CN108788433A - 用于铝合金的真空电子束焊接方法以及真空电子束焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种用于铝合金的真空电子束焊接方法以及真空电子束焊接系统。该方法包括在电子束枪头的前端耦合激光清洗装置，采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜；采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接；焊接完成后，激光束清洗焊缝表面。该方法，能够有效去除铝合金表面高致密氧化膜，改善焊缝成型，提升焊接质量，并省去了酸碱洗过程，降低了环保要求，减少了环境污染。同时，焊后对焊缝进行真空激光清洗，改善了焊缝外观，同时便于进行焊缝质量检测。

Description

用于铝合金的真空电子束焊接方法以及真空电子束焊接系统

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种用于铝合金的真空电子束焊接方法以及真空电子束焊接系统。

背景技术

铝合金材料由于其优良的耐腐蚀性、高比强度、易于加工、无磁性、无低温转变、导电及导热性能好等有点，广泛应用于航空、航天、船舶等领域。但是铝合金极易氧化，在表面形成致密的氧化铝薄膜，熔点高达 2050℃，在焊接过程中，容易形成气孔、夹渣等缺陷，降低焊缝力学性能，影响焊接质量。

铝合金在焊接过程中极易吸氢，铝合金固态下对氢的溶解度远远低于液态下对氢的溶解度，在焊后冷却凝固过程中，大量的氢来不及从焊缝中析出，进而形成气孔。其次，铝合金中含有镁、锌等低熔点合金元素，在大气中极易烧损，降低焊缝力学性能。另外，铝合金具有较高的热导率，焊接过程需要更高的热量输入。

真空电子束焊接是在真空条件下，利用定向高速运动的电子束流撞击工件表面，将电子速流的动能转化为热能使工件熔化，进而实现有效连接的一种焊接方法。电子束作为焊接热源，具有极高的功率密度，穿透能力强，焊缝深宽比大，热影响区小，具有较小的焊接应力及变形。另外，由于在真空环境下进行焊接，可以对熔池进行更好的保护，使得焊缝质量大大优于非真空状态下的焊接质量。

综合铝合金材质特性及真空电子束焊接特点，真空电子束焊接较适合于铝合金材料的焊接，并能够获得优良的焊缝接头，满足工业生产对焊接质量的要求。

但是，为了获得高质量的焊缝接头，在焊接前，需对焊缝位置进行清洗，去除表面氧化膜。

目前，主要采用机械打磨、酸碱洗等传统手段进行清洗，去除效率低、去除效果差、环境不友好等。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种用于铝合金的真空电子束焊接方法，提高清洗效率。

本发明的第二目的在于提供一种真空电子束焊接系统，能够用于铝合金的真空电子束焊接，提高焊接质量。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

一种用于铝合金的真空电子束焊接方法，包括：在电子束枪头的前端耦合激光清洗装置，采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜；采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接；焊接完成后，激光束清洗焊缝表面。

在本发明较佳的实施例中，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，激光束的焦点与电子束的焦点在铝合金试件表面的间距为6-10mm。

在本发明较佳的实施例中，采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜时，激光束与铝合金试件的表面夹角为锐角，离焦量为-2-2mm；以及激光束清洗焊缝表面时，激光束与铝合金试件表面的夹角为锐角，离焦量为-2-2mm。

在本发明较佳的实施例中，激光束为短脉冲或超短脉冲激光；短脉冲激光束的平均功率10-50W，重复频率50-100Hz，脉宽50ns-100ns，扫描宽度为5-10mm，扫描速度为1-2m/s；以及超短脉冲激光束的平均功率为 50-100W，重复频率为300-400HZ，脉宽为8-10ps，扫描宽度为5-10mm，扫描速度为0.1-0.3m/s。

在本发明较佳的实施例中，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，电子束垂直于铝合金试件表面，电子束的焊接电流选用5-10mA，焊接电压为70-150KV，焊接速度为1.0-2.0m/min，离焦量为-2～2mm。

在本发明较佳的实施例中，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，焊接起始位置为激光束开始清洁的起始位置。

在本发明较佳的实施例中，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，焊接结束位置为激光束结束清洁的位置。

在本发明较佳的实施例中，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，控制焊缝间隙在0-0.2mm之间。

在本发明较佳的实施例中，在激光清洗装置与电子束焊枪之间还设置有吸尘装置；采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜时，吸尘装置吸收清洗烟尘；激光束清洗焊缝表面时，吸尘装置吸收清洗烟尘。

一种真空电子束焊接系统，真空电子束焊接系统包括激光清洗装置、电子束焊接装置以及吸尘装置；激光清洗装置与电子束焊接装置耦合；吸尘装置设置在激光清洗装置与电子束焊接装置之间。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种用于铝合金的真空电子束焊接方法，包括：在电子束枪头的前端耦合激光清洗装置，采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜；采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接；焊接完成后，激光束清洗焊缝表面。该方法，能够有效去除铝合金表面高致密氧化膜，改善焊缝成型，提升焊接质量，并省去了酸碱洗过程，降低了环保要求，减少了环境污染。同时，焊后对焊缝进行真空激光清洗，改善了焊缝外观，同时便于进行焊缝质量检测。

本发明提供的一种真空电子束焊接系统，真空电子束焊接系统包括激光清洗装置、电子束焊接装置以及吸尘装置；激光清洗装置与电子束焊接装置耦合；吸尘装置设置在激光清洗装置与电子束焊接装置之间。该系统，能够用于铝合金的真空电子束焊接，有助于提高焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的用于铝合金的真空电子束焊接方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供的一种用于铝合金的真空电子束焊接方法，包括：

S1、采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜。

通过在电子束枪头的前端耦合激光清洗装置，采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜，为后续获得高质量的焊缝接头提供了有利的保障。

相对于现有技术中，需要采用机械打磨、酸碱洗等传统手段进行清洗，不仅提高了去除氧化膜的效率，而且去除效果好，环境友好。

具体地，在电子束枪头的前端耦合激光清洗装置，在激光清洗装置与电子束焊枪之间还设置有吸尘装置。

进一步地，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，激光束的焦点与电子束的焦点在铝合金试件表面的间距为 6-10mm。

进一步地，采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜时，激光束与铝合金试件的表面夹角为锐角，离焦量为 -2-2mm。

离焦量为激光束或电子束焦点离作用位置之间的距离---本实施例即激光束或电子束焦点至试件之间的距离。

进一步地，激光束为短脉冲或超短脉冲激光；短脉冲激光束的平均功率10-50W，重复频率50-100Hz，脉宽50ns-100ns，扫描宽度为5-10mm，扫描速度为1-2m/s；以及超短脉冲激光束的平均功率为50-100W，重复频率为300-400HZ，脉宽为8-10ps，扫描宽度为5-10mm，扫描速度为0.1-0.3m/s。

进一步地，采用激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜时，吸尘装置吸收清洗烟尘。从而能够进一步地去除激光束清洁过程中产生的烟尘，进一步地提高清洁的效果。

S2、采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接。

进一步地，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，电子束垂直于铝合金试件表面，电子束的焊接电流选用 5-10mA，焊接电压为70-150KV，焊接速度为1.0-2.0m/min，离焦量为-2～2mm。

进一步地，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，焊接起始位置为激光束开始清洁的起始位置。

进一步地，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，焊接结束位置为激光束结束清洁的位置。

进一步地，采用电子束枪头产生的电子束对清洗完的铝合金试件的表面进行焊接时，控制焊缝间隙在0-0.2mm之间。

具体地，首先将激光束定位于铝合金试件起始位置，开始扫描去除，并开启吸尘装置。待电子束移动至铝合金试件边缘时，启动焊接过程。待激光束抵达铝合金试件末端，激光束停止。待电子束抵达铝合金试件末端，焊接完成，电子束停止。

S3、焊接完成后，激光束清洗焊缝表面。

进一步地，激光束清洗焊缝表面时，激光束与铝合金试件表面的夹角为锐角，离焦量为-2-2mm。

具体地，待焊接完成后，激光束再一次从试件末端扫描至试件起始位置，进行焊缝表面真空清洗，通过吸尘装置回收清洗烟尘。然后打开真空室，取出工件。

通过在激光束清洗的过程中，使用吸尘装置配合激光清洗装置能够有效地清除激光束在清洗过程中产生的烟尘，进一步地提高焊接质量。

具体地，请参照图1，在本实施例中，焊接母材选用2块5mm厚5A06 铝合金，单块样件尺寸为200×100mm，采用对接焊接方式。激光束与电子束相对位置如图1所述。激光束焦点与电子束焦点的距离设置为8mm。

在其他可选的实施例中，焊接母材单块样件的接头形式可以为对接接头、环形接头、角接接头以或搭接接头。

进一步地，将焊接母材样件置于焊接室内，并采用工装进行固定，关闭真空室，抽真空至10^-1-10^-3Pa。

具体地，在本实施例中，对样件进行装夹，采用刚性固定于焊接平台，焊接间隙不大于0.15mm。关闭真空焊接室，抽真空至2.3×10^-3Pa。

然后，对激光扫描参数进行设定，将激光束焦点定位于试件上表面。平均功率15W，波长为1064nm，重复频率100Hz，脉宽50ns，扫描宽度为 6mm，扫描速度为1m/s。扫描起点设为焊缝起始位置。

对电子束焊接参数进行设置，电子束焊接电流选用6mA，焊接电压为 150KV，工作台行走速度为1.2m/min，激光束焦点位于试件上表面。焊接起点定位于焊缝起始位置。

完成参数设置好，进行焊接。首先激光束启动进行激光清洗，当行走 8mm(激光束焦点与电子束焦点之间距离)之后，电子束抵达试件焊接起始位置，开始焊接。激光束抵达试件焊缝末端之后，试件继续行走8mm之后，电子束抵达焊接终点，完成焊接过程。然后工件反方向移动，重新回来起始位置，移动过程中，激光束开启扫描过程，去除焊缝表面焊接污染，完成清洗，结束焊接流程。待真空焊接室恢复常压，进行冷却，打开真空焊接室，取出工件。

相较于现有技术，该用于铝合金的真空电子束焊接方法，能够有效避免酸碱洗带来的化学污染，并可以避免试件在转移过程中可能会遇到的二次污染，影响表面质量，进而影响焊缝成形及焊接质量。在电子束焊接之后，进行激光清洗扫描，提高了焊缝外观，并且易于检查焊缝缺陷。

本发明的一些实施方式还提供一种真空电子束焊接系统。具体地，该真空电子束焊接系统包括激光清洗装置、电子束焊接装置以及吸尘装置；激光清洗装置与电子束焊接装置耦合；吸尘装置设置在激光清洗装置与电子束焊接装置之间。该系统，能够用于铝合金的真空电子束焊接，有助于提高焊接质量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，包括：

在电子束枪头的前端耦合激光清洗装置，采用所述激光清洗装置产生的激光束对铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜；

采用所述电子束枪头产生的电子束对清洗完的所述铝合金试件的表面进行焊接；

焊接完成后，所述激光束清洗焊缝表面。

2.如权利要求1所述的用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，

采用所述电子束枪头产生的所述电子束对清洗完的所述铝合金试件的表面进行焊接时，所述激光束的焦点与所述电子束的焦点在所述铝合金试件表面的间距为6-10mm。

3.如权利要求2所述的用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，

采用所述激光清洗装置产生的所述激光束对所述铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜时，所述激光束与所述铝合金试件的表面夹角为锐角，离焦量为-2-2mm；以及

所述激光束清洗焊缝表面时，所述激光束与所述铝合金试件表面的夹角为锐角，离焦量为-2-2mm。

4.如权利要求1所述的用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，

所述激光束为短脉冲激光束或超短脉冲激光束；所述短脉冲激光束的平均功率10-50W，重复频率50-100Hz，脉宽50ns-100ns，扫描宽度为5-10mm，扫描速度为1-2m/s；以及

所述超短脉冲激光束的平均功率为50-100W，重复频率为300-400HZ，脉宽为8-10ps，扫描宽度为5-10mm，扫描速度为0.1-0.3m/s。

5.如权利要求1所述的用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，

采用所述电子束枪头产生的所述电子束对清洗完的所述铝合金试件的表面进行焊接时，所述电子束垂直于所述铝合金试件表面，所述电子束的焊接电流选用5-10mA，焊接电压为70-150KV，焊接速度为1.0-2.0m/min，离焦量为-2～2mm。

6.如权利要求5所述的用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，

采用所述电子束枪头产生的所述电子束对清洗完的所述铝合金试件的表面进行焊接时，焊接起始位置为所述激光束开始清洁的起始位置。

7.如权利要求6所述的用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，

采用所述电子束枪头产生的所述电子束对清洗完的所述铝合金试件的表面进行焊接时，焊接结束位置为所述激光束结束清洁的位置。

8.如权利要求7所述的用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，

采用所述电子束枪头产生的所述电子束对清洗完的所述铝合金试件的表面进行焊接时，控制焊缝间隙在0-0.2mm之间。

9.如权利要求1-8任一项所述的用于铝合金的真空电子束焊接方法，其特征在于，

在所述激光清洗装置与所述电子束焊枪之间还设置有吸尘装置；

采用所述激光清洗装置产生的所述激光束对所述铝合金试件的表面进行清洗去除氧化膜时，所述吸尘装置吸收清洗烟尘；

所述激光束清洗焊缝表面时，所述吸尘装置吸收清洗烟尘。

10.一种真空电子束焊接系统，其特征在于，

所述真空电子束焊接系统包括激光清洗装置、电子束焊接装置以及吸尘装置；

所述激光清洗装置与所述电子束焊接装置耦合；

所述吸尘装置设置在所述激光清洗装置与所述电子束焊接装置之间。