CN112475602B - 一种消除铝锂合金t型接头激光焊接气孔的方法 - Google Patents

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Abstract

一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，它涉及材料加工工程领域。本发明要解决铝锂合金T型接头激光焊接过程中易出现气孔的问题。本发明采用双光束旋转激光焊接头通过内部的镜片模组实现双光束的旋转运动，此旋转运动可包括双光束绕自轴的旋转运动，以及绕公轴的旋转运动。旋转的双光束一定程度上使得匙孔更稳定，相对不易发生闭合。同时双光束的旋转作用避免了匙孔壁的塌陷，从而减少了工艺气孔的形成。双光束旋转激光焊接通过两束激光的高频旋转，可实现对熔滴过渡的主动调控；同时旋转的激光束可以细化晶粒，从而提高铝锂合金T型接头的力学性能。本发明应用于焊接领域。

Description

一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法
技术领域
本发明涉及焊接领域，具体涉及一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法。
背景技术
飞机轻量化是现代航空制造业发展的必然方向。如今，常规铝合金在轻量化方面已经不能满足当今航空业的迫切需求，而新型铝锂合金由于低密度、高比强度和抗腐蚀性能，已然成为大型客机关键性结构材料的首选。研究显示，铝锂合金被应用于飞机结构件材料，较常规铝合金质量减少10％～20％，刚度提高15％～20％，且铝锂合金的成本比先进的复合材料小得多。随着越来越多的新型铝锂合金的研发成功，其表现出更好的强度-韧性平衡、优良的耐损伤抗疲劳性能、各向异性小等优异性能，使其在飞机蒙皮、长桁、地板梁和板制型材零件上取得广泛的应用。其中，又以蒙皮和长桁构成的飞机机身壁板T型结构应用最为广泛。
在航空工业中，传统的铆接为主的机械连接虽然结构可靠度高，但却大幅降低了飞机的有效载重量。用焊接工艺代替铆接工艺可实现机身结构重量的减轻、结构刚度的提高以及装配时间的节约。激光焊接作为一种高效精密的材料连接技术，利用高能密度的激光束作为热源对材料进行焊接，具有热输入小，焊接变形小，焊接接头热影响区窄，焊缝深宽比大，接头组织更细小，焊接速度快，可柔性加工等优点，现已广泛应用于车辆制造、船舶制造、航空航天等领域。但是激光焊在焊接铝锂合金T型结构时容易产生气孔缺陷，一方面是由于熔池中氢元素的混入使得焊接过程中产生大量的氢气泡，而激光焊接时熔池在极短的时间内凝固导致氢气泡被锁在焊缝中无法逸出，从而形成氢气孔；另一方面，激光焊接过程中熔池流场不稳定导致匙孔壁塌陷和局部闭合也会导致不规则形状气孔的形成。铝锂合金T型结构激光焊接过程中气孔的产生极大程度地限制了其在航空领域的应用。
在消除铝锂合金激光焊接焊缝的气孔问题上，传统的做法主要包括清除工件表面的氧化膜以及优化焊接工艺参数等。近年来学者们在此基础上提出了很多新的焊接方法，如激光-电弧复合焊接、双光束激光焊接和激光摆动焊接，都在一定程度上减少了铝锂合金焊缝中的气孔率。专利CN201910553105.2.提出了一种铝合金中厚板激光焊接装置及方法，采用双束激光而其中一束摆动的方式，在保证熔深的情况下，减少气孔缺陷。但是由于T型接头双光束焊需要面临的问题与对接接头不同，上述焊接方法并不能很好地满足铝锂合金结构件在航空领域的应用。
发明内容
本发明旨在解决针对铝锂合金T型接头激光焊接过程中易出现气孔的问题。基于此，提出一种双光束旋转的激光焊接方法，实现铝锂合金T型接头消除焊缝气孔缺陷的问题。
本发明针对铝锂合金T型接头的焊接过程示意图如图1所示，其中1为双光束旋转激光焊接头，3为保护气喷嘴，5为送丝嘴，2和4分别为焊接方向右侧的激光束，6和7分别为筋板和底板，8和9为焊接方向左侧的激光束。双光束旋转激光焊接头通过内部的镜片模组实现双光束的旋转运动，此旋转运动可包括双光束绕自轴的旋转运动，以及绕公轴的旋转运动，如图2、图3所示，如图1所示为双侧同步双光束绕公轴的旋转焊接过程。
本发明的一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将待焊工件表面进行打磨或清洗，将清除表面氧化膜的待焊工件固定在焊接工装夹具上，底板在下，筋板在上；
步骤二：在T型接头两侧分别将双光束旋转激光作用到待焊区域，其中，两侧的激光焊接头均在XZ平面上，与Z轴正方向夹角为40～60°，两侧的激光束的功率均为1000W～4000W，光束离焦量均为-5mm～+5mm，激光的光斑直径均为0.1～0.5mm；
步骤三：设置焊接参数：两侧的激光束焊接速度均为1～8m/min，保护气均为惰性气体，保护气流量均为20～40L/min；
步骤四：启动控制开关，先通保护气，然后发射双光束旋转激光，使激光焊接头与保护气嘴及送丝嘴沿焊缝一起移动，进行双光束旋转激光焊接。
进一步地，所述的T型接头两侧的双光束旋转激光的旋转方式为：第一种方式为：焊接方向右侧的两束激光绕各自的轴进行顺时针旋转，焊接方向左侧的两束激光绕各自的轴进行逆时针旋转，两侧的双光束旋转呈镜像关系，同时激光焊接头沿焊接方向进行直线运动；第二种方式为：焊接方向右侧的两束激光绕两者之间的公共轴进行顺时针旋转，焊接方向左侧的两束激光绕两者之间的公共轴进行逆时针旋转，两侧的双光束旋转呈镜像关系，同时激光焊接头沿焊接方向进行直线运动。
进一步地，所述的第二种方式为：焊接方向右侧的两束激光绕两者之间的公共轴进行顺时针旋转，焊接方向左侧的两束激光绕两者之间的公共轴进行逆时针旋转，两侧的双光束旋转呈镜像关系，同时激光焊接头沿焊接方向进行直线运动；具体为：在单侧的两束激光旋转运动后，双光束的旋转轨迹为圆或椭圆，旋转参数为：双光束的绕轴旋转半径r为0.1～0.3mm，旋转频率s为20～300Hz，以及两束激光之间的旋转相位角
Figure BDA0002777738080000031
为120～180°。
进一步地，两束激光之间的相位角按如下方式确定：对于单侧的双束激光，将两束激光焦点与旋转轴心间连线所构成的小于等于180°的角确定为两束激光的相位角；对于“8”字型的扫描轨迹，在不改变两束激光的相位关系条件下，将其移到同一圆上后判断其相位角。
进一步地，所述的第一种方式为：焊接方向右侧的两束激光绕各自的轴进行顺时针旋转，焊接方向左侧的两束激光绕各自的轴进行逆时针旋转，两侧的双光束旋转呈镜像关系，同时激光焊接头沿焊接方向进行直线运动；具体为：在两束激光旋转运动后，双光束的旋转轨迹为“8”字型，旋转参数为：双光束的绕轴旋转半径r为0.1～0.2mm，旋转频率s为20～100Hz，两束激光之间的相位角
Figure BDA0002777738080000032
为0～120°，两轴之间的距离d为0.1～0.3mm。
进一步地，步骤二中所述的在T型接头两侧分别将双光束旋转激光作用到待焊区域，其中，两侧的激光焊接头均在XZ平面上，与Z轴正方向夹角为50～60°，两侧的激光束的功率均为2000W～3000W，光束离焦量均为-3mm～+3mm，激光的光斑直径均为0.2～0.3mm。
进一步地，步骤二中所述的在T型接头两侧分别将双光束旋转激光作用到待焊区域，其中，两侧的激光焊接头均在XZ平面上，与Z轴正方向夹角为50～60°，两侧的激光束的功率均为2500W～3000W，光束离焦量均为-2mm～+2mm，激光的光斑直径均为0.2～0.3mm。
进一步地，步骤三中所述的设置焊接参数：两侧的激光束焊接速度均为2～6m/min，保护气均为惰性气体，保护气流量均为30～40L/min。
进一步地，步骤三中所述的设置焊接参数：两侧的激光束焊接速度均为3～5m/min，保护气均为惰性气体，保护气流量均为30～40L/min。
本发明的技术原理如下：
1.双侧同步双光束旋转激光焊接铝锂合金焊缝的气孔缺陷明显降低，主要原因如下：
(1)单束激光进行铝锂合金焊接的示意图如图4所示，单激光束的持续加热导致匙孔前壁局部金属的蒸发，结果是熔池流场的不稳定致使匙孔后壁的凸起和塌陷，从而形成形状不规则的工艺气孔。本发明的双光束旋转激光焊接铝锂合金示意图如图5所示，一方面，高速旋转的双激光束减少了激光对匙孔前壁金属的作用，从而达到减少匙孔前壁局部金属蒸发、稳定匙孔的目的；另一方面，旋转的激光束可以在焊接过程中动态地消除彼此产生的匙孔后壁凸起，从而达到稳定匙孔形态，消除气孔的效果。此外，高速旋转的双光束对熔池具有搅动和增大熔池尺寸的作用，从而促进气泡逸出，减少气孔在熔池中的留存率。
(2)采用双光束旋转激光焊接铝锂合金T型接头的示意图如图6所示，双侧同步双光束旋转焊接使得筋板两侧的匙孔底部相互贯通，匙孔稳定性进一步提高。本发明的特点在于焊接方向单侧的两束激光同时进行绕轴转动，为实现T型结构的焊接，在焊接方向的左右两侧进行镜像对称的双光束旋转焊接。而采用其他双光束预热或摆动焊接方法应用于双侧同步焊接时，更多的是对熔池进行搅动，而不是保证贯通匙孔的稳定性，因此无法避免气孔的产生，在高速焊接时气孔很难逸出。
2.相比于常规的单激光束摆动焊接，双光束旋转激光焊接对匙孔稳定性的提高效果更加显著，且适应更高焊接速度的需求，可以实现更高的摆动频率效果，同时减少了焊接热输入，可以降低焊接变形，更适合于铝锂合金薄板的T型接头的焊接。
3.双光束旋转激光焊接通过两束激光的高频旋转，可实现对熔滴过渡的主动调控；同时旋转的激光束可以细化晶粒，从而提高铝锂合金T型接头的力学性能。
4.双光束的旋转作用可以提高焊接过程的稳定性，减少飞溅量，在减少焊缝气孔率的同时提高焊缝的表面质量，改善焊缝成形。
附图说明
图1为本发明双光束旋转激光焊接铝锂合金T型接头示意图；
图2双光束自轴旋转焊接示意图；
图3双光束公轴旋转焊接示意图；
图4单光束焊接熔池示意图；
图5双光束旋转焊接熔池示意图；
图6双侧同步双光束旋转焊接示意图；
图7为常规双光束激光焊接焊缝截面；
图8为双光束公轴旋转激光焊接焊缝截面；
图9双光束自轴旋转激光焊接焊缝截面；
其中，1-激光焊接头，2，4为焊接方向右侧的激光束，3-保护气喷嘴，5-送丝嘴，6-筋板，7-底板，8，9为焊接方向左侧的激光束。
具体实施方式
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
下面结合实例对本发明作进一步阐述。分别采用静态的双光束激光焊接及本发明焊接3.5mm厚铝锂合金T型接头。
实例1：静态双光束激光焊接的步骤包括：
步骤一：将铝锂合金待焊工件依次进行机械打磨、无水乙醇清洗以及干燥后，使待焊工件表面光洁无油污。将已清除表面氧化膜的待焊工件固定在工装夹具上，其中筋板6处于竖直状态，位于水平状态的底板7的上方，两者形成倒“T”型结构，如图1所示。
步骤二：在T型接头待焊区域的左侧及右侧分别作用双激光束，选用的激光器为CO2气体激光器，其中，激光焊接头在XZ平面，与Z轴正方向夹角为45°，激光束1和激光束2的功率均为2000W，光束离焦量为2mm，激光的光斑直径为0.3mm。
步骤三：设置参数：焊接速度为3m/min，保护气为氩气，气流量为25L/min。保护气嘴和送丝嘴及激光头在由激光焊接头轴线和焊接方向确定的同一平面上，保护气嘴与激光头的夹角为50°，送丝嘴与激光头的夹角为70°，送丝速度为400mm/min。
步骤四：启动控制开关，先通保护气，然后发射双光束激光。本实例中双光束保持相对静止，连线平行于焊接方向，双光束间距为0.3mm。随着双光束激光焊接头的行进，实现对铝锂合金T型接头的双侧焊接。
实例2
本实例具体操作如下：
步骤一：将铝锂合金待焊工件依次进行机械打磨、无水乙醇清洗以及干燥后，使待焊工件表面光洁无油污。将已清除表面氧化膜的待焊工件固定在工装夹具上，其中筋板6处于竖直状态，位于水平状态的底板7的上方，两者形成倒“T”型结构，如图1所示。
步骤二：在T型接头待焊区域的左侧及右侧分别作用双激光束，选用的激光器为CO2气体激光器，其中，激光焊接头在XZ平面，与Z轴正方向夹角为45°，激光束1和激光束2的功率均为2000W，光束离焦量为2mm，激光的光斑直径为0.3mm。
步骤三：设置参数：焊接速度为3m/min，保护气为氩气，气流量为25L/min。保护气嘴和送丝嘴及激光头在由激光焊接头轴线和焊接方向确定的同一平面上，保护气嘴与激光头的夹角为50°，送丝嘴与激光头的夹角为70°，送丝速度为400mm/min。
步骤四：启动控制开关，先通保护气，然后发射双光束旋转激光。本实例中双光束的旋转策略为两束激光绕公共轴进行顺时针旋转，同时激光焊接头与保护气喷嘴及送丝喷嘴一起沿焊接方向直线运动。双光束的旋转轨迹为标准圆，绕轴旋转半径r选为0.2mm，旋转频率s为150Hz，两束激光之间的相位角
Figure BDA0002777738080000061
为180°。随着双光束旋转激光焊接头的行进，实现对铝锂合金T型接头的双侧焊接。
实例3
本实例具体操作如下：
步骤一：将铝锂合金待焊工件依次进行机械打磨、无水乙醇清洗以及干燥后，使待焊工件表面光洁无油污。将已清除表面氧化膜的待焊工件固定在工装夹具上，其中筋板6处于竖直状态，位于水平状态的底板7的上方，两者形成倒“T”型结构，如图1所示。
步骤二：在T型接头待焊区域的左侧及右侧分别作用双激光束，选用的激光器为CO2气体激光器，其中，激光焊接头在XZ平面，与Z轴正方向夹角为45°，激光束1和激光束2的功率均为2000W，光束离焦量为2mm，激光的光斑直径为0.3mm。
步骤三：设置参数：焊接速度为3m/min，保护气为氩气，气流量为25L/min。保护气嘴和送丝嘴及激光头在由激光焊接头轴线和焊接方向确定的同一平面上，保护气嘴与激光头的夹角为50°，送丝嘴与激光头的夹角为70°，送丝速度为400mm/min。
步骤四：启动控制开关，先通保护气，然后发射双光束旋转激光。本实例中双光束的旋转策略为两束激光绕各自的轴进行顺时针自转，同时激光焊接头与保护气喷嘴及送丝喷嘴一起沿焊接方向直线运动。双光束的旋转轨迹为“8”字型，绕轴旋转半径r选为0.2mm，旋转频率s为150Hz，两束激光之间的相位角
Figure BDA0002777738080000062
为60°，两自转轴的间距d为0.2mm。随着双光束旋转激光焊接头的行进，实现对铝锂合金T型接头的双侧焊接。
如图7为采用常规的静态双光束激光焊进行3.5mm厚铝锂合金T型接头焊接时的焊缝截面成形金相照片，从图中可以看出，双光束不旋转时焊缝截面出现了尺寸较大的气孔。图8和图9分别为实例2和实例3获得的焊缝截面金相照片，实例2是圆形旋转轨迹的焊接方式，可见焊缝的气孔情况得到了改善，且存在的气孔尺寸均较小。实例3采用的是“8”字型旋转轨迹的焊接方式，焊缝内的气孔消失，成形质量最优。

Claims (8)

1.一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将待焊工件表面进行打磨或清洗，将清除表面氧化膜的待焊工件固定在焊接工装夹具上，底板在下，筋板在上；
步骤二：在T型接头两侧分别将双光束旋转激光作用到待焊区域，其中，两侧的激光焊接头均在XZ平面上，与Z轴正方向夹角为40～60°，两侧的激光束的功率均为1000W～4000W，光束离焦量均为-5mm～+5mm，激光的光斑直径均为0.1～0.5mm；
步骤三：设置焊接参数：两侧的激光束焊接速度均为1～8m/min，保护气均为惰性气体，保护气流量均为20～40L/min；
步骤四：启动控制开关，先通保护气，然后发射双光束旋转激光，使激光焊接头与保护气嘴及送丝嘴沿焊缝一起移动，进行双光束旋转激光焊接；
所述的T型接头两侧的双光束旋转激光的旋转方式为：第一种方式为：焊接方向右侧的两束激光绕各自的轴进行顺时针旋转，焊接方向左侧的两束激光绕各自的轴进行逆时针旋转，两侧的双光束旋转呈镜像关系，同时激光焊接头沿焊接方向进行直线运动；具体为：在两束激光旋转运动后，双光束的旋转轨迹为“8”字型，旋转参数为：双光束的绕轴旋转半径r为0.1～0.2mm，旋转频率s为20～100Hz，两束激光之间的相位角
Figure FDA0003592564860000011
为0～120°，两轴之间的距离d为0.1～0.3mm；第二种方式为：焊接方向右侧的两束激光绕两者之间的公共轴进行顺时针旋转，焊接方向左侧的两束激光绕两者之间的公共轴进行逆时针旋转，两侧的双光束旋转呈镜像关系，同时激光焊接头沿焊接方向进行直线运动。
2.根据权利要求1所述的一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，其特征在于所述的第二种旋转方式为：焊接方向右侧的两束激光绕两者之间的公共轴进行顺时针旋转，焊接方向左侧的两束激光绕两者之间的公共轴进行逆时针旋转，两侧的双光束旋转呈镜像关系，同时激光焊接头沿焊接方向进行直线运动；具体为：在单侧的两束激光旋转运动后，双光束的旋转轨迹为圆或椭圆，旋转参数为：双光束的绕轴旋转半径r为0.1～0.3mm，旋转频率s为20～300Hz，以及两束激光之间的旋转相位角
Figure FDA0003592564860000012
为120～180°。
3.根据权利要求2所述的一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，其特征在于两束激光之间的相位角按如下方式确定：对于单侧的双束激光，将两束激光焦点与旋转轴心间连线所构成的小于等于180°的角确定为两束激光的相位角；对于“8”字型的扫描轨迹，在不改变两束激光的相位关系条件下，将其移到同一圆上后判断其相位角。
4.根据权利要求1所述的一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，其特征在于步骤二中所述的在T型接头两侧分别将双光束旋转激光作用到待焊区域，其中，两侧的激光焊接头均在XZ平面上，与Z轴正方向夹角为50～60°，两侧的激光束的功率均为2000W～3000W，光束离焦量均为-3mm～+3mm，激光的光斑直径均为0.2～0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，其特征在于步骤二中所述的在T型接头两侧分别将双光束旋转激光作用到待焊区域，其中，两侧的激光焊接头均在XZ平面上，与Z轴正方向夹角为50～60°，两侧的激光束的功率均为2500W～3000W，光束离焦量均为-2mm～+2mm，激光的光斑直径均为0.2～0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，其特征在于步骤三中所述的设置焊接参数：两侧的激光束焊接速度均为2～6m/min，保护气均为惰性气体，保护气流量均为30～40L/min。
7.根据权利要求1所述的一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，其特征在于步骤三中所述的设置焊接参数：两侧的激光束焊接速度均为3～5m/min，保护气均为惰性气体，保护气流量均为30～40L/min。
8.根据权利要求1所述的一种消除铝锂合金T型接头激光焊接气孔的方法，其特征在于所述的待焊工件为铝锂合金。
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