CN110153557A - 一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种均匀化Al‑Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，包括以下步骤：(1)、焊前打磨：对焊缝中心区域先进行机械打磨，取出焊缝表面的氧化皮；采用丙酮擦拭油污或其他杂质；(2)、焊前参数调整：将激光器的激光头对准工件需要焊接的地方，调整好高度；(3)、波形焊接：对需要焊接的位置进行焊接，采用保护气体进行保护，激光束沿焊缝方向平行前进，并在前进时，通过振镜使所述摆动激光束在焊接方向两侧来回对称运动，光斑运动轨迹为方波形路径。在焊接过程中，光束的摆动能够搅拌熔池，延缓熔池凝固，使得焊缝中Mg元素分布均匀，β相(Mg2Al3)均匀析出，实现焊缝组织均匀化，从而提升焊缝力学性能。

Description

一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法。
背景技术
Al-Mg系铝合金具有比强度高、塑性好、抗蚀性及加工性能优良等特点，广泛用于模具、船板、船外壳、燃料储存罐等结构。这类铝合金主要通过Mg 原子固溶强化以及加工硬化。
激光焊接具有能量密度高，热输入量小，同等热输入量熔深大，热影响区小，焊接变形小，焊接速度快、便于自动化焊接等优点，在焊接领域应用日益增多。但铝合金焊接过程中，由于铝合金传热系数大、激光焊接热输入量小、焊接速度快等特点，导致焊接熔池凝固速度较快。而熔池中的Mg元素来不及分散均匀，最终造成焊缝中β相( Mg2Al3) 分布不均匀，对焊缝力学性能产生不利影响。因此，探索一种新激光焊接方法，均匀化焊缝组织，提升焊缝力学性能是十分必要的。
现有的相似方法：
（1）用于控制铝合金锁底对接焊缝的激光焊接工艺气孔的方法，公开号：CN 108907463A
该发明采用连续输出和匀速运动的激光束对铝合金锁底对接接头进行焊接，其中，焊接过程中，所述激光束沿着一平行于焊接方向的轴线前进，并且在前进时，所述激光束相对于所述轴线做周期性地摆动。该发明用于抑制焊缝气孔，针对锁底对接焊，且每个周期的摆动轨迹为∞字形曲线。因此，本发明与该发明有明显区别，本发明用于均匀化焊缝组织，针对熔透与未熔透各类铝合金接头，且激光摆动轨迹为方波形轨迹，通过振镜实现。
（2）一种铝合金激光摆动焊接工艺方法，公开号：107442935A
该发明提出了一种激光摆动焊接方法，焊接过程中，所述摆动激光束沿着一平行与焊接方向轴向前进，并且在前进时，摆动激光束在所述运动路径两侧往复摆动，以形成一曲折的运动路径，且所述运动路径在轴两侧幅度相同。因此，本发明与该发明有明显区别，本发明激光摆动轨迹为方波形轨迹，通过振镜实现。
现有激光焊接技术没有能够实现组织均匀化的有效方法。而通常均匀化组织的常用手段是焊后热处理，焊后热处理存在以下缺点和不足：
焊后热处理通常耗时较长，一般为10~15小时以上，效率低下。且Al-Mg铝合金热处理温度一般为460℃左右，维持高温需要大量能量损耗，成本增加。同时由于热处理装置大小限制，大型结构件无法实现热处理工艺。
发明内容
本发明针为解决上述问题，本发明提出了一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，通过光束运动搅拌熔池，延缓熔池凝固速度，实现Mg元素在熔池中均匀分布、β相( Mg2Al3)均匀析出，直接得到均匀焊缝组织。不需要进行其他额外处理，效率高；组织均匀程度接近母材，均匀化效果显著。
本发明的技术方案是：
为解决上述技术问题，本发明公开了一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、焊前打磨：对焊缝中心区域先进行机械打磨，取出焊缝表面的氧化皮；采用丙酮擦拭油污或其他杂质；
(2)、焊前参数调整：调整激光头，使激光光斑处于对接接头中心，调节离焦量。
(3)、波形焊接：焊接过程中，采用保护气体进行保护，激光束沿焊缝方向平行前进，并在前进时，通过振镜使所述摆动激光束在焊接方向两侧来回对称运动，光斑运动轨迹为方波形路径，摆动振幅为H，摆动频率为f。
对上述方案的进一步改进，其特征在于，其中工件采用6mm5083系铝合金板。
对上述方案的进一步改进，其特征在于，步骤3中的焊接工艺参数为：激光功率为5kw，焊接速度为1.2m/min，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹢2mm。
对上述方案的进一步改进，所述摆动光斑轨迹以焊缝中心线为轴，对称发生摆动；
摆动光斑轨迹摆动幅度H为2~3mm，摆动频率f为200~300Hz。
对上述方案的进一步改进，其特征在于，焊接过程中次用高纯氩气作为保护气，正面吹气流量为20~25L/min。
有益效果：
与其他激光铝合金焊接技术相比，本发明能够有效实现焊缝组织均匀化，而其他激光焊接方法无法实现。
与焊后热处理均匀化组织相比，本发明在焊接过程中直接实现了组织均匀化，不需要进行额外加热工序，效率高、成本低、节省能源；组织均匀程度接近母材，均匀化效果显著。
在焊接过程中，光束的摆动能够搅拌熔池，延缓熔池凝固，使得焊缝中Mg元素分布均匀，β相( Mg2Al3)均匀析出，实现焊缝组织均匀化，从而提升焊缝力学性能。
附图说明
图1为本发明的激光光束摆动示意图。
图2为本发明的光斑轨迹示意图。
图3为现有激光焊接技术对5083铝合金进行焊接形成的焊缝内铝镁元素分布。
图4为采用本发明所述激光焊接技术对5083铝合金进行焊接形成的焊缝内铝镁元素分布。
附图标记：1-激光头，2-焊缝，3-工件。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、焊前打磨：对焊缝中心区域先进行机械打磨，取出焊缝表面的氧化皮；采用丙酮擦拭油污或其他杂质；
(2)、焊前参数调整：调整激光头，使激光光斑处于对接接头中心，调节离焦量。
(3)、波形焊接：焊接过程中，采用保护气体进行保护，激光束沿焊缝方向平行前进，并在前进时，通过振镜使所述摆动激光束在焊接方向两侧来回对称运动，光斑运动轨迹为方波形路径，摆动振幅为H，摆动频率为f。
对上述方案的进一步改进，其特征在于，其中工件采用6mm5083系铝合金板。
对上述方案的进一步改进，其特征在于，步骤3中的焊接工艺参数为：激光功率为5kw，焊接速度为1.2m/min，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹢2mm。
对上述方案的进一步改进，所述摆动光斑轨迹以焊缝中心线为轴，对称发生摆动；
摆动光斑轨迹摆动幅度H为2~3mm，摆动频率f为200~300Hz。
对上述方案的进一步改进，其特征在于，焊接过程中次用高纯氩气作为保护气，正面吹气流量为20~25L/min。
焊接方式为自熔焊，不填充金属。
如图1-4所示，实施例一
对5083铝合金进行对接结构进行焊接。
焊前对焊缝中心区域机械打磨去除氧化皮，并用丙酮擦拭油污等杂质；焊接时，光斑运动轨迹为方波形路径，如图2所示，摆动幅值H为2mm，摆动频率为200Hz，其他焊接工艺参数同常规激光焊工艺参数。
结果表明：常规激光焊接工艺下的5083铝合金焊缝镁元素分布极为不均匀，主要包含镁元素的β相( Mg2Al3)在焊缝中聚集析出，相较于母材骨骼状的β相更为不均匀。采用激光摆动焊接的焊缝，镁元素分布较为均匀，接近母材，主要包含镁元素的β相( Mg2Al3)在焊缝中析出大量弥散质点。
实施例二
对5083铝合金进行对接结构进行焊接。
焊前对焊缝中心区域机械打磨去除氧化皮，并用丙酮擦拭油污等杂质；焊接时，光斑运动轨迹为方波形路径，如图2所示，摆动幅值H为2mm，摆动频率为300Hz，其他焊接工艺参数同常规激光焊工艺参数。
结果表明：常规激光焊接工艺下的5083铝合金焊缝镁元素分布极为不均匀，主要包含镁元素的β相( Mg2Al3)在焊缝中聚集析出，相较于母材骨骼状的β相更为不均匀。采用激光摆动焊接的焊缝，镁元素分布较为均匀，接近母材，主要包含镁元素的β相( Mg2Al3)在焊缝中析出大量弥散质点。
除了具体实施例中选用振镜实现方波形摆动外，还能通过增加摆动模块实现多种复杂的二维摆动。但这种摆动模块实现复杂，造价高昂，且焊缝组织均匀化效果未受到检验。考虑到成本因素及组织均匀化效果，通过振镜实现方波形摆动轨迹效果更好，更为合适。
除了具体实施例中通过激光摆动焊接实现组织均匀化外，也可使用焊后热处理方式实现组织均匀化，但考虑生产效率、成本、效果方面，采用激光摆动焊接直接在焊接过程中均匀化组织更为合适。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、焊前打磨：对焊缝中心区域先进行机械打磨，去除焊缝表面的氧化皮；采用丙酮擦拭油污或其他杂质；
(2)、焊前参数调整：调整激光头，使激光光斑处于对接接头中心，调节离焦量；
(3)、波形焊接：焊接过程中，采用保护气体进行保护，激光束沿焊缝方向平行前进，并在前进时，通过振镜使所述摆动激光束在焊接方向两侧来回对称运动，光斑运动轨迹为方波形路径，摆动振幅为H，摆动频率为f。
2.根据权利要求1所述的一种Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，其特征在于，其中工件采用6mm5083系铝合金板。
3.根据权利要求1所述的一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，其特征在于，步骤3中的焊接工艺参数为：激光功率为5kw，焊接速度为1.2m/min，光斑直径为0.3mm，离焦量为﹢2mm。
4.根据权利要求1所述的一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，所述摆动光斑轨迹以焊缝中心线为轴，对称发生摆动；
摆动光斑轨迹摆动幅度H为2~3mm，摆动频率f为200~300Hz。
5.根据权利要求1所述的一种均匀化Al-Mg系铝合金焊缝组织的激光焊接方法，其特征在于，焊接过程中次用高纯氩气作为保护气，正面吹气流量为20~25L/min。
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