个“∞”型路径的示意图；
图3为本发明所述的运动路径(即焊接过程中激光束运动轨迹)的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明提供了一种马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，包括：采用连续输出和匀速运动的摆动激光束进行焊接，其中，在焊接过程中，所述摆动激光束沿着一平行于焊接方向的轴前进，并且在前进时，所述摆动激光束以所述轴为对称轴发生摆动，以形成一运动路径，所述运动路径为由连续排列的多个“∞”型路径形成(如图2和图3所示)。
本发明所述的马鞍形铝合金结构如图1所示。马鞍形铝合金结构采用钣焊轻量化结构，其中端框、加强框等主体结构为机加件，蒙皮组件为机加加钣金或钣金加焊接结构，上述各类零件组装后进行焊接，最终形马鞍形铝合金结构。端框类主体结构为变形铝合金或热处理强化铝合金，钣金类蒙皮为变形铝合金。
焊接过程中，采用摆动激光束进行焊接，摆动激光束沿着平行于焊接方向的轴前进，从而逐渐形成焊缝，完成焊接。在摆动激光束前进的过程中，其以上述轴(图2和图3中带箭头的线即为该轴，箭头所代表方向为激光束的前进方向)为对称轴发生摆动，从而形成运动路径。运动路径为由激光束在待焊接部位运动所形成的运动路径。具体地，激光器连续发射激光，在形成第一个“∞”型路径后激光器会沿着第一个“∞”型路径的一部分路径回到其最右端(即重复一部分路径)，以继续形成下一个“∞”型路径。即，激光束在焊接部位表面的运动路径由方向相互垂直的两种运动轨迹复合形成，本发明所述激光束摆动路径为“∞”型路径。(如图2和图3所示)。本发明有助于改善焊缝内部的质量，使焊缝内部无气孔无缺陷。
在摆动激光束移动的过程中，其始终保持连续输出，匀速运动。
具体地，采用激光振镜使激光束摆动，从而实现上述运动路径。
在一个优选的实施例中，为进一步改善焊缝内部的质量，以及改善焊缝的外观，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，激光束摆动的幅值为2～3mm，摆动频率为200～400Hz。
幅值为图2中所示的H代表的距离；摆动频率为单位时间内“∞”型路径的个数。
在一个优选的实施例中，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，采用光纤激光器进行焊接。
在一个优选的实施例中，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接时，激光功率为4～6kW，焊接速度为1.5～3m/min，离焦量为-3～+3mm。
激光功率、焊接速度以及离焦量需要根据被焊接工件的厚度进行设定。
在一个优选的实施例中，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接前，将距焊缝中心周围20～50mm范围内的氧化皮、油污清理干净，焊缝对接端面采用刮刀进行刮削，直至露出白亮色金属本体，然后采用丙酮擦拭干净，从而减少杂质对焊接质量的影响。
在一个优选的实施例中，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接前，采用焊接工装对马鞍形铝合金结构进行装卡，使焊缝对接间隙不大于0.1mm，阶差不大于10％母材壁厚，装配后夹紧。
在一个优选的实施例中，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接过程中，采用惰性气体进行保护。
在一个优选的实施例中，所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法中，焊接过程中，采用99.99％的高纯氩气进行正反面保护，正面侧吹气流量为15～20L/min，背部保护气流量或内部保护气流量为4～6L/min。
焊缝收弧时采用震荡衰减的锯齿形波收弧，以保证焊缝的质量。
为进一步说明本发明技术方案的技术效果，现提供以下实施例。
实施例一
激光焊接前将距离焊缝中心(20～50)mm范围内的氧化皮、油污等杂质清理干净；焊接时，激光功率P为4400W，激光束摆动路径为“∞”型路径，摆动幅值H为2mm，摆动频率为300Hz，焊接速度v为1.8m/min，光斑直径D为0.3mm，离焦量1为0mm。采用99.99％的高纯氩气进行正面保护，正面气体流量为16L/min，结构件内部通高纯氩气进行反面保护，反面气体流量为6L/min。
焊接结果表明：焊缝表面成形良好，无气孔，无裂纹、凹陷、咬边等缺陷。焊缝常温平均抗拉强度可达305MPa，平均断后伸长率为7.0％。接头焊缝质量达到Q/SB 535-2013《铝合金激光焊接技术条件》标准I级焊缝要求。
实施例二
激光焊接前将距离焊缝中心(20～50)mm范围内的氧化皮、油污等杂质清理干净；焊接时，激光功率P为5200W，激光束摆动路径为“∞”型路径，摆动幅值H为3mm，摆动频率为200Hz，焊接速度v为1.8m/min，光斑直径D为0.3mm，离焦量1为0mm。采用99.99％的高纯氩气进行正面保护，正面气体流量为16L/min，结构件内部通高纯氩气进行反面保护，反面气体流量为6L/min。
焊接结果表明：焊缝表面成形良好，无气孔，无裂纹、凹陷、咬边等缺陷。焊缝常温平均抗拉强度可达298MPa，平均断后伸长率为7.2％。接头焊缝质量达到Q/SB 535-2013《铝合金激光焊接技术条件》标准I级焊缝要求。
实施例三
激光焊接前将距离焊缝中心(20～50)mm范围内的氧化皮、油污等杂质清理干净；焊接时，激光功率P为4400W，焊接速度v为1.8m/min，光斑直径D为0.3mm，离焦量1为0mm。采用99.99％的高纯氩气进行正面保护，正面气体流量为15L/min，结构件内部通高纯氩气进行反面保护，反面气体流量为4L/min。激光束摆动频率400Hz，幅值2mm。
焊接结果表明：焊缝表面成形良好，无气孔，无裂纹、凹陷、咬边等缺陷。焊缝常温平均抗拉强度可达298MPa，平均断后伸长率为7.3％。接头焊缝质量达到Q/SB 535-2013《铝合金激光焊接技术条件》标准I级焊缝要求。
实施例四
激光焊接前将距离焊缝中心(20～50)mm范围内的氧化皮、油污等杂质清理干净；焊接时，激光功率P为4400W，焊接速度v为1.8m/min，光斑直径D为0.3mm，离焦量1为0mm。采用99.99％的高纯氩气进行正面保护，正面气体流量为20L/min，结构件内部通高纯氩气进行反面保护，反面气体流量为6L/min。激光束摆动频率200Hz，幅值2mm。
焊接结果表明：焊缝表面成形良好，无气孔，无裂纹、凹陷、咬边等缺陷。焊缝常温平均抗拉强度可达310MPa，平均断后伸长率为7.9％。接头焊缝质量达到Q/SB 535-2013《铝合金激光焊接技术条件》标准I级焊缝要求。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，其特征在于，包括：采用连续输出和匀速运动的摆动激光束进行焊接，其中，在焊接过程中，所述摆动激光束沿着一平行于焊接方向的轴前进，并且在前进时，所述摆动激光束以所述轴为对称轴发生摆动，以形成一运动路径，所述运动路径为由连续排列的多个“∞”型路径形成。
2.如权利要求1所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，其特征在于，所述摆动激光束的摆动幅值为2～3mm，摆动频率为200～400Hz。
3.如权利要求1所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，其特征在于，采用光纤激光器进行焊接。
4.如权利要求2所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，其特征在于，焊接时，激光功率为4～6kW，焊接速度为1.5～3m/min，离焦量为-3～+3mm。
5.如权利要求1所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，其特征在于，焊接前，将距焊缝中心周围20～50mm范围内的氧化皮、油污清理干净，焊缝对接端面采用刮刀进行刮削，直至露出白亮色金属本体，然后采用丙酮擦拭干净。
6.如权利要求1所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，其特征在于，焊接前，采用焊接工装对马鞍形铝合金结构进行装卡，使焊缝对接间隙不大于0.1mm，阶差不大于10％母材壁厚，装配后夹紧。
7.如权利要求1所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，其特征在于，焊接过程中，采用惰性气体进行保护。
8.如权利要求7所述的马鞍形铝合金结构激光焊接工艺方法，其特征在于，焊接过程中，采用99.99％的高纯氩气进行正反面保护，正面侧吹气流量为15～20L/min，背部保护气流量或内部保护气流量为4～6L/min。
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