CN111037097A - 一种2a97铝锂合金激光摆动焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法，(1)将2A97铝锂合金待焊试板依次进行酸洗、无水乙醇清洗以及干燥处理；(2)对干燥处理后的待焊试板的待焊区域表面激光逐行进行清洗预处理；(3)将激光清洗预处理后的待焊试板装配固定，相邻待焊接试板的焊接接头采用对接形式；(4)在焊接过程中通惰性气体，将所述待焊试板的正面、背面与空气隔离；(5)采用激光摆动方式对装配好的2A97铝锂合金进行焊接，按照8型在所述轴的上下侧循环摆动，多个运动路径交叠形成运动轨迹。本发明焊缝表面成形良好，焊缝常温平均抗拉强度可达408MPa，平均断后伸长率可达4％。

Description

一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法。
背景技术
随着航空航天工业的迅猛发展，提高有效载荷已成为航空航天领域中重要的研究方向。在新型飞行器的设计中，首先要考虑减轻结构件的质量和制造技术问题，选择轻质结构材料并解决焊接工艺问题是其中重要的有效措施。
铝锂合金是近代铝合金的一个重大发展。它具有低密度、高比强度和比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性和非常好的超塑性等特性，其强度、断裂韧性、屈服强度、疲劳性能都是随着温度的降低而提高。用铝锂合金取代常规的铝合金可使结构质量减轻10％～15％，刚度提高15％～20％，因此它是一种理想的航空与航天结构材料。
在航空航天工业中，用焊接工艺代替传统的以铆接为主的机械工艺连接铝锂合金结构件，可进一步减轻结构重量，提高结构刚度，节约能源，节省装配时间。其中，激光焊具有热输入低和变形小、焊接速度高及激光柔性好等特点，广泛应用于金属板材结构的焊接。
但现有激光焊接的铝锂合金焊缝强度低、易产生气孔，焊接变形大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法，有效避免2A97铝锂合金焊缝强度低、易产生气孔，焊接变形大的缺点，焊缝表面成形良好，保护良好，焊缝常温平均抗拉强度可达408MPa，平均断后伸长率可达4％。
本发明解决技术的方案是：
一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法，该方法的步骤包括：
(1)将2A97铝锂合金待焊试板依次进行酸洗、无水乙醇清洗以及干燥处理，使待焊试板表面光洁无油污；
(2)对干燥处理后的待焊试板的待焊区域表面采用功率为100～150W的激光逐行进行清洗预处理；
(3)将激光清洗预处理后的待焊试板装配固定，其中，相邻待焊接试板间的装配间隙范围为0.15mm～0.3mm，相邻待焊接试板的焊接接头采用对接形式；
(4)在焊接过程中通惰性气体，将所述待焊试板的正面、背面与空气隔离；
(5)采用激光摆动方式对装配好的2A97铝锂合金进行焊接，激光焊接功率为2700W～3000W，激光焊接速度为1200mm/min～1800mm/min，激光焊接离焦量为±0.5mm，激光束沿着平行于焊缝的轴向前进，并以焊缝为中心点，按照8型在所述轴的上下侧循环摆动，多个运动路径交叠形成运动轨迹。
进一步的，步骤(2)中，激光清洗预处理范围为焊缝中心至焊缝两侧距焊缝中心1～3cm的区域。
进一步的，步骤(4)中，以10L/min～30L/min流量向所述待焊接试板的正面、背面通惰性气体，将所述待焊接试板的正面、背面与空气隔离。
进一步的，惰性气体为氮气、氩气和氦气至少之一。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明一方面对铝锂合金焊接试板表面进行预处理，除去待焊区的表面氧化膜，降低焊缝内产生气孔的倾向；
(2)本发明在焊接过程中，对2A97铝锂合金焊接试板的正面、背面同时充填保护气，既可避免2A97铝锂合金在焊接过程中的氧化，又可以减少焊缝中气孔的产生；
(3)本发明焊接过程中采用激光摆动焊接方式，可以消除气孔，增强焊缝的强度和韧性，随着摆动频率的增加，对熔池的搅拌越大，越利于气泡的逸出。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明焊接工装装配示意图；
图3为“1”形扫描轨迹示意图；
图4为“o”形扫描轨迹示意图；
图5为本发明“8”形扫描轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法，该方法的步骤包括：
(1)将2A97铝锂合金待焊试板依次进行酸洗、无水乙醇清洗以及干燥处理，使待焊试板表面光洁无油污；
(2)对干燥处理后的待焊试板的待焊区域表面采用功率为100～150W的激光逐行进行清洗预处理；
(3)将激光清洗预处理后的待焊试板装配固定，其中，相邻待焊接试板间的装配间隙范围为0.15mm～0.3mm，相邻待焊接试板的焊接接头采用对接形式；
(4)在焊接过程中通惰性气体，将所述待焊试板的正面、背面与空气隔离，惰性气体为氮气、氩气和氦气至少一种；
(5)采用激光摆动方式对装配好的2A97铝锂合金进行焊接，激光焊接功率为2700W～3000W，激光焊接速度为1200mm/min～1800mm/min，激光焊接离焦量为±0.5mm，激光束沿着平行于焊缝的轴向前进，并以焊缝为中心点，按照8型在所述轴的上下侧循环摆动，多个运动路径交叠形成运动轨迹。通过该方法可实现2mm厚2A97铝锂合金板材的焊接，可有效避免2A97铝锂合金激光焊接焊缝内部裂纹、气孔缺陷的出现，焊接形成的焊缝过度圆滑，接头抗拉强度达到母材抗拉强度的85％以上。
相较于1型和o型摆动轨迹，8型摆动轨迹下的焊缝表面形貌更优，强度更高，摆动幅值为2mm时焊缝表面形貌较好，气孔少，焊缝强度高。
步骤(2)中，激光清洗预处理范围为焊缝中心至焊缝两侧距焊缝中心1～3cm的区域，采用功率为200W的激光对干燥处理后的待焊试板的待焊区域表面进行清洗，一方面可进一步去除待焊区域表面氧化膜，降低焊缝内气孔的产生倾向；另一方面还可增大待焊区域的表面粗糙度，增加表面对激光的吸收率。
步骤(4)中，以10L/min～30L/min流量向所述待焊接试板的正面、背面通惰性气体，将所述待焊接试板的正面、背面与空气隔离。气体流量小于10L/min则无法有效保护焊缝，大于30L/min则会影响焊缝表面质量，降低焊缝强度。
实施例1
2A97铝锂合金2mm厚平板对接焊，具体实施方法为：
(1)焊前用丙酮将2mm厚的2A97铝锂合金试板距离焊缝中心20mm～50mm范围内的油污清洗干净，用砂纸或者钢丝刷将氧化皮等杂质清理干净，焊缝对接端面用刮刀进行刮削，直至露出金属本体；
(2)对干燥处理后的待焊区域表面进行激光清洗预处理，采用功率为100～150W的激光对干燥后的焊接试板进行清洗，激光清洗范围为焊缝中心至焊缝两侧距离焊缝中心10mm～20mm的区域；
(3)将清洗干净的2A97铝锂合金焊接试板装配在拥有背保护气体装置的焊接工装上，保证试板水平，焊缝间隙在0.15mm～0.3mm范围内，阶差不大于15％的母材壁厚；
(4)焊接时所用激光器为固体激光器，采用具体的焊接工艺参数为：焊接功率为2900W，焊接速度为1560mm/min，离焦量为+1mm，在焊接过程中通过高纯惰性气体将所述焊接试板的正面、背面与空气隔离，正面、背面保护气体流量为20L/min。
通过该方法对2A97铝锂合金试板进行焊接，可以有效避免2A97铝锂合金焊缝强度低、易产生气孔，焊接变形大等缺点，焊缝表面成形良好，保护良好，焊缝常温平均抗拉强度可达408MPa，平均断后伸长率可达4％。
实施例2
本发明实施例中选取厚度为2mm的2A97铝锂合金板材开展焊接试验，将2A97铝锂合金待焊试板依次进行酸洗、无水乙醇清洗以及干燥处理；对干燥处理后的待焊试板的待焊区域表面进行激光清洗预处理；将所述待焊试板装配固定，焊缝间隙在0.15mm～0.3mm范围内；在焊接过程中通过高纯惰性气体将所述焊接试板的正面、背面与空气隔离，正面、背面保护气体流量为20L/min；采用L9(34)正交表来安排实验，主要考虑焊接功率、焊接速度和离焦量3个影响因素对焊接接头抗拉强度的影响。
表1正交试验结果方差分析
Figure BDA0002339643940000051
Figure BDA0002339643940000061
采用极差分析的方法来分析试验的结果，如表1所示。表中Ij、IIj、IIIj分别表示焊接功率、焊接速度和离焦量3个因素中水平数为1、2、3所对应的抗拉强度之和，
Figure BDA0002339643940000062
分别表示各因素中水平数所对应的抗拉强度的平均值。Rj表示每列中该水平因子的极差。极差的计算式为
Figure BDA0002339643940000063
由正交试验的结果知：极差Rj＝20最大，表明焊接功率因素的不同水平对焊接接头的抗拉强度影响最大；焊接速度对摩擦焊接接头的抗拉强度影响次之；焊接离焦量影响最小。
采用万能试验机测试接头的力学性能，室温下的抗拉强度为386～436MPa，其抗拉强度最高对应的焊接工艺参数为：焊接功率为2900W，焊接速度为1680mm/min，离焦量为+1。
实施例3
本发明实施例中选取厚度为2mm的2A97铝锂合金板材开展焊接试验，将2A97铝锂合金待焊试板依次进行酸洗、无水乙醇清洗以及干燥处理；对干燥处理后的待焊试板的待焊区域表面进行激光清洗预处理；将所述待焊试板通过工装装配固定，具体如下图2所示；在焊接过程中通过高纯惰性气体将所述焊接试板的正面、背面与空气隔离，正面、背面保护气体流量为20L/min；
焊缝间隙小于0.15mm时，焊接接头处易出现阶差，影响焊接接头质量；
焊缝间隙0.15～0.3mm范围内；焊接接头成形良好，内部气孔少，焊缝室温平均抗拉强度可达411MPa；
焊缝间隙大于0.3mm时，焊缝接头处易出现凹陷，影响焊接接头质量。
实施例4
本发明实施例中选取厚度为2mm的2A97铝锂合金板材开展焊接试验，将2A97铝锂合金待焊试板依次进行酸洗、无水乙醇清洗以及干燥处理；对干燥处理后的待焊试板的待焊区域表面进行激光清洗预处理；将所述待焊试板装配固定，焊缝间隙在0.15mm～0.3mm范围内；在焊接过程中通过高纯惰性气体将所述焊接试板的正面、背面与空气隔离，正面、背面保护气体流量为20L/min；
如图3所示，摆动扫描轨迹为“1”型时，焊缝波纹连续性不好，焊缝变形较大，焊缝室温抗拉强度较低；
如图4所示，摆动扫描轨迹为“o”型时，焊缝形貌优于“1”型，但存在咬边情况，影响焊缝室温抗拉强度；
如图5所示，摆动扫描轨迹为“8”型时，焊缝形貌优于“1”型和“o”型，成形质量最好，室温抗拉强度可达433MPa。
本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法，其特征在于，该方法的步骤包括：
(1)将2A97铝锂合金待焊试板依次进行酸洗、无水乙醇清洗以及干燥处理，使待焊试板表面光洁无油污；
(2)对干燥处理后的待焊试板的待焊区域表面采用功率为100～150W的激光逐行进行清洗预处理；
(3)将激光清洗预处理后的待焊试板装配固定，其中，相邻待焊接试板间的装配间隙范围为0.15mm～0.3mm，相邻待焊接试板的焊接接头采用对接形式；
(4)在焊接过程中通惰性气体，将所述待焊试板的正面、背面与空气隔离；
(5)采用激光摆动方式对装配好的2A97铝锂合金进行焊接，激光焊接功率为2700W～3000W，激光焊接速度为1200mm/min～1800mm/min，激光焊接离焦量为±0.5mm，激光束沿着平行于焊缝的轴向前进，并以焊缝为中心点，按照8型在所述轴的上下侧循环摆动，多个运动路径交叠形成运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法，其特征在于：步骤(2)中，激光清洗预处理范围为焊缝中心至焊缝两侧距焊缝中心1～3cm的区域。
3.根据权利要求1所述的一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法，其特征在于：步骤(4)中，以10L/min～30L/min流量向所述待焊接试板的正面、背面通惰性气体，将所述待焊接试板的正面、背面与空气隔离。
4.根据权利要求1或3所述的一种2A97铝锂合金激光摆动焊接方法，其特征在于：惰性气体为氮气、氩气和氦气至少一种。
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