CN112548335A - 一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接方法及设备 - Google Patents

一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接方法及设备 Download PDF

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Abstract

一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接方法及设备，属于激光材料加工技术领域。本发明采用在焊接位置前方依次设置了活性剂送入管和铝合金粉末送入管，活性剂送入管和铝粉送入管与激光束作用点始终保持固定距离。焊接时铝粉送入管在最前端以一定速率进行铺粉，其后的活性剂送入管将活性剂以一定速率铺设在铝合金粉末表层形成双层结构，同时开启激光器采用并行式双光束激光作为热源进行焊接，活性剂、铝合金粉末和焊缝在双光束激光加热作用下熔化。利用并行式双光束激光热源使母材与填充材料熔化形成焊接熔池，一定焦点间距的并行式双激光束增加了热源作用面积，有效解决了由于激光能量作用范围过小而导致的侧壁未熔合现象。

Description

一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接方法及 设备
技术领域
本发明涉及一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接方法及设备，属于激光材料加工技术领域。
背景技术
铝合金由于其良好的耐蚀性、比强度和延展性等特点，又随着近些年来高性能厚板铝合金的不断研发，厚度大于30mm的铝合金结构件在舰船甲板、装甲壳体、雷达面板等应用日益广泛。窄间隙作为一种高效、节能的焊接技术非常适合于厚板焊接，在大型结构件连接中被广泛应用，目前，铝合金厚板复杂形体结构件焊接方法主要是采用窄间隙电弧焊接技术。窄间隙电弧焊接包括窄间隙TIG、窄间隙MAG/MIG、窄间隙埋弧焊，虽然是窄间隙坡口，但由于要将电弧焊枪或焊剂伸入到焊接位置处，所开坡口尺寸依然较大，所需填充金属较多，需要多层多道完成填充，焊接效率大大降低，这使得焊接接头的应力、变形大幅增加，较大的焊接热输入也对焊接接头造成了塑韧性损伤。
随着光纤激光器、碟片激光器等高质量激光器迅速发展，激光束凭借着自身能量密度高、焊接变形小、热输入小、热影响区窄、具有优良的传输及聚焦特性等特点，使得激光作为热源熔化焊丝及焊缝配合窄间隙技术应用在厚板材料焊接方向具有显著优势，成为了厚板焊接领域的研究热点。
但是，在实际的应用中发现，常规的窄间隙单激光填丝焊接铝合金厚板时极易出现未熔合、焊接气孔率高及送丝稳定性差等问题。窄间隙厚板焊接中的未熔合主要为层间未熔合和侧壁未熔合，层间未熔合产生的主要原因是当选取的常规单激光光束热源散焦过大时，焊丝熔化填充过程中激光能量过多作用在侧壁；侧壁未熔合产生的主要原因是选取的常规单激光光束激光能量作用面积过小，焊缝中心熔深大，而侧壁热输入不足。铝合金激光焊接焊缝气孔形成的主要原因是深熔小孔的瞬间失稳，致使匙孔不稳定闭合，气体无法逃逸，又由于铝合金有着较快的凝固速度，最后这些无法逃逸的气体就以气泡的形式存在于焊缝之中。送丝稳定性差的主要原因是常规的窄间隙单激光填丝焊接所用焊丝为实芯刚性铝合金焊丝，为使焊丝进入较小间隙的窄间隙坡口送入到指定区域，所用送丝装置空间尺寸必须足够细小而不与坡口侧壁发生干涉，送丝装置足够细小后又会面临着自身刚性降低，当送入实芯刚性铝合金焊丝时阻力较大，极易造成失稳，尤其是焊接大曲率、复杂空间位置时，送丝装置稳定性更差，焊丝难以到达指定位置，送丝不准确，甚至焊丝无法与激光耦合熔化致使焊接过程终止。因此，提供铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接方法及设备来解决上述技术问题是十分必要的。
发明内容
本发明为了解决铝合金厚壁构件窄间隙焊接时极易出现未熔合、焊接气孔率高及送丝稳定性差的技术问题，提供一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接方法及设备。
一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接设备，包括焊接激光、光学分光镜和两个粉末送入管；光学分光镜将焊接激光分为两束激光，两束激光并行移动进行焊接；两个粉末送入管均位于激光作用点行进方向的前方。
进一步地，两个粉末送入管分别为活性剂送入管和铝合金粉末送入管；所述的活性剂送入管和铝合金粉末送入管之间的距离固定，焊接时铝合金粉末送入管位于焊接行进方向的最前端。
应用上述设备进行铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一，将待焊工件进行去除氧化膜和油污处理，并使用夹具夹持在焊接平台上，待焊工件为窄间隙坡口；
步骤二，将两个粉末送入管和激光头安装定位，调整两个粉末送入管与焊接平面垂直，保证焊接激光束作用点与两个粉末送入管在同一平面，并且三者沿焊接方向依次为焊接激光束、活性剂送入管和铝合金粉末送入管；并保证焊接激光束作用点与活性剂送入管间距固定为20mm，激光束作用点与铝合金粉末送入管间距固定为40mm；
步骤三，采用光学分光镜将焊接焊接激光束分为两束激光，并调整两束激光与焊接方向并行，两束激光的焦点间距为0～5mm；
步骤四，开启送粉器与运动机构，铝粉送入管在最前端进行铺粉获得铝合金粉末层，其后的活性剂送入管将活性剂铺设在铝合金粉末成上方形成双层结构；
步骤五，开启激光器，采用并行式两束激光作为热源进行焊接，采用单道多层填充方式完成焊接，焊接完成后立刻进行激光清洗去除焊缝表面杂质。
进一步地，窄间隙坡口的下端宽度为3～5mm，上端宽度为8～12mm。
进一步地，待焊工件为厚度为20-130mm的铝合金。
进一步地，两束激光的总输出功率为4000-6000W，离焦量为0mm。
进一步地，活性剂送入管和铝粉送入管与激光束作用点始终保持固定距离，整体焊接速度为0.6～1.5m/min。
进一步地，双层结构的厚度为5～5mm，，粉料的颗粒度在200-400目之间。
进一步地，活性剂为TiO2、SiO2、Cr2O3、CaF2中一种或多种以任意比例混合。
进一步地，焊接过程在高纯氩气的保护下进行，高纯氩气流量为8L/min。
更进一步地，高纯氩气的纯度为99.999％。
本发明具有以下有益效果：本发明在焊接位置前方依次设置了活性剂送入管和铝合金粉末送入管，活性剂送入管和铝粉送入管与激光束作用点始终保持固定距离。焊接时铝粉送入管在最前端以一定速率进行铺粉，其后的活性剂送入管将活性剂以一定速率铺设在铝合金粉末表层形成双层结构，同时开启激光器采用并行式双光束激光作为热源进行焊接，活性剂、铝合金粉末和焊缝在双光束激光加热作用下熔化。利用并行式双光束激光热源作用模式使母材与填充材料熔化形成焊接熔池，一定焦点间距的并行式双激光束增加了热源作用面积，有效解决了由于激光能量作用范围过小而导致的侧壁未熔合现象，同时活性剂粉末的加入可以降低等离子体对激光的屏蔽效应，增强匙孔效应和改变熔池表面张力，使得焊缝熔深增加，有效解决了由于激光能量过于分散而导致的层间未熔合现象，且可以明显改善焊缝表面成形。且一定焦点间距的并行式双激光束可以在熔池中产生一个共同的、尺寸较大的匙孔，也可以在同一熔池内产生两个深度较浅的独立匙孔，匙孔开口面积的增加或者匙孔深度的降低都将延长其存在周期，匙孔稳定性增强，相应的焊缝气孔率也会急剧降低。且本发明采用铺粉式送料方式，替换了常规的实芯刚性铝合金焊丝，不需要结构复杂的送丝装置，只需要一根与送粉器相连的铝粉送入管伸入到窄间隙内即可将铝粉准确铺设在待焊区域，有效解决了常规送丝结构稳定性差等问题。由此可知，本发明具有以下优点：
(1)本方法的双激光束热源作用面积大，作用模式可控，可以解决厚板焊接时极易出现的未熔合问题，同时双光束焊接匙孔稳定性强，焊缝气孔率低。
(2)采用铺粉式送料方式，大大简化了常规的实芯刚性铝合金焊丝送丝装置，避免了填丝焊接的送丝稳定性以及空间位置干涉等问题。
(3)在铝粉层表面铺设了一层活性剂粉末，降低等离子体对激光的屏蔽效应，增强匙孔效应和改变熔池表面张力，增加焊接熔深改善焊缝表面成形。
(4)提高了焊接质量与焊接效率，推动厚壁铝合金构件焊接技术向前发展。
附图说明
图1为铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接的示意图；
图2为双光束激光焦点间距较小时在熔池中产生的尺寸较大匙孔的示意图；
图3为双光束激光焦点间距较大时同一熔池内产生两个独立的匙孔的示意图；
图4a为实施例1获得的焊缝表面照片；
图4b为实施例1获得的焊缝探伤照片；
图5a为实施例2获得的焊缝表面照片；
图5b为实施例2获得的焊缝探伤照片；
图中1-窄间隙坡口，2-保护气排嘴，3-两束激光，4-活性剂送入管，5-铝合金粉末送入管，6-铝合金厚板，7-铺粉区,8-匙孔，9-熔池。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1：
第一步，焊前将50mm厚5A06铝合金窄间隙坡口经过去除氧化膜及油污处理，将准备好的待焊工件通过夹具夹持在实验平台上，所述窄间隙坡口的下端宽度为3mm，上端宽度为12mm；
第二步，活性剂送入管和铝合金粉末送入管的尺寸相同，外径为2.8mm，内径为2mm。如图1所示，将两送入管与激光头安装定位，保证激光束与两送入管在同一平面，三者空间位置沿焊接方向依次是激光束、活性剂送入管、铝合金粉末送入管。调整活性剂送入管与焊接平面垂直，与激光束作用点距离固定为20mm，调整铝合金粉末送入管与焊接平面垂直，与激光束作用点距离固定为40mm；
第三步，调整双激光束与焊接方向成并行方式，两焦点间距设置为0.8mm，离焦量为0mm。
第四步，开启送粉器与运动机构，铝粉送入管在最前端以1m/min速度进行铺粉，其后的活性剂送入管将活性剂以1m/min速度铺设在铝合金粉末表层形成双层结构；
第五步，开启激光器，双光束激光总输出功率为5000W，整体焊接速度为1m/min。活性剂、铝合金粉末和焊缝在双光束激光加热作用下熔化，双光束激光在熔池中产生一个共同的、尺寸较大的匙孔，如图2所示。
第六步，单道焊接完成后立刻进行激光清洗，调整位置准备下一道焊接。
获得的焊缝表面照片如图4a所示，该焊缝探伤结果如图4b所示。
实施例2：
第一步，焊前将50mm厚5A06铝合金窄间隙坡口经过去除氧化膜及油污处理，将准备好的待焊工件通过夹具夹持在实验平台上，所述窄间隙坡口的下端宽度为3.4mm，上端宽度为12mm；
第二步，活性剂送入管和铝合金粉末送入管的尺寸相同，外径为2.8mm，内径为2mm。将两送入管与激光头安装定位，保证激光束与两送入管在同一平面，三者空间位置沿焊接方向依次是激光束、活性剂送入管、铝合金粉末送入管。调整活性剂送入管与焊接平面垂直，与激光束作用点距离固定为20mm，调整铝合金粉末送入管与焊接平面垂直，与激光束作用点距离固定为40mm；
第三步，调整双激光束与焊接方向成并行方式，两焦点间距设置为1.5mm，离焦量为0mm。
第四步，开启送粉器与运动机构，铝粉送入管在最前端以1m/min速度进行铺粉，其后的活性剂送入管将活性剂以1m/min速度铺设在铝合金粉末表层形成双层结构；
第五步，开启激光器，双光束激光总输出功率为5000W，整体焊接速度为1m/min。活性剂、铝合金粉末和焊缝在双光束激光加热作用下熔化，双光束激光在熔池中形成两个独立匙孔，如图3所示。
第六步，单道焊接完成后立刻进行激光清洗，调整位置准备下一道焊接。
获得的焊缝表面照片如图5a所示，该焊缝探伤结果如图5b所示。

Claims (10)

1.一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接设备，其特征在于，包括：焊接激光、光学分光镜和两个粉末送入管；所述的光学分光镜将焊接激光分为两束激光，两束激光并行移动进行焊接；两个粉末送入管均位于激光作用点行进方向的前方。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接设备，其特征在于，所述的两个粉末送入管分别为活性剂送入管和铝合金粉末送入管；所述的活性剂送入管和铝合金粉末送入管之间的距离固定，焊接时铝合金粉末送入管位于焊接行进方向的最前端。
3.应用权利要求1所述的设备进行铝合金厚壁构件的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，将待焊工件进行去除氧化膜和油污处理，并使用夹具夹持在焊接平台上，待焊工件为窄间隙坡口；
步骤二，将两个粉末送入管和激光头安装定位，调整两个粉末送入管与焊接平面垂直，保证焊接激光束作用点与两个粉末送入管在同一平面，并且三者沿焊接方向依次为焊接激光束、活性剂送入管和铝合金粉末送入管；并保证焊接激光束作用点与活性剂送入管间距固定为20mm，激光束作用点与铝合金粉末送入管间距固定为40mm；
步骤三，采用光学分光镜将焊接焊接激光束分为两束激光，并调整两束激光与焊接方向并行，两束激光的焦点间距为0～5mm；
步骤四，开启送粉器与运动机构，铝合金粉末送入管在最前端进行铺粉获得铝合金粉末层，其后的活性剂送入管将活性剂铺设在铝合金粉末成上方形成双层结构；
步骤五，开启激光器，采用并行式两束激光作为热源进行焊接，采用单道多层填充方式完成焊接，焊接完成后立刻进行激光清洗去除焊缝表面杂质。
4.根据权利要求3所述的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，其特征在于，所述的窄间隙坡口的下端宽度为3～5mm，上端宽度为8～12mm。
5.根据权利要求3所述的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，其特征在于，所述的待焊工件为厚度为20-130mm的铝合金。
6.根据权利要求3所述的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，其特征在于，所述的两束激光的总输出功率为4000-6000W，离焦量为0mm。
7.根据权利要求3所述的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，其特征在于，所述的活性剂送入管和铝粉送入管与激光束作用点始终保持固定距离，整体焊接速度为0.6～1.5m/min。
8.根据权利要求3所述的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，其特征在于，所述的双层结构的厚度为5～5mm，粉料的颗粒度为200～400目。
9.根据权利要求3所述的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，其特征在于，所述的活性剂为TiO2、SiO2、Cr2O3或CaF2中一种或多种按照任意比例混合。
10.根据权利要求3所述的窄间隙双光束激光填粉焊接的方法，其特征在于，焊接过程在高纯氩气的保护下进行，高纯氩气流量为8L/min。
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