CN112518062A - 一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法 - Google Patents

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李国新
刘福运
陈波
宋晓国
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Abstract

本发明公开了一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法，包含以下步骤：板材的选择及坡口加工、焊丝的选择、激光焊接参数的设定、送丝参数的设定；本发明通过交替向异种接头焊缝内送入不同成分的焊丝，相较于激光填单丝焊接异种金属，能够实现更多的元素调控方案，且相比于其他元素调控方式如镀层或添加夹层等，实施起来更加方便灵活，且焊缝内元素混合更加均匀；对于易产生脆性化合物的异种金属焊接头，向焊缝内送入两种调控元素的焊丝能够抑制脆性化合物的生成，从而提高接头的强度；对于互溶性较好的异种金属焊接头，向焊缝内送入两种与母材同成分的焊丝，可均匀焊缝成分，使得焊缝组织更加均质化，提高焊缝接头的性能。

Description

一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法
技术领域
本发明涉及一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法，属于激光焊接技术领域。
背景技术
随着轻量化及对产品构件多方面性能要求越来越高的发展背景下，异种金属材料焊接成为实现这诸多要求的有效途径。然而异种金属材料因为其二者的相互溶解度及热物理参数（如熔点、线膨胀系数等）的差异较大，焊接头往往会产生裂纹及脆性金属间化合物。相比于其他焊接方法，激光焊接具有能量密度高、热量集中、焊缝深宽比大、热影响区窄及焊接变形小等优点，是一种能够实现异种金属材料焊接的可靠连接方法。
对于焊接头易于产生脆性金属间化合物的异种金属材料，如铝合金和钢，如何对异种金属材料焊接头的元素进行调控，以抑制金属间化合物的生成是实现异种金属材料焊接头强度的提前。激光填丝焊接方法目前已经被应用到异种金属材料的连接上，通过添加焊丝的方式对焊缝接头进行元素调控，以实现焊缝元素分布更加均匀化及抑制金属间化合物生成的目的。然而，受限于单一焊丝元素成分及含量的固定性，通过单一填丝的方式难以实现较为良好的调控效果。因此，双填丝为激光焊接异种金属材料提供了更多的焊缝元素调控方案，对实现异种金属材料的可靠焊接具有重要价值。
目前，已有激光-填双丝焊接的相关装置及方法，然而这些装置及方法的提出全都是采用同时送丝的方法，目的是为了提高焊接效率，增大熔覆量等。例如一种激光双向填丝焊接装置(CN204221193U)，其是使用激光热源同时熔化两根焊丝以实现增大熔融金属填充量来提高焊接效率的目的。
而本申请采用激光-交替填丝的方式可通过交替填不同成分含量的两根焊丝以实现对异种金属材料焊接头的元素调控，能够解决异种金属接头焊缝易产生裂纹、强度不高的问题，对异种金属材料的连接提供更加可靠有效的方式。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法，以用于异种金属材料激光焊接时对焊缝元素进行更加方便有效调控，以实现异种金属材料焊接头的可靠连接。
本发明的技术解决方案是这样实现的：一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法，包括以下步骤：
①板材选择：选择两种厚度在1-3mm范围内的异种金属板；
②坡口加工：根据板厚和材料对两种板材进行坡口加工，坡口形状尺寸与普通激光填丝焊接坡口相同，坡口形式一般为不对称的V型或Y型坡口，坡口角度一般为30~60°。
③焊丝选用：根据异种金属材料接头元素调控需要，选择两种不同成分含量的焊丝，焊丝直径为1.0-1.6mm；两种焊丝直径可相同也可不同。
④板材焊前处理：对焊接板材进行焊前处理，目的是用来去除板材特别是待焊区的油污及氧化膜；具体实施方式可为：采用机械去除或者化学反应的方式以去除板材表面的氧化膜，用丙酮去除其表面油污，最后用压缩空气吹干。
⑤焊接参数设定：采用激光熔钎焊的方法；异种金属材料板采用对接或者搭接的接头形式，具体焊接参数因板厚而定，激光功率为1000-3000W，焊接速度为0.4m/min-1.0m/min，送丝速度为3m/min-6m/min；保护气成分根据材料而定，一般为Ar气或者Ar-CO2混合气，保护气流量为12L/min-20L/min；两个送丝管位置分别位于激光束两侧，两根焊丝端点都可送至激光束下部中心处，激光束熔化焊丝用以形成熔滴。
⑥焊接过程实现：焊接时，激光束连续输出；通过控制系统对两个送丝机构进行控制，实现其中第一焊丝向前送进的同时，第二焊丝回抽一段距离，当第一焊丝被激光束熔化形成熔滴即将脱落时，保证熔滴脱落提前下，第一焊丝开始回抽一段距离，第二焊丝同时向前送进，然后实现第二焊丝的熔化形成熔滴；两根焊丝在控制系统的控制下交替送进回抽，直至焊接过程结束。
进一步地，本发明所用的异种金属板可以采用锁紧型夹具固定，板材紧密装配无间隙。
进一步地，所述异种金属材料板指的是两种化学成分不同的金属材料板。
进一步地，所述激光束可为光纤激光束、CO2气体激光束、固体激光束及半导体激光束的任意一种。
进一步地，在步骤⑥中，控制系统可实现对两个送丝机构的送丝速度设定，回抽距离设定，在一个周期内两根焊丝的送丝时间设定；而送丝参数则依据实际焊接情况，在实现两根焊丝交替送丝同时交替回抽，同一时间内只有一根焊丝被激光束熔化形成熔滴形成焊缝的目的而进行设置。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明通过交替向异种接头焊缝内送入不同成分的焊丝，相较于激光填单丝焊接异种金属，能够实现更多的元素调控方案，且相比于其他元素调控方式如镀层或添加夹层等，实施起来更加方便灵活，且焊缝内元素混合更加均匀。
2、对于易产生脆性化合物的异种金属焊接头，通过本发明技术向焊缝内送入两种调控元素的焊丝能够抑制脆性化合物的生成，从而提高接头的强度；对于互溶性较好的异种金属焊接头，通过本发明技术向焊缝内送入两种与母材同成分的焊丝，可均匀焊缝成分，使得焊缝组织更加均质化，提高焊缝接头的性能。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明所述的一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法的焊接结构示意图；
附图2为本发明所述的两个送丝机构交替送丝的控制系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图来说明本发明。
如附图1-2所示，本发明所述的一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法的两种实施方式如下：
实施例1：
采用本技术方法对第一板材4和第二板材5进行激光焊接，第一板材4为2.0mm的6061铝合金板材，第二板材5为2.0mm的DP590钢板材，激光焊接步骤如下：
①对6061铝合金和DP590钢进行坡口加工，对6061铝合金开45°坡口，坡口深度为1mm，对DP590钢开45°坡口，坡口深度为2mm。
②因为铝合金和钢在熔化焊接时焊缝容易产生FeAl3和Fe2Al5等脆性金属间化合物，严重影响接头的强度；而向焊缝中添加Si元素和Zn元素能够实现铝/钢异种接头焊缝的元素调控，能够抑制脆性化合物的生成；因此选择的两种焊缝为AlSi12与AlZn5焊丝用以向焊缝中添加Si和Zn元素。
③对6061铝合金与DP590钢进行焊前表面清理，先用稀NaOH溶液进铝合金表面进行碱洗以去除铝合金表面的氧化膜，直至铝合金表面呈现亮白色，然后取出铝合金板放入稀H2SO4溶液中以去除铝合金表面残余碱液，最后将板材放入清水中冲洗干净并用压缩空气吹干；使用砂轮机或者砂纸对DP590钢表面进行打磨以去除钢板表面的氧化膜，直至显现金属光泽。
④将6061铝合金板和DP590钢板进行无缝隙对接，激光功率设定为2200W，离焦量为+40mm，焊接速度为0.5m/min，两个送丝速度都为3.5m/min，两个焊丝的角度与板材都呈45°，激光束1与第一焊丝2和第二焊丝3的端部位于焊缝正中央，一个周期内两个送丝时间均设置为1s，两个焊丝回抽距离均设置为5mm；设定完焊接参数之后，即可进行焊接加工，形成异种接头焊缝6如图所示。
实施例2：
采用本技术方法对第一板材4和第二板材5进行激光焊接，第一板材4为2.0mm厚的304不锈钢板材，第二板材5为2.0mm厚的AH36船用钢板材，激光焊接步骤如下：
①对304不锈钢及AH36船用钢板进行坡口加工，两种板材的坡口角度都为30°，坡口深度都为2mm。
②因为304不锈钢和AH36船用钢都属于钢材料，二者之间的互溶度较好，在焊缝内部也不会产生脆性化合物，但是对其采用单一填丝方式进行焊接时，其焊缝内元素成分往往会呈现较大的非均质性，不利于异种接头的使用性能，如仅仅采用不锈钢焊丝，在焊缝内部偏AH36一侧将会出现元素极不均匀的情况，对焊缝性能非常不利；因此，选择不锈钢焊丝ER304与船用钢丝ER50-4进行异种钢焊接头焊缝成分的元素调控，以获得性能良好的焊接头。
③对304不锈钢与AH36钢板进行焊前表面清理，采用机械打磨的方式对两种板材表面进行去氧化膜处理。
④将304不锈钢与AH36钢板进行无缝隙对接，激光功率设定为2800W，离焦量为+30mm，焊接速度为0.5m/min，两个送丝速度都为5m/min，两个焊丝的角度与板材都呈45°，激光束与两根焊丝端部位于焊缝正中央，一个周期内两个送丝时间均设置为0.8s，两个焊丝回抽距离均设置为5mm；设定完焊接参数，进而实现焊接。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法，其特征在于，包含以下步骤：
①板材的选择及坡口加工：
选择两种厚度在1-3mm范围内的异种金属板，根据金属板材种类及具体厚度对两种板材进行坡口加工，坡口形式为不对称的V型或Y坡口，坡口角度为30~60°；
②焊丝的选择：
根据异种金属材料接头元素调控的需求，选择两种不同成分含量的焊丝，焊丝直径为1.0-1.6mm；
③激光焊接参数的设定：
具体激光焊接参数依据板材种类、厚度、坡口形式及焊丝成分而定，激光功率为1000-3000W，焊接速度为0.4m/min-1.0m/min，送丝速度为3m/min-6m/min；保护气成分根据材料而定，采用Ar气、He气、CO2气体中其中的一种或多种的混合气，保护气流量为12L/min-20L/min；
④送丝参数的设定：
两个送丝管位置分别位于激光束两侧，两根焊丝端点都可送至激光束下部中心处，激光束熔化焊丝用以形成熔滴；通过控制系统控制两个送丝机构，使焊丝交替送进和回抽，并设定两根焊丝的送进速度和回抽距离。
2.根据权利要求1所述的用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法，其特征在于：所述的步骤②中，对于热物理参数差异较大，且焊接头易于产生脆性金属间化合物的两种金属材料，可选择两种包含可有效抑制金属间化合生成的元素的焊丝；
对于热物理参数差异较小，且母材成分差异不大的两种金属材料，可选择两种与母材成分类似的焊丝进行焊缝元素均质性调控。
3.根据权利要求1所述的用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法，其特征在于：所述的步骤③中，采用的激光器为光纤激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的用于异种接头元素调控的激光交替填丝焊接方法，其特征在于：所述的步骤④中，利用控制系统实现的两个送丝机构的功能为：实现其中第一焊丝向前送进的同时，第二焊丝回抽一段距离，当第一焊丝被激光束熔化形成熔滴即将脱落时，保证熔滴脱落提前下，第一焊丝开始回抽一段距离，第二焊丝同时向前送进，然后实现第二焊丝的熔化形成熔滴；两根焊丝在控制系统的控制下交替送进回抽，直至焊接过程结束。
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