CN108723596A - 一种提高铝合金激光焊接头性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高铝合金激光焊接头性能的方法，包括以下步骤：A、在待焊接的铝合金板的焊接面上开设凹槽；B、将TiB2粒子加入凹槽中，然后将两块含有TiB2粒子的待焊接的铝合金板拼接；C、对步骤B拼接的铝合金板的焊缝进行激光焊接，即可。本发明依靠激光焊接过程中小孔对熔池的搅拌作用，将预制的TiB2粒子均匀分布在焊缝中，依靠TiB2粒子对铝合金的强化作用，从而达到增加接头强度的目的，使得焊接接头强度获得显著提高，甚至超越母材性能。

Description

一种提高铝合金激光焊接头性能的方法
技术领域
本发明属于铝合金激光焊接领域，主要涉及铸造铝合金的对接焊导致的焊缝强度不够或其他性能不满足要求时所采用的一种提高焊缝性能的方法，具体涉及一种提供铝合金激光焊接头性能的方法。
背景技术
激光焊接铝合金时，由于铝合金表面氧化膜极易吸收水分，导致焊接过程中容易形成氢气孔；另外，铝合金表面张力较大，密度小，激光焊接时熔池震荡保护气体容易进入熔池，且很难逸出，导致焊缝中形成气孔缺陷。一些沉淀强化铝合金，激光焊接后增强相熔解，焊缝性能明显低于母材，成为薄弱区。鉴于以上分析，提高铝合金激光焊缝的性能成为必然。
TiB2粒子因与铝合金基体相容性较好，加入TiB2粒子的铝合金在强度、耐磨性、模量及阻尼性等方面获得显著提高。关于含有TiB2粒子增强的铝基复合材料激光焊接，焊缝内TiB2粒子出现未熔化，焊后与基体结合状态也未发生改变，焊后粒子分布却更加均匀，焊缝性能相较于母材获得显著提高。由此可见，激光焊接TiB2粒子增强的铝基复合材料，利用激光的搅拌作用，使得原来团簇的粒子分布更加均匀。同时铝合金(660℃左右)和TiB2粒子(2300℃左右)熔点差异较大，激光作用过程中，尽管铝合金和TiB2粒子同时吸收激光热量迅速升高，但TiB2粒子未达到熔点前，铝合金就已汽化，将TiB2粒子推移到远离激光作用区，从而避免了TiB2粒子在激光焊接过程中发生物理及化学变化，保持了TiB2粒子对基体的增强效果。
鉴于以上分析，本专利申请提出基于激光焊接过程中TiB2粒子的稳定性，利用外加TiB2粒子的方法，依靠焊接后熔池搅拌作用，将原来团簇的TiB2粒子均匀分布在熔池中，从而达到提高激光焊缝性能的作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种提高铝合金激光焊接头性能的方法，通过外加微米级TiB2粒子，利用激光焊接过程中熔池对粒子的搅拌作用，使得TiB2粒子在焊缝内均匀分布。本发明的技术原理是通过激光焊接过程中TiB2粒子的稳定性及对焊缝的增强作用，从而达到提高焊缝性能的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种提高铝合金激光焊接头性能的方法，包括以下步骤：
A、在待焊接的铝合金板的焊接面上开设凹槽；
B、将TiB2粒子加入凹槽中，然后将两块含有TiB2粒子的待焊接的铝合金板拼接，确保待焊接的铝合金板之间无间隙；
C、对步骤B拼接的铝合金板的焊缝进行激光焊接，即可。
本发明通过外加少量微米级TiB2粒子粉末方法，将微米级TiB2粒子预先置入到焊缝中，然后利用激光焊接过程中的熔池搅拌作用，以及TiB2粒子熔点高在焊接过程中未熔化、TiB2粒子与基体润湿性较好等特点，将团簇的微米级TiB2粒子分开，TiB2粒子均匀分布在熔池中，依靠TiB2粒子的高温稳定性和基体的润湿性以及对铝合金基体的增强作用，达到提高接头强度的目的。
优选地，步骤A中，所述凹槽为矩形，位于焊接面的中央，凹槽设置在凹槽的横截面小于焊缝横截面面积的10％，凹槽的宽度小于焊缝的最小宽度的1/2，宽度过大会导致激光熔池搅拌不能将最外层TiB2粒子分散，出现TiB2粒子团聚以及焊接缺陷，更优选为焊缝的最小宽度的1/4，凹槽的长度等于焊缝长度。所述凹槽的横截面不超出焊缝的横截面。
优选地，步骤B中，所述TiB2粒子为微米级TiB2粒子，更优选TiB2粒子的粒径在50μm以内,粒子尺寸过大易出现粒子团聚现象,影响焊接缺陷破坏增强效果。
优选地，所述TiB2粒子的加入体积分数为小于10％，更优选2％到10％之间。以防粒子过多，团簇尺寸较大，破坏焊缝性能，粒子过少起不到增强效果。
优选地，其特征在于，所述TiB2粒子以粉末形式与酒精混合调成糊状后加入凹槽，并将凹槽填满。TiB2粒子预先置入在焊缝中，避免激光直接照射到TiB2粒子，以防粒子发生物理或化学变化。所述酒精为纯酒精(即无水乙醇)。
优选地，所述焊缝的横截面面积、最小宽度采用以下方法获得：
将待焊接铝合金板，直接进行激光焊接，通过控制焊接工艺参数，获得焊缝的尺寸。
所加入的TiB2粒子粉末位置的确定，需要在不添加TiB2粒子的情况下，对铝合金板试样进行试焊，获得较好的焊缝成形。根据所获得焊缝成形的焊缝横截面尺寸，使TiB2粒子粉末的位置放置在焊缝横截面中心处，且位于激光光斑中心。
所述的预先加入TiB2粒子位置的确定，通过对未加入TiB2粒子的铝合金对接板进行激光焊接，获得优化的焊缝成形。根据焊缝横截面形貌，以焊缝中心位置为凹槽中心，横截面的凹槽的尺寸满足两个条件：一是长宽不能超出焊缝的横截面形貌；二是矩形的面积不能超过焊缝横截面面积的10％。
优选地，步骤C中，还包括在激光焊接前，对焊缝进行烘干的步骤，以及去除铝合金表面氧化膜的步骤。
优选地，所述烘干温度为55-65℃，时间为25-35分钟。烘干以促使酒精全部挥发。
优选地，步骤C中，所述激光焊接采用光纤激光或CO2激光。
优选地，步骤C中，所述激光焊接采用的工艺参数与获得焊缝的尺寸采用的工艺参数相同。
本发明采用激光焊接方法，通过在对接板两侧加工出矩形凹槽，在凹槽内预制TiB2粒子，TiB2粒子原始尺寸在直径50微米以下，矩形凹槽的最大宽度应小于激光焊缝最小尺寸的一半，凹槽的横截面积应小于整个焊缝横截面积的10％，从而保证焊缝内填充TiB2粒子体积分数小于10％。随后采用激光焊接方法，沿着坡口方向，将两块铝合金板连接起来，使得TiB2粒子均匀分布在铝合金焊缝中。本发明依靠激光焊接过程中小孔对熔池的搅拌作用，将预制的TiB2粒子均匀分布在焊缝中，依靠TiB2粒子对铝合金的强化作用，从而达到增加接头强度的目的，使得焊接接头强度获得显著提高，甚至超越母材性能。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
第一，本发明通过外加少量TiB2粒子的方法植入到铝合金激光焊缝中，依靠TiB2粒子的弥散强化显著提高焊缝强度；本发明为一种适用于铝合金的激光焊缝方法，若为其他材料，则增强效果不显著。
第二，本发明除了提高焊缝强度以外，对焊缝的耐磨性及阻尼性能等也有显著提高。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中采用外加TiB2粒子提高铝合金激光焊缝性能的工艺流程图；图中，(a)和(b)为开设有凹槽的两块待焊接板；(c)为将凹槽内填满TiB2粒子的两块待焊接板进行激光焊接；
图2为采用本发明方法所获得的焊缝内TiB2粒子分布及形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例公开了一种提高铝合金激光焊接头性能的方法，主要适用于铝合金激光对接焊，提高焊缝性能。本发明主要原理是依据TiB2粒子在激光焊接过程中的稳定性及与铝合金基体的润湿性，在激光熔池震荡作用下，将TiB2粒子均匀植入到铝合金焊缝中，通过弥散强化机制提高焊缝性能。
以下实施例的测试方法主要步骤为：首先将未添加TiB2粒子的铝合金板进行对接焊，优化工艺参数，获得相同工艺参数下的焊缝尺寸。随后根据未添加粒子的焊缝尺寸，将添加TiB2粒子的对接板分别开长方体凹槽。将凹槽内涂满TiB2粒子，对接装配，然后烘干及进行表面处理。最后采用优化的焊接工艺参数下完成激光对接试验。
以下实施例提供了一种提高铝合金激光焊接头性能的方法，包括以下步骤：
A、在待焊接的铝合金板的焊接面上开设凹槽；
B、将TiB2粒子加入凹槽中，然后将两块含有TiB2粒子的待焊接的铝合金板拼接，确保待焊接的铝合金板之间无间隙；
C、对步骤B拼接的铝合金板的焊缝进行激光焊接，即可。
本发明通过外加少量微米级TiB2粒子粉末方法，将微米级TiB2粒子预先置入到焊缝中，然后利用激光焊接过程中的熔池搅拌作用，以及TiB2粒子熔点高在焊接过程中未熔化、TiB2粒子与基体润湿性较好等特点，将团簇的微米级TiB2粒子分开，TiB2粒子均匀分布在熔池中，依靠TiB2粒子的高温稳定性和基体的润湿性以及对铝合金基体的增强作用，达到提高接头强度的目的。
步骤A中，所述凹槽为矩形，位于焊接面的中央，凹槽设置在凹槽的横截面小于焊缝横截面面积的10％，凹槽的宽度小于焊缝的最小宽度的1/2，宽度过大会导致激光熔池搅拌不能将最外层TiB2粒子分散，出现TiB2粒子团聚以及焊接缺陷，更优选为焊缝的最小宽度的1/4，凹槽的长度等于焊缝长度。所述凹槽的横截面不超出焊缝的横截面。
步骤B中，所述TiB2粒子为微米级TiB2粒子，更优选TiB2粒子的粒径在50μm以内,粒子尺寸过大易出现粒子团聚现象,影响焊接缺陷破坏增强效果。
所述TiB2粒子的加入体积分数为小于10％，更优选2％到10％之间。以防粒子过多，团簇尺寸较大，破坏焊缝性能，粒子过少起不到增强效果。
其特征在于，所述TiB2粒子以粉末形式与酒精混合调成糊状后加入凹槽，并将凹槽填满。TiB2粒子预先置入在焊缝中，避免激光直接照射到TiB2粒子，以防粒子发生物理或化学变化。所述酒精为纯酒精(即无水乙醇)。
所述焊缝的横截面面积、最小宽度采用以下方法获得：
将待焊接铝合金板，直接进行激光焊接，通过控制焊接工艺参数，获得焊缝的尺寸。
所加入的TiB2粒子粉末位置的确定，需要在不添加TiB2粒子的情况下，对铝合金板试样进行试焊，获得较好的焊缝成形。根据所获得焊缝成形的焊缝横截面尺寸，使TiB2粒子粉末的位置放置在焊缝横截面中心处，且位于激光光斑中心。
所述的预先加入TiB2粒子位置的确定，通过对未加入TiB2粒子的铝合金对接板进行激光焊接，获得优化的焊缝成形。根据焊缝横截面形貌，以焊缝中心位置为凹槽中心，横截面的凹槽的尺寸满足两个条件：一是长宽不能超出焊缝的横截面形貌；二是矩形的面积不能超过焊缝横截面面积的10％。
步骤C中，还包括在激光焊接前，对焊缝进行烘干的步骤，以及去除铝合金表面氧化膜的步骤。
所述烘干温度为55-65℃，时间为25-35分钟。烘干以促使酒精全部挥发。
步骤C中，所述激光焊接采用光纤激光或CO2激光。
步骤C中，所述激光焊接采用的工艺参数与获得焊缝的尺寸采用的工艺参数相同。
以下实施例的提高铝合金激光对接焊接头性能方法的一个具体实施方式的步骤例如主要包括以下几步：
(1)将待焊铝合金板，在未加入TiB2粒子时进行激光对接焊，选取合适的焊接工艺参数，获得焊缝尺寸，如焊缝的长度、最小宽度、高度、横截面面积。
(2)根据所获得的焊缝尺寸，确定焊缝在横截面上的最小宽度(w)。根据所确定的焊缝尺寸，将添加TiB2粒子的对接焊板的对接面上分别开长方体凹槽，单块铝合金板上凹槽的横截面宽度一定小于w/2，最好为w/4值，凹槽的高度只要满足凹槽的横截面积小于步骤(1)未加粒子时所获得焊缝横截面面积的10％即可，具体数值可根据实际添加TiB2粒子体积分数来控制。
(3)将微米级TiB2粉末粒子用高纯酒精调和成糊状，然后将糊状TiB2粒子粉末预制在待焊试板的长方体凹槽内；
(4)将两块填充有糊状TiB2粒子粉末的待焊试板装在夹具上固定，确保对接焊缝处无间隙存在。随后用热吹风机预热焊缝，促使酒精全部逸出。最后用钢刷将铝合金表面打磨，去除氧化膜；
(5)采用光纤激光器或CO2激光器，选择步骤(1)中预先试验的焊接工艺参数进行施焊，完成焊接。
采用以上各参数及条件下进行本发明的制备，均能获得性能提高的铝合金激光对接焊接头。
下方结合具体实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
本实施例提供如下的一种提高铝合金激光对接焊接头性能方法。
在本实施案例中，试验材料为ZL101铝合金，采用IPG光纤激光器进行焊接，激光聚焦后光斑直径为0.6mm，试验板厚为4mm，长度为200mm，宽为100mm。
第一步，将两块待对接试验板直接进行激光对接焊，焊接功率为5kW，焊接速度为3m/min。
第二步，根据所得激光对接的焊缝，观察焊缝横截面形貌，确定焊缝尺寸，包括焊缝的最小宽度、焊缝深度及焊缝横截面积分别为2.2mm，4.6mm及11.7mm2；
第三步，根据所得的焊缝尺寸，在两块待添加TiB2粒子的对接板的对接横截面上分别开凹槽，凹槽的宽度为所测得焊缝最小宽度的1/4，凹槽的长度为200mm，槽的高度为2.7mm，本实施例中添加TiB2粒子体积分数为5％；
第四步，将微米级TiB2粒子(粒径为20-50μm)用酒精调和成粘稠状，填满所开的长方体凹槽中，并将两块添加了TiB2粒子的对接板对接装配，确保焊缝无间隙；
第五步，将装配好的对接板用热吹风机(温度为55-65℃)烘烤25-30分钟，除去TiB2粒子中的酒精成分。烘烤后用钢刷打磨待焊对接板的表面，除去铝合金表面氧化膜；
第六步，选用第一步所述焊接的工艺，对装配后的添加了TiB2粒子的对接板进行对接焊，获得优异的接头性能。
图1为本实施中的试验流程，图2为例中所获得的焊缝横截面形貌，TiB2粒子均匀分布在焊缝中，起到弥散强化作用，提高接头性能。
实施例2
本实施例提供如下的一种提高铝合金激光对接焊接头性能方法。
在本实施案例中，试验材料为ZL101铝合金，采用CO2激光器进行焊接，试验板厚为4mm，长度为200mm，宽为100mm。
第一步，将两块待对接试验板直接进行激光对接焊，根据焊接深度要求选择合适的激光焊接工艺，获得所需的焊缝；
第二步，根据所得激光对接的焊缝，观察焊缝横截面形貌，确定焊缝尺寸，包括焊缝的最小宽度、焊缝深度及焊缝横截面积分别为3.1mm，4.1mm及13.7mm2；
第三步，根据所得的焊缝尺寸，在两块待添加TiB2粒子的对接板的对接横截面上分别开凹槽，凹槽的宽度为所测得焊缝最小宽度的1/2，凹槽的长度为200mm，槽的高度根据所添加的TiB2粒子体积分数来决定，本实施例中添加TiB2粒子体积分数为10％；
第四步，将微米级TiB2粒子(粒径为20-50μm)用酒精调和成粘稠状，填满所开的长方体凹槽中，并将两块添加了TiB2粒子的对接板对接装配，确保焊缝无间隙；
第五步，将装配好的对接板用热吹风机(温度为55-65℃)烘烤25-30分钟，除去TiB2粒子中的酒精成分。烘烤后用钢刷打磨待焊对接板的表面，除去铝合金表面氧化膜；
第六步，选用第一步所述焊接的工艺，对装配后的添加了TiB2粒子的对接板进行对接焊，获得优异的接头性能。
效果验证：
将以上实施例的焊接头进行性能测试，并以铝合金母材和实施例第一步采用的焊接方法(表1中所述的常规焊接)获得的焊接头进行对比试验，测试方法分别为：抗拉强度采用GB/T228.1-2010标准。
结果如表1所示。
表1
铝合金母材 常规焊接 实施例1 实施例2
抗拉强度 227 198 216 226
屈服强度 186 173 183 185
弹性模量 71 68 70 71
上述实施例关于采用ZL101合金对接焊方法提高接头性能，仅为举例说明。本发明的实质是基于激光焊接方法，外加TiB2粒子进入到焊缝中，提高接头的性能，上述实施例并不应理解为对本发明的限定，其他任何不违背本发明的精神实质与原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在待焊接的铝合金板的焊接面上开设凹槽；
B、将TiB2粒子加入凹槽中，然后将两块含有TiB2粒子的待焊接的铝合金板拼接；
C、对步骤B拼接的铝合金板的焊缝进行激光焊接，即可。
2.根据权利要求1所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，步骤A中，所述凹槽为矩形凹槽，位于焊接面的中央，凹槽的横截面小于焊缝横截面面积的10％，凹槽的宽度小于焊缝的最小宽度的1/2，凹槽的长度为焊缝长度。
3.根据权利要求1所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，步骤B中，所述TiB2粒子的粒径在50μm以内。
4.根据权利要求1所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，所述TiB2粒子的加入体积小于焊缝体积的10％。
5.根据权利要求1或3或4所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，所述TiB2粒子以粉末形式与酒精混合调成糊状后加入凹槽。
6.根据权利要求2或4所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，所述焊缝的横截面面积、最小宽度、体积采用以下方法获得：
将待焊接铝合金板，直接进行激光焊接，通过控制焊接工艺参数，获得焊缝的各尺寸。
7.根据权利要求1所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，步骤C中，还包括在激光焊接前，对焊缝进行烘干的步骤，以及去除铝合金表面氧化膜的步骤。
8.根据权利要求7所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，所述烘干温度为55-65℃，烘干时间为25-35分钟。
9.根据权利要求1或3所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，步骤C中，所述激光焊接采用光纤激光或CO2激光。
10.根据权利要求9所述的提高铝合金激光焊接头性能的方法，其特征在于，步骤C中，所述激光焊接采用的工艺参数与获得焊缝的尺寸采用的工艺参数相同。
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