CN109807420A - 铝/钢异种金属低功率激光耦合dp-mig熔钎焊方法 - Google Patents

Abstract

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，包括以下步骤：对铝合金和钢材进行打磨、清洗和固定；对固定后的铝合金和钢材进行焊接，焊接过程包括：首先设置复合方式和焊接位置；然后设置激光入射角度与激光参数；再设置电弧焊枪角度与电弧参数；再确定保护气体与焊丝；最后以0.1～1m/min的焊接速度进行焊接。本发明使用的直流双脉冲熔化极惰性气体保护焊通过周期性的高能量脉冲与低能量脉冲交替变化，实现晶粒细化与枝晶破碎，降低了气孔发生率和裂纹敏感性，还利用低功率激光引导并稳定DP‑MIG电弧，有利于抑制金属间化合物层的生长，提高了接头湿润与铺展性，从而提高了接头强度。

Description

铝/钢异种金属低功率激光耦合DP-MIG熔钎焊方法

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

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：

(1)对待焊接的铝合金和钢材进行打磨、清洗和固定；

(2)将固定后的铝合金和钢材作为母材进行焊接，具体为：

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；

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；

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；

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；

S5、以0.1m/min～1m/min的焊接速度进行焊接。

优选地，所述铝合金为5052铝合金；所述钢材为热成型钢22MnB5。

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。

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。

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。

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。

优选地，所述焊丝直径为0.8mm～2mm；送丝速度为1～10m/min。

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。

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。

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。

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。

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。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

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。

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。

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。

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

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。

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。

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

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。

实施例1

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。

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。

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。

实施例2

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。

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。

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。

实施例3

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。

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。

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。

实施例4

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。

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。

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。

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。

Claims (7)

1.一种铝/钢异种金属低功率激光耦合DP-MIG熔钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对待焊接的铝合金和钢材进行打磨、清洗和固定；

(2)将固定后的铝合金和钢材作为母材进行焊接，具体为：

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；

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；

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；

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；

S5、以0.1m/min～1m/min的焊接速度进行焊接。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述铝合金为5052铝合金；所述钢材为热成型钢22MnB5。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，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。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述焊丝直径为0.8mm～2mm；送丝速度为1～10m/min。