CN112719594A - 一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铝合金激光焊接技术领域，公开了一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法。所述方法是在铝合金平板对接接口处预置合金粉末，同时外加电磁场辅助激光焊接，旨在提高铝合金激光焊接质量。与现有技术相比，本发明改善了化学粘接法预置粉末易产生气孔缺陷的问题；同时基于磁流体动力学原理，外加电磁场改变熔池流动，对液态金属产生磁搅拌作用，细化晶粒，改善焊缝组织；在激光焊接过程中，横向磁场发生装置可在熔池处产生稳态磁场，与直流电源产生的电场耦合作用，熔池受到稳定的电磁力，有效防止焊缝下榻，提高接头的力学性能，从而提高航空用铝合金焊接结构件的可靠性。

Description

一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法。
背景技术
铝合金因其密度低、比强度高、耐蚀性好等优点，被广泛应用于汽车船舶、化学工业、航空航天等领域。基于铝合金导热率高、膨胀系数大等物理性能，因此工业中常常采用激光焊接的方式对铝合金结构进行焊接。激光焊接是将高密度能量集中于光斑上，因而具有能量集中、焊接效率高等优点。
然而，由于铝合金特殊的物理化学性能，通过激光焊接铝合金时，若焊接参数控制不当，易出现气孔、缩松、咬边等缺陷，严重影响焊接质量。尤其是对于大型复杂的焊接结构，构件结构、焊接工艺、施焊条件等对焊后构件的变形及残余应力分布有很大的影响。因此，亟需针对铝合金激光焊接方法作出改进。
将以单质元素或化合物制成的粉末引入焊接熔池，可显著改善焊缝组织，提高焊接接头力学性能，一般采用送粉和预置两种方式。其中，送粉式激光焊接不仅对粉末粒度、形状有着严格要求，而且易造成粉末浪费，相比之下预置粉末式激光焊接没有这些缺点。常用的粉末预置方法主要包括热喷涂法和化学粘结法。其中，化学粘接法虽有着更低的粉末损失量，但由于使用了各种粘结剂，尽管采取了如干燥等一些措施，但在激光焊接的过程中还是极易产生气孔等缺陷，同时粘结剂的加入对焊缝成分也会产生不同程度的不利影响。
针对上述问题，外加电磁场辅助激光焊接方法可显著改善预置粉末带来的气孔等缺陷，可有效提高激光的利用率，增大熔深；同时基于磁流体动力学原理，外加电磁场还能改变熔池流动，对液态金属产生磁搅拌作用，细化晶粒，改善焊缝组织；此外，在横向稳态磁场与直流电源产生的电场耦合作用下，熔池受到稳定的电磁力，有效防止焊缝下榻，提高接头的力学性能，从而实现航空用铝合金板材的高质量焊接。因此，本发明提出一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法，改进现有的铝合金激光焊接技术。本发明的方法可在极大提高生产效率的同时得到焊缝质量稳定的铝合金平板对接接头，得到的焊接接头具有较少的缺陷及良好的力学性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法，用于对工件进行焊接，包括如下步骤：
1)母材表面处理，即对铝合金母材表面进行毛化处理并用丙酮和无水乙醇清洗干净；
2)粉末处理，即将粉末置于压片模具中，在压力设备上压制成片状，并将其烘干；
3)将步骤2压制后的粉末片与工件相连接，然后将其置于激光焊接平台上；
4)调节磁场发生装置，使焊接起始位置处于稳态磁场中，磁场强度可通过磁场电源调节；开启直流电源施加电场，电压连续可调(0-220V)；
5)开启激光器，通过激光头输出连续激光，使母材与预置合金粉末熔化进入焊接熔池中；在焊接过程中同时开启保护气瓶，通过喷嘴对熔池进行保护。
进一步地，所述的母材表面处理包括表面清洁与毛化处理。
所述表面清洁要求去除母材对接接口区域的绝缘氧化皮；毛化方法包括喷砂毛化、切削加工毛化及特种加工毛化中的一种或几种。
进一步地，所述的粉末是由两种或两种以上单质或化合物粉末组成的混合粉末，且针对不同牌号的铝合金所用粉末的化学成分不同。
进一步地，所述的预置合金粉末与工件的连接是化学粘接，采用的粘接剂是有机粘接剂或无机溶胶。
进一步地，所述方法使用的装置包括激光系统，由激光器、激光头组成。激光器输出的激光束经激光头聚焦后，与工件成75-80°夹角。
所用激光焊接参数为：激光功率2-6kW，焊接速度1.5-3.5m/min，离焦量0-5mm。
进一步地，所述保护气喷嘴与工件成45°夹角，激光焊接过程中采用Ar气保护，保护气流量为12-15L/min。
进一步地，所述方法使用的装置包括电磁场发生系统，由磁场电源、磁场发生装置、夹片、直流电源组成。
磁场发生装置为两个同轴相对布置的亥姆霍兹线圈，可产生横向稳态磁场，且在激光焊接过程中随激光头同步运动。直流电源输出电压连续可调(0-220V)，正负极通过夹片与焊缝前后端连接形成闭合回路。电磁场强度大小可通过计算机进行调控，根据左手定则，焊接过程中熔池受稳定电磁力。
进一步地，所述工件位于磁场中心，可在工件下方放置垫板补充高度，确保焊接熔池始终受电磁场作用。
本发明的有益效果如下：
1)本发明的方法粉末利用率高，显著降低粉末损失，可节约粉末的使用，提高经济效益；同时，对粉末的粒度无要求，对不适宜用热喷涂法预置粉末的超细粉体仍然适用，无需专门的喷涂设备，降低成本。
2)本发明的外加电磁场辅助激光焊接方法可有效减少预置粉末带来的气孔等缺陷，有效提高激光的利用率，增大熔深；同时可稳定焊接过程，提高焊接速度，在横向稳态磁场与直流电源产生的电场耦合作用下，熔池受到稳定的电磁力，有效防止焊缝下榻，减少飞溅、咬边等缺陷，改善焊缝成形。
本发明的外加电磁场辅助激光焊接方法可显著改善焊缝组织；焊缝晶体的取向能够在外加磁场的作用下趋于一致，提高焊缝的力学性能，增加焊缝的强度和耐蚀性；另一方面，基于磁流体动力学原理，焊接过程中的等离子体受外加电磁场影响，进而影响熔池流动行为，熔池中的熔融金属能够在外加磁场的作用下高速流动，阻碍树枝晶的生成，细化晶粒，对液态金属产生磁搅拌作用，改变焊缝截面形态。电磁辅助焊接的电流电压、磁感应强度等参数易于控制和调整，装置简单且能明显改善焊接质量，有着较大的研究空间与应用前景。
附图说明
为更清晰的表达本方法，下面对本发明所需要的附图进行介绍。
图1是一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法所用装置的结构示意图；
图2是焊接熔池稳态磁场分布与电磁力受力示意图；
图中：
激光器；2-激光头；3-激光束；4-磁场电源；5-磁场发生装置；501-左线圈；502-右线圈；6-垫板；7-计算机；8-夹片；9-保护气喷嘴；10-连续可调直流电源；11-铝合金工件；12-粉末片。
具体实施方式
下面结合图1-2及实例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
本发明的一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法，包括如下步骤：
1)焊接材料的选用：选用2219铝合金，其成分为：Si：≤0.20％；Fe：≤0.30％；Cu：5.8-6.8％；Mn：0.20-0.40％；Mg：≤0.02％；V：0.05-0.15％；Zr：0.10-0.25％；Zn：≤0.10％；Ti：0.02-0.10％；Al：余量；2219铝合金板材尺寸为100mm×50mm×19.05mm，开30°坡口，钝边厚度6mm，间距0.8mm；
2)焊接设备的选用：由KUKA机器人KR30HA、TruDisc-12003碟片式激光器(1)及机械手等组成的激光焊接装置，最大激光功率为12kW，波长为1030nm，光纤最小直径300μm；
3)母材处理，即对工件(11)表面进行表面清洁与毛化处理，表面清洁去除母材对接接口区域的绝缘氧化皮，毛化方法采用喷砂毛化。毛化处理后用丙酮和无水乙醇清洗干净；
4)粉末处理，即将粉末置于压片模具中，在压力设备上将粉末压制成片状(12)，粉末片厚度为1.2mm；针对2219铝合金，选用AlSi12球形铝合金粉末，粒度为40-150μm；
5)用粘接剂将压制的粉末片(12)与工件(11)相连接，然后将连接有粉末片的工件置于激光焊接设备中进行焊接，其中粘接剂选用硝酸纤维素；
6)调节磁场发生装置(5)，在工件下方放置一块5mm的垫板(6)补充高度，确保焊接熔池始终处于稳态磁场中，磁场强度可通过磁场电源(4)调节；直流电源(10)正负极通过夹片(8)与焊缝前后端连接形成闭合回路，开启直流电源(10)施加电场，电压连续可调(0-220V)。电磁场强度大小可通过计算机(7)进行调控，根据左手定则，焊接过程中熔池受稳定电磁力。
7)开启激光器(1)，通过激光头(2)输出连续激光(3)，与工件成75-80°夹角，使母材与预置合金粉末熔化进入焊接熔池中。焊接参数为激光功率3kW，焊接速度2m/min，离焦量3mm。在焊接过程中同时开启保护气瓶，通过喷嘴(9)对熔池进行保护，保护气喷嘴与工件(11)成45°夹角，激光焊接过程中采用Ar气(纯度99.99％)保护，保护气流量为15L/min。
结合图1-2所示，本发明的工作原理如下：
外加电磁场辅助焊接有效减少预置粉末带来的气孔等缺陷，提高激光的利用率，增大熔深；同时可稳定焊接过程，提高焊接速度，在横向稳态磁场与直流电源产生的电场耦合作用下，熔池受到稳定的电磁力，有效防止焊缝下榻，减少飞溅、咬边等缺陷，改善焊缝成形。同时，焊缝晶体的取向能够在外加磁场的作用下趋于一致，提高焊缝的力学性能，增加焊缝的强度和耐蚀性；另一方面，附加电磁力主动调控了熔池流场，影响了熔池内的力场状态，熔池中的熔融金属能够在外加磁场的作用下高速流动，阻碍树枝晶的生成，细化晶粒，对液态金属产生磁搅拌作用，改变焊缝截面形态。熔池中高速后向液体流受前向电磁力的影响，流速降低，动量减小，主要流动通道改为加热斑点两侧，从而抑制了驼峰焊道的产生。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护。

Claims (8)

1.一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法，用于对工件(11)进行焊接，其特征在于，具体步骤如下：
1)母材表面处理，即对铝合金母材表面进行毛化处理并用丙酮和无水乙醇清洗干净；
2)粉末处理，即将粉末置于压片模具中，在压力设备上压制成片状，并将其烘干；
3)将步骤2压制后的粉末片(12)与工件(11)相连接，然后将其置于激光焊接平台上；
4)调节磁场发生装置(5)，使焊接起始位置处于稳态磁场中，磁场强度可通过磁场电源(4)调节；开启直流电源(10)施加电场，电压连续可调(0-220V)；
5)开启激光器(1)，通过激光头(2)输出连续激光(3)，使母材与预置合金粉末熔化进入焊接熔池中；在焊接过程中同时开启保护气瓶，通过喷嘴(9)对熔池进行保护。
2.根据权利要求1所述的铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法，其特征在于，所述母材表面处理包括表面清洁与毛化处理。表面清洁要求去除母材对接接口区域的绝缘氧化皮；毛化方法包括喷砂毛化、切削加工毛化及特种加工毛化中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法，其特征在于，所述粉末是由两种或两种以上单质或化合物粉末组成的混合粉末，且针对不同牌号的铝合金所用粉末的化学成分不同。
4.根据权利要求1所述的铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法，其特征在于，所述预置合金粉末(12)与工件(11)的连接是化学粘接，采用的粘接剂是有机粘接剂或无机溶胶。
5.根据权利要求1所述的铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法所使用的装置，其特征在于，包括激光系统，由激光器(1)、激光头(2)组成。激光器(1)输出的激光束(3)经激光头(2)聚焦后，与工件(11)成75-80°夹角；激光焊接参数为：激光功率2-6kW，焊接速度1.5-3.5m/min，离焦量0-5mm。
6.根据权利要求1所述的铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法所使用的装置，其特征在于，保护气喷嘴(9)与工件(11)成45°夹角，激光焊接过程中采用Ar气保护，保护气流量为12-15L/min。
7.根据权利要求1所述的铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法所使用的装置，其特征在于，包括电磁场发生系统，由磁场电源(4)、磁场发生装置(5)、夹片(9)、直流电源(10)组成。磁场发生装置(5)为两个同轴相对布置的亥姆霍兹线圈(501、502)，可产生横向稳态磁场，且在激光焊接过程中随激光头同步运动。直流电源(10)输出电压连续可调(0-220V)，正负极通过夹片(9)与焊缝前后端连接形成闭合回路。电磁场强度大小可通过计算机(7)进行调控，根据左手定则，焊接过程中熔池受稳定电磁力。
8.一种铝合金表面预置粉末的电磁辅助激光焊接方法，根据权利要求7所述的电磁场发生系统，其特征在于，工件(11)位于磁场中心，可在工件(11)下方放置垫板(6)补充高度，确保焊接熔池始终受电磁场作用。
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