CN112518063B - 基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内外双支撑的铝/钢小直径管的激光熔钎填丝焊接方法，该方法包括以下步骤：①坡口加工及焊前清理；②内外双支撑套筒的加工及装配；③焊丝与钎剂的选择与预置；④焊接过程的实施；⑤铝/钢管异种接头的取出。本发明通过使用内外陶瓷支撑套筒有效抑制熔化的焊丝由于重力及离心力的作用而偏离铝/钢管接头待焊部位的问题，也有效预防铝/钢管焊漏及下塌等缺陷，进而实现铝/钢小直径管异种接头焊缝的强制成形；通过添加焊丝及预置钎剂的方式，可对铝/钢管异种接头焊缝进行元素成分调控，抑制脆性Fe‑Al化合物的大量生成及裂纹的产生，避免了接头的脆性，提高铝/钢小直径管异种接头的强度，实现有效连接。

Description

基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法

技术领域

本发明涉及一种基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法，属于激光焊接技术领域。

背景技术

近年来，节能减排成为汽车工业发展的重要研究方向，降低汽车燃油消耗及减少汽车尾气排放是汽车轻量化的重要衡量指标。相对于传统的单一材料车身，多种材料车身可充分发挥不同材料的性能优势，更好的实现汽车轻量化。近年来，铝合金由于具有重量轻、比强度高、优良耐腐蚀性、良好成形性能及低温性能等优点，在车身上的应用量逐渐增多，因此，这就涉及到铝合金和钢材料之间的连接问题。

然而铝合金和钢由于其热物理性能（如线膨胀系数、密度等）差异较大，熔化焊接时往往会由于焊接头产生较大的热应力，而易产生裂纹的缺陷，另外铝合金和钢的焊缝界面还易形成大量的脆性Fe-Al化合物，弱化铝/钢焊接头的接头性能，增大了其焊接难度。近年来针对铝合金和钢板材的焊接已有相关学者和研究机构提出了激光熔钎填丝焊的方法，并实现了对铝/钢平板异种接头的可靠连接。如名称为“一种铝钢异种金属激光熔钎填丝焊的工艺”的中国专利，申请号201911251370.1，该专利通过在在钢/铝界面处添加涂敷有钎剂的钎料，在保护气体的环境下进行激光填丝焊接，通过一定的工艺调整实现了优良的焊缝成型和接头性能。另外，名称为“一种铝和钢表面同时添加粉末的铝钢激光焊接方法”的中国专利，申请号201610903476.5，也通过在铝钢界面处预置中间层粉末，然后采用激光熔钎填丝焊的方法抑制了Fe-Al化合物的生成并获得了可靠的连接接头。

然而，相比于铝/钢平板的焊接，铝/钢小直径管的焊接难度更大，简单的照搬铝/钢异种金属平板激光熔钎焊接的方法难以实现铝/钢薄壁小直径管的有效连接。铝/钢薄壁小直径管在激光焊接时，除了在焊缝处易产生裂纹及脆性金属间化合物从而恶化铝/钢接头性能以外，小直径的铝/钢管筒体由于曲率较小，而焊丝在熔融状态温度较高且流动性较强，熔化的焊丝滴落在焊缝处往往来不及凝固而在重力的作用下沿着焊缝表面而向下部流动，从而使得焊缝出现熔合、烧穿及气孔等焊接缺陷，另外管道的焊接常采用转动的变位器来平衡管道的焊接位置，而在管道转动焊接时，刚刚附着于铝/钢焊缝表面的熔滴也会因为受到离心力的作用而导致熔滴甩离焊缝，难以实现铝/钢小直径管的有效连接。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法。

本发明的技术解决方案是这样实现的：基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法，包含以下步骤：

①坡口加工及焊前清理：

根据铝合金管和钢管的直径及壁厚，对铝合金管和钢管的待焊一侧进行坡口加工，坡口形式一般为环V型坡口，不留钝边；坡口加工完成后，并对待焊部位进行焊前清理；对铝合金管的清理方式一般采取化学反应的清洗方式，首先用稀NaOH溶液对铝合金管尤其是待焊部分进行浸泡2-5min清洗，用以去除铝合金管表面氧化膜，然后使用稀H2SO4溶液对铝合金金管浸泡清洗10-30s以去除残留碱液，最后使用清水对其冲洗以去除残余酸液，并采用压缩空气进行吹干；对钢管的焊前清理方式一般为机械打磨的方式，使用砂轮机或者砂纸对钢管待焊部位尤其是坡口处进行仔细打磨以去除氧化膜，直至显现金属光泽为止。

②内外双支撑套筒的加工及装配：

根据所焊的管道内外径及长度定制设计并加工相应的外支撑陶瓷套筒和内支撑陶瓷套筒；内外支撑陶瓷套筒材料均选择为高温陶瓷材料，选择依据是陶瓷与铝或钢的熔融金属不会发生粘连且焊后易于取出；内支撑陶瓷套筒的外径与焊接所用的铝合金或钢管内径加工一致，外径加工误差不大于0.1mm，保证内支撑陶瓷套筒外部能够与铝合金或钢管内部紧密贴合，起到内支撑作用，防止焊缝的下塌；另外，内支撑陶瓷套筒的长度不小于待焊铝合金管和钢管的长度和，保证内支撑陶瓷套筒能够起到完全支撑铝合金管和钢管的作用；内支撑陶瓷套筒的内径和壁厚依据待焊管内径所确定，一般壁厚不小于1.5mm，内径不小于5mm或者内支撑陶瓷套筒外径的1/3；外支撑陶瓷套筒的内径与焊接所用铝合金管和钢管的外径加工一致，内径加工误差尺寸不大于0.1mm，保证外支撑陶瓷套筒与待焊铝合金管和钢管的紧密贴合；外支撑陶瓷套筒的壁厚在3-8mm之间，外支撑陶瓷套筒分为两部分，分别放置于铝合金管和钢管的待焊坡口处的两侧，两部分外支撑陶瓷套筒一端分别放置于管坡口的外沿处；另外，外支撑陶瓷套筒的长度应小于铝合金管和钢管的长度减去坡口沿管直径方向的深度，但应大于20mm或带焊管的2/3长度。

③焊丝与钎剂的选择与预置：

焊丝一般选择为Al-Si焊丝或Zn-Al焊丝，焊丝直径为1.2mm~2.0mm，为确保焊丝与待焊管良好的润湿性，应在铝合金管与钢管待焊坡口处涂刷一层钎剂，钎剂选择常用的Noclock钎剂。

④焊接过程的实施

按照步骤2中内外支撑套筒的放置位置，将内外支撑套筒及待焊铝合金管和钢管装夹至变位器上；装夹完成后，通过数控系统，输入焊接参数，所述焊接参数具体为：激光功率、离焦量、保护气流量、送丝速度、及变速机转动速度；设定完参数后，打开激光器、保护气开关及焊接变位器，移动激光束及焊丝端部位于待焊部位，通过焊接变位器不断转动待焊部分，直至转动一周焊接完成；焊接时，由于内部支撑陶瓷套筒的支撑作用，熔化的焊丝与熔化的母材形成的熔池不会因为重力的影响而向下塌陷；而外部支撑陶瓷套筒的存在，一方面抑制了焊丝熔滴由于转动离心力的作用偏离焊缝轨迹的问题，另一方面，两个外部支撑陶瓷套筒起到增大坡口深度的作用，约束熔化的焊丝留在焊缝处，达到强制成形的作用。

⑤铝/钢管异种接头的取出：

焊接完成后，将内外支撑陶瓷套筒从焊接完成的工件两侧抽出，将铝/钢管异种接头焊缝余高去除掉，从而获得有效的铝/钢小直径管异种接头。

优选的，所述步骤④中，激光功率范围一般为100W~5000W，离焦量范围为+10~+50mm，保护气流量为5L/min~25L/min，送丝速度为1.5m/min~5m/min，变速机转动速度为0.2m/min~0.8m/min。

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：

本发明通过设计并加工内外支撑实现对小直径铝/钢管的激光填丝熔钎焊接，通过使用内外陶瓷支撑套筒可有效抑制熔化的焊丝由于重力及离心力的作用而偏离铝/钢管接头待焊部位的问题，也能够有效预防焊漏及下塌等缺陷，进而实现铝/钢管异种接头焊缝的强制成形。另外，通过添加焊丝及预置钎剂的方式，可对铝/钢管接头焊缝元素成分进行调控，抑制脆性Fe-Al化合物的大量生成及裂纹的产生，避免接头的脆性，从而提高铝/钢小直径管异种接头的强度，实现可靠有效的连接。

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为本发明所述的基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法的焊接机构示意图；

附图2为本发明所述的内外支撑套筒与铝合金管及钢管的装配位置示意图；

附图3为激光束和焊丝端部的焊接位置及坡口角度示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的具体实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍；下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例获得其他的实施例。

如附图1-3所示，本发明的待焊铝/钢小直径管的型号及尺寸如下：

铝合金管6为6061铝合金管材，其内径30mm，管材的外径36mm，壁厚3mm，管材长度为150mm；

钢管7为DP980双相钢管材，其内径30mm，管材的外径36mm，壁厚3mm，管材长度为150mm。

本发明所述基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法，包含以下步骤：

①坡口加工及焊前清理：

钢管7及铝合金管6待焊一端加工为90°环V型坡口，单侧为45°；用320目的砂纸对待焊接区域进行打磨，去除铁锈等。

钢管7的表面清理：用砂轮机进行待焊部分打磨去除铁锈，直至露出金属光泽，然后将钢管7置于丙酮溶液中浸泡2~3min，吹风机吹干。

铝合金管6的表面清理：将铝合金管6置于温度为60℃~70℃的10%~15%质量分数的稀氢氧化钠溶液中浸泡2~3min，再将该冲洗后的铝合金管6置于30%质量分数的稀硫酸溶液中浸泡10s，用热水冲洗，吹风机吹干。

②内外双支撑陶瓷套筒的加工与装配：

依据铝/钢小直径管的尺寸对内外双支撑陶瓷套筒进行尺寸加工如下：

内支撑陶瓷套筒5材料选择为氮化硅陶瓷材料，其加工尺寸其外径为30mm，误差-0.1mm~0mm，内直径24mm，壁厚3mm，长度300mm，如图2。

两个外支撑陶瓷套筒4材料选择为氮化硅陶瓷材料，其内直径为36mm，加工尺寸误差0mm~0.1mm，外直径40mm，壁厚2mm，长度147mm。

内外双支撑陶瓷套筒的装配：

如图2所示，将6061铝合金管6和DP980双相钢管7套至内支撑陶瓷套筒5上，中间不留间隙；并将两个外支撑陶瓷套筒4分别装至6061铝合金管6和DP980双相钢管7上，两个外支撑陶瓷套筒4分别对齐6061铝合金管和DP980双相钢管的坡口上端；最后将整个装配好的焊接结构安装到变位器上。

③焊丝与钎剂的选择与预置：

焊丝3选择直径为1.6mm的AlSi5焊丝，并在待焊铝/钢管的坡口处预先涂抹一层Noclock钎剂。

④焊接过程的实施：

如附图1所示，将步骤②装配好的工件装夹在焊接变位器1上；然后移动激光头2与焊丝3的机械手臂至带焊管的表面高度处，激光光束聚焦于该处焊丝点，在焊接之前，先通纯氩气保护气1min；焊接时采用自动送丝机同步送进AlSi5焊丝,激光功率设置为2500W，离焦量为+40mm，焊接变位器转动速度为0.5m/min，保护气体流量为20L/min。焊接时激光束2和焊丝3端部保持不动，焊接变位器1转动一周，直至焊接完成。

⑤铝/钢焊接管接头的取出：

焊接完成后，维持保护气送进2~3min；待焊缝冷却至室温以后，将工件从变位器1上取下，然后将焊好的铝/钢管从内外支撑陶瓷套筒中抽出，最后将焊缝余高切除即可获得可靠的铝/钢小直径管异种接头。

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 (3)

1.基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法，其特征在于，包含以下步骤：

①坡口加工及焊前清理：

根据铝合金管（6）和钢管（7）的直径及壁厚，对铝合金管（6）和钢管（7）的待焊一侧进行坡口加工；坡口加工完成后，并对铝合金管（6）和钢管（7）的待焊部位进行焊前清理以去除油污及氧化膜；

②内外双支撑套筒的加工及装配：

根据所焊的铝合金管（6）和钢管（7）的内外径及长度定制设计并加工相应的外支撑陶瓷套筒（4）和内支撑陶瓷套筒（5）；外支撑陶瓷套筒（4）和内支撑陶瓷套筒（5）均为高温陶瓷材料；

所述铝合金管（6）和钢管（7）套设在内支撑陶瓷套筒（5）上，内支撑陶瓷套筒（5）与铝合金管（6）或钢管（7）紧密配合；

所述外支撑陶瓷套筒（4）有两个，两个外支撑陶瓷套筒（4）分别套设在铝合金管（6）和钢管（7）上，两个外支撑陶瓷套筒（4）的近端分别与铝合金管（6）和钢管（7）的待焊坡口的外沿对齐；

③焊丝与钎剂的选择与预置：

焊丝（3）选择Al-Si焊丝或Zn-Al焊丝，焊丝直径为1.2mm~2.0mm，为确保焊丝与待焊管良好的润湿性，在铝合金管与钢管待焊坡口处涂刷一层钎料，钎剂为常用的Noclock钎剂；

④焊接过程的实施：

将步骤②中组合好的工件装夹至焊接变位器（1）上；装夹完成后，通过数控系统输入焊接参数，所述焊接参数包含：激光功率、离焦量、保护气流量、送丝速度、及变位器（1）转动速度；设定完参数后，打开激光器、保护气开关及焊接变位器（1），将激光束（2）及焊丝（3）的端部对齐待焊部位，焊接变位器（1）将工件转动一周，完成焊接；

⑤取出焊接完成的工件：

焊接完成后，将内外支撑陶瓷套筒从焊接完成的工件两侧抽出，将焊接完成的工件的焊缝余高去除掉，从而获得有效的铝/钢小直径管异种接头；

所述步骤②中，内支撑陶瓷套筒（5）的外径与待焊的铝合金管（6）或钢管（7）的内径加工一致，外径加工误差不大于0.1mm，保证内支撑陶瓷套筒外部与铝合金管（6）或钢管（7）的内部紧密贴合，起到内支撑作用，防止焊缝的下塌；所述内支撑陶瓷套筒（5）的长度不小于待焊的铝合金管（6）和钢管（7）的长度和；内支撑陶瓷套筒（5）的壁厚不小于1.5mm，内径不小于5mm或者为内支撑陶瓷套筒外径的1/3。

2.根据权利要求1所述的基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法，其特征在于：所述步骤②中，外支撑陶瓷套筒（4）的内径与待焊的铝合金管（6）和钢管（7）的外径加工一致，内径加工误差尺寸不大于0.1mm，保证外支撑陶瓷套筒（4）与待焊的铝合金管（6）和钢管（7）的紧密贴合；外支撑陶瓷套筒（4）的壁厚在3-8mm之间；所述外支撑陶瓷套筒（4）的长度小于铝合金管（6）或钢管（7）的长度减去坡口沿管直径方向的深度，并大于20mm或待焊管材的2/3长度。

3.根据权利要求1所述的基于内外双支撑的小直径管材的激光熔钎填丝焊接方法，其特征在于：所述步骤④中的焊接参数为：激光功率范围为100W~5000W，离焦量范围为+10~+50mm，保护气流量为5L/min~25L/min，送丝速度为1.5m/min~5m/min，变位器（1）转动速度为0.2m/min~0.8m/min。

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