CN113172339A - 一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，它包括如下步骤：(一)对等厚度的待焊接铝板和钢板分别开Y型坡口和V型坡口，对Y型坡口、V型坡口及铝板和钢板的上下表面进行深度清理；(二)将待焊接铝板和钢板置于焊接夹具上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；(三)调整主光束和辅助光束的位置，设置光束功率；(四)设定工艺参数，且焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变。该焊接方法采用激光填丝可以提高铝合金的吸收率，稳定焊接过程，阻止了裂纹形成的条件，改进了焊缝的力学性能，且该焊接方法可以有效调节焊接接头温度场分布，有利于控制界面反应，同时解决了侧壁未熔合的缺陷，提高了焊接接头的强度。

Description

一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，属于异种金属激光加工技术领域。

背景技术

近年来，在国内外工业生产中，采用铝/钢双金属焊接结构的产品越来越多，尤其在航空、汽车、电工、化工、国防等工业部门被广泛采用。然而中厚板具有较高的强度，能承受高负载重量、撞击和压力，其主要应用于船体的外壳和内部防水壁、制造大口径的输油和输气的管道及水利发电站闸门等领域中。此外，铝及铝合金的密度小、比强度高，且具有良好的导电性、导热性和耐蚀性，为了充分发挥材料的固有性能和节省材料，将铝/钢焊接成为一种金属结构，具有独特的优势和良好的经济效益。因此，中厚板铝/钢异种金属的连接具有十分重要的意义。

铝和钢异种金属熔焊时主要采用氩弧焊、电子束焊以及气焊等焊接方法；铝和钢异种金属压焊时主要采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等方法进行焊接。以上这些焊接方法均有一个共同的缺点，即焊件的形状和尺寸受到一定的限制。激光焊接作为一种激光加工技术得到了日益广泛的应用和不断的开发与研究。随着工业激光器的出现，在某些领域中，激光焊接已经成为了一些传统的焊接方法的替代技术。

目前对于中厚板铝/钢异种金属对接接头焊接方法的研究相对较少。

在申请公布号为CN110899974A、申请公布日为2020.03.24的发明专利申请中公开了一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，该焊接方法解决了实际生产中面临的大间隙和错边导致的成形不良问题，但该方法主要针对钢的对接焊，并不适用于中厚板铝/钢异种金属焊接。

在授权公告号为CN110560902B、授权公告日为2021.02.12的发明专利中公开了中厚板T型接头角焊缝的摆动激光填丝焊接方法，该方法主要针对中厚板T型接头角焊缝，对中厚板铝/钢异种金属对接接头并不适用。

在申请公布号为CN110091067A、申请公布日为2019.08.06的发明专利申请中公开了一种用于焊接中厚板的激光和K-TIG复合焊接方法，该焊接方法的中厚板材料为不锈钢、Invar钢、碳钢的任意一种，也不适用于中厚板铝/钢异种金属的焊接。

激光填丝焊接作为推进激光焊接产业化的一种方案，可以焊接间隙较大的对接板和大厚板，还可以调节异种金属的焊缝化学成分，对焊后裂纹的抑制有明显的效果。此外，由于铝合金对激光的反射率较大，接头软化，焊接过程易于产生热裂纹等，这些问题限制了采用激光焊接方法对铝/钢异种金属进行连接。

因此，现有技术的焊接方法难以满足中厚板铝/钢异种金属的焊接需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的焊接方法难以满足中厚板铝/钢异种金属的焊接需求，而提供一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，该焊接方法采用激光填丝可以提高铝合金的吸收率，稳定焊接过程，阻止了裂纹形成的条件，改进了焊缝的力学性能，且该焊接方法可以有效调节焊接接头温度场分布，有利于控制界面反应，同时解决了侧壁未熔合的缺陷，提高了焊接接头的强度。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，它包括如下步骤：

(一)对等厚度的待焊接铝板和钢板分别开Y型坡口和V型坡口，对Y型坡口、V型坡口及铝板和钢板的上下表面进行深度清理；

(二)将待焊接铝板和钢板置于焊接夹具上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；

(三)调整主光束和辅助光束的位置，设置光束功率：将两个不同能量和光斑形状的光纤激光器和半导体激光器作为焊接热源，所述光纤激光器的功率为2～6kW，所述半导体激光器的功率为2～4kW；其中，将光纤激光器发出的激光聚焦为圆形光斑作为主光束辐照于铝板侧的Y型坡口位置，并熔化填丝金属使之填充坡口，所述圆形光斑的直径为0.3～2.0mm；将半导体激光器发出的激光整形为矩形光斑作为辅助光束辐照于钢板侧的V型坡口斜面，对钢板坡口斜面进行预热，促进铺展在钢板边缘的熔融态金属液体的流动性，使填丝金属顺利地向铝板和钢板之间的间隙里润湿铺展，所述矩形光斑的宽度为2～4mm、长度为3～6mm；所述主光束和辅助光束的离焦量为-4～+4mm；所述主光束和辅助光束沿焊接方向交叉式排列，所述辅助光束在前、主光束在后，所述主光束和辅助光束的入射方向均与铝板和钢板的上表面垂直；

(四)设定工艺参数，且焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变：采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，所述保护气体的气体流量为15～20L/min；焊接速度为1.5～6.0m/min；送丝角度α₃为30°～60°，所述主光束和辅助光束均沿着焊接方向以相同的速度移动，送丝速度与焊接速度的比值K的取值范围为8～12；

由于待焊接的钢板和铝板的厚度可变，主光束的功率设定需满足数学模型公式：

P＝(d₁×v)/K₁

式中：

P—设定主光束功率，单位Kw；

d₁—钢板和铝板的厚度，单位mm；

v—焊接速度，单位mm/min；

K₁—比例系数，取值范围为2～10,保证铝板和填丝金属发生熔化；

根据上述公式计算出设定主光束功率P，再进行激光焊接。

优选的，所述钢板和铝板的厚度d₁为3～10mm，所述铝板侧Y型坡口的角度α₁的取值范围为45°～60°，所述Y型坡口的底部剩余板厚d₂为d₁的50％；所述钢板侧V型坡口的角度α₂的取值范围为45°～60°；所述铝板与钢板底部之间的预留间隙W为0.5～1.0mm。

优选的，所述填丝金属为AlSi₁₂近共晶合金焊丝，所述填丝金属的直径为1.2～6.0mm。

优选的，所述保护气体包括正面和背面两个方向的保护气体，其中，正面的保护气体采用侧吹、沿焊道吹送和同轴气体保护的方式对焊接熔池进行保护；

在光纤激光器和半导体激光器的焊头上均设有侧吹和同轴方向的保护气体；

在焊接夹具上设有沿焊道吹送保护气体的通道；

其中，侧吹的保护气体用于驱散等离子体；沿焊道吹送的保护气体用于保护已凝固但温度仍然较高的焊缝金属不被氧化，同时防止氧化夹杂物导致的气孔和飞溅；同轴的保护气体用于防止飞溅物损伤激光器镜片。

优选的，所述步骤(一)中，对Y型坡口、V型坡口及铝板和钢板的上下表面进行深度清理的步骤为：依次采用800目、1500目和2000目的砂纸分别对铝板和钢板的坡口表面进行打磨，对打磨完成后的铝板先碱洗后酸洗，并用酒精擦拭，再烘干；对打磨完成的钢板用丙酮进行擦拭，再烘干。

优选的，所述钢板和铝板的厚度d₁为6mm，所述Y型坡口的底部剩余板厚d₂为3mm。

优选的，所述光纤激光器的功率为4kW，所述圆形光斑的直径为1.2mm；所述半导体激光器的功率为3kW，所述矩形光斑的宽度为3mm、长度为4mm。

优选的，所述主光束和辅助光束的离焦量为0mm。

优选的，所述焊接速度为3.2m/min，所述送丝角度α₃为45°。

优选的，所述填丝金属的直径为3.2mm。

本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法中，将不同能量和光斑形状的光纤激光器和半导体激光器作为焊接热源；其中，将光纤激光器发出的激光聚焦为圆形光斑作为主光束辐照于铝板的坡口位置并熔化填丝金属使之填充坡口；将半导体激光器发出的激光整形为矩形光斑作为辅助光束辐照于钢板的坡口斜面，对钢板表面进行预热，并促进铺展在钢板边缘的熔融态金属液体的流动性，利于填丝金属向间隙里润湿铺展；主光束和辅助光束均沿着焊接方向以相同的速度移动，通过调整焊接工艺参数，控制焊接热输入，改善了中厚板铝/钢异种金属焊接时温度场的分布，进而有利于控制界面反应，同时解决了侧壁未熔合的缺陷，提高了焊接接头的强度。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的焊接立体示意图。

图2为本发明具体实施方式的焊接主视示意图。

图3为本发明具体实施方式的焊接俯视示意图。

图中：

1-铝板，2-钢板，3-圆形光斑，4-矩形光斑，5-填丝金属，6-焊缝，7-焊接方向，8-主光束，9-辅助光束；

d₁-钢板和铝板的厚度，d₂-Y型坡口的底部剩余板厚，W-铝板与钢板底部之间的预留间隙，α₁-铝板侧Y型坡口的角度，α₂-钢板侧V型坡口的角度，α₃-送丝角度，P-设定主光束功率，v-焊接速度，K₁-比例系数。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，它包括如下步骤。

(一)对等厚度的待焊接铝板1和钢板2分别开Y型坡口和V型坡口，对Y型坡口、V型坡口及铝板1和钢板2的上下表面进行深度清理。

所述钢板和铝板的厚度d₁为3～10mm，所述铝板侧Y型坡口的角度α₁的取值范围为45°～60°，所述Y型坡口的底部剩余板厚d₂为d₁的50％，优选钢板和铝板的厚度d₁为6mm，Y型坡口的底部剩余板厚d₂为3mm；所述钢板侧V型坡口的角度α₂的取值范围为45°～60°；所述铝板与钢板底部之间的预留间隙W为0.5～1.0mm。

对Y型坡口、V型坡口及铝板1和钢板2的上下表面进行深度清理的步骤为：依次采用800目、1500目和2000目的砂纸分别对铝板1和钢板2的坡口表面进行打磨，对打磨完成后的铝板1先碱洗后酸洗，并用酒精擦拭，再烘干；对打磨完成的钢板2用丙酮进行擦拭，再烘干。

(二)将待焊接铝板1和钢板2置于焊接夹具上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头。

(三)调整主光束8和辅助光束9的位置，设置光束功率。

将两个不同能量和光斑形状的光纤激光器和半导体激光器作为焊接热源，所述光纤激光器的功率为2～6kW，优选光纤激光器的功率为4kW，所述半导体激光器的功率为2～4kW，优选半导体激光器的功率为3kW。

将光纤激光器发出的激光聚焦为圆形光斑3作为主光束8辐照于铝板1侧的Y型坡口位置，并熔化填丝金属5使之填充坡口，所述圆形光斑3的直径为0.3～2.0mm，优选圆形光斑3的直径为1.2mm。

将半导体激光器发出的激光整形为矩形光斑4作为辅助光束9辐照于钢板2侧的V型坡口斜面，对钢板2坡口斜面进行预热，并促进铺展在钢板2边缘的熔融态金属液体的流动性，使填丝金属5顺利地向铝板1和钢板2之间的间隙里润湿铺展，所述矩形光斑4的宽度为2～4mm、长度为3～6mm，优选矩形光斑4的宽度为3mm、长度为4mm。

所述主光束8和辅助光束9的离焦量为-4～+4mm，优选主光束8和辅助光束9的离焦量为0mm。所述主光束8和辅助光束9沿焊接方向7交叉式排列，所述辅助光束9在前、主光束8在后，所述主光束8和辅助光束9的入射方向均与铝板1和钢板2的上表面垂直。

所述填丝金属5为AlSi₁₂近共晶合金焊丝，所述填丝金属5的直径为1.2～6.0mm，优选填丝金属5的直径为3.2mm。

所述主光束8和辅助光束9采用两个激光器分别产生，且主光束8和辅助光束9的功率均可以调节，由于待焊接的钢板2和铝板1的厚度可变，主光束8的功率设定需满足数学模型公式：

P＝(d₁×v)/K₁

式中：

P—设定主光束功率，单位Kw；

d₁—钢板和铝板的厚度，单位mm；

v—焊接速度，单位mm/min；

K₁—比例系数，取值范围为2～10,保证铝板1和填丝金属5发生熔化；

根据上述公式计算出设定主光束功率P，再进行激光焊接。通过控制主光束8和辅助光束9的功率及辐照位置来调控接头处的热输入及温度场分布，在焊接过程中保证填丝金属5和铝板1一侧发生熔化，钢板2一侧不熔化，最终获得高质量的铝/钢熔钎焊接头。并能保证在钢板2不熔化的情况下，辐照在钢板2坡口斜面上的矩形光斑激光束的热输入适中，避免因热输入量过大使得界面处新形成的金属间化合物尺寸较大，导致焊接接头脆性增大，降低性能的问题，还可避免因热输入量过小，容易产生较大的焊接应力，在界面处产生开裂，焊接性能难以保证的问题。

(四)设定工艺参数，且焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变。

采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，所述保护气体的气体流量为15～20L/min，焊接速度为1.5～6.0m/min，优选焊接速度为3.2m/min，送丝角度α₃为30°～60°，优选送丝角度α₃为45°，所述主光束8和辅助光束9均沿着焊接方向7以相同的速度移动，送丝速度与焊接速度的比值K的取值范围为8～12。

所述保护气体包括正面和背面两个方向的保护气体，其中，正面的保护气体采用侧吹、沿焊道吹送和同轴气体保护的方式对焊接熔池进行保护。

在光纤激光器和半导体激光器的焊头上均设有侧吹和同轴方向的保护气体。

在焊接夹具上设有沿焊道吹送保护气体的通道。

其中，侧吹的保护气体用于驱散等离子体；沿焊道吹送的保护气体用于保护已凝固但温度仍然较高的焊缝金属不被氧化，同时还可防止氧化夹杂物导致的气孔和飞溅；同轴的保护气体用于防止飞溅物损伤激光器镜片。

该中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法中，通过半导体激光器发出的矩形光斑激光束作为辅助光束9辐照于钢板2一侧的坡口斜面上，中间的主光束8提供了足够的热量熔化填丝金属5和部分铝板1；主光束8和辅助光束9均沿着焊接方向7以相同速度移动，通过调整焊接工艺参数，控制焊接热输入，改善了中厚板铝/钢异种金属焊接时温度场的分布，进而有利于控制界面反应，同时解决了侧壁未熔合的缺陷，提高了焊接接头的强度。

本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：它包括如下步骤：

(一)对等厚度的待焊接铝板(1)和钢板(2)分别开Y型坡口和V型坡口，对Y型坡口、V型坡口及铝板(1)和钢板(2)的上下表面进行深度清理；

(二)将待焊接铝板(1)和钢板(2)置于焊接夹具上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；

(三)调整主光束(8)和辅助光束(9)的位置，设置光束功率：将两个不同能量和光斑形状的光纤激光器和半导体激光器作为焊接热源，所述光纤激光器的功率为2～6kW，所述半导体激光器的功率为2～4kW；其中，将光纤激光器发出的激光聚焦为圆形光斑(3)作为主光束(8)辐照于铝板(1)侧的Y型坡口位置，并熔化填丝金属(5)使之填充坡口，所述圆形光斑(3)的直径为0.3～2.0mm；将半导体激光器发出的激光整形为矩形光斑(4)作为辅助光束(9)辐照于钢板(2)侧的V型坡口斜面，对钢板(2)坡口斜面进行预热，促进铺展在钢板(2)边缘的熔融态金属液体的流动性，使填丝金属(5)顺利地向铝板(1)和钢板(2)之间的间隙里润湿铺展，所述矩形光斑(4)的宽度为2～4mm、长度为3～6mm；所述主光束(8)和辅助光束(9)的离焦量为-4～+4mm；所述主光束(8)和辅助光束(9)沿焊接方向(7)交叉式排列，所述辅助光束(9)在前、主光束(8)在后，所述主光束(8)和辅助光束(9)的入射方向均与铝板(1)和钢板(2)的上表面垂直；

(四)设定工艺参数，且焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变：采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，所述保护气体的气体流量为15～20L/min；焊接速度为1.5～6.0m/min；送丝角度α₃为30°～60°，所述主光束(8)和辅助光束(9)均沿着焊接方向(7)以相同的速度移动，送丝速度与焊接速度的比值K的取值范围为8～12；

由于待焊接的钢板(2)和铝板(1)的厚度可变，主光束(8)的功率设定需满足数学模型公式：

P＝(d₁×v)/K₁

式中：

P—设定主光束功率，单位Kw；

d₁—钢板和铝板的厚度，单位mm；

v—焊接速度，单位mm/min；

K₁—比例系数，取值范围为2～10,保证铝板(1)和填丝金属(5)发生熔化；

根据上述公式计算出设定主光束功率P，再进行激光焊接。

2.根据权利要求1所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述钢板和铝板的厚度d₁为3～10mm，所述铝板侧Y型坡口的角度α₁的取值范围为45°～60°，所述Y型坡口的底部剩余板厚d₂为d₁的50％；所述钢板侧V型坡口的角度α₂的取值范围为45°～60°；所述铝板与钢板底部之间的预留间隙W为0.5～1.0mm。

3.根据权利要求2所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述填丝金属(5)为AlSi₁₂近共晶合金焊丝，所述填丝金属(5)的直径为1.2～6.0mm。

4.根据权利要求3所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述保护气体包括正面和背面两个方向的保护气体，其中，正面的保护气体采用侧吹、沿焊道吹送和同轴气体保护的方式对焊接熔池进行保护；

在光纤激光器和半导体激光器的焊头上均设有侧吹和同轴方向的保护气体；

在焊接夹具上设有沿焊道吹送保护气体的通道；

其中，侧吹的保护气体用于驱散等离子体；沿焊道吹送的保护气体用于保护已凝固但温度仍然较高的焊缝金属不被氧化，同时防止氧化夹杂物导致的气孔和飞溅；同轴的保护气体用于防止飞溅物损伤激光器镜片。

5.根据权利要求4所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述步骤(一)中，对Y型坡口、V型坡口及铝板(1)和钢板(2)的上下表面进行深度清理的步骤为：依次采用800目、1500目和2000目的砂纸分别对铝板(1)和钢板(2)的坡口表面进行打磨，对打磨完成后的铝板(1)先碱洗后酸洗，并用酒精擦拭，再烘干；对打磨完成的钢板(2)用丙酮进行擦拭，再烘干。

6.根据权利要求5所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述钢板和铝板的厚度d₁为6mm，所述Y型坡口的底部剩余板厚d₂为3mm。

7.根据权利要求6所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述光纤激光器的功率为4kW，所述圆形光斑(3)的直径为1.2mm；所述半导体激光器的功率为3kW，所述矩形光斑(4)的宽度为3mm、长度为4mm。

8.根据权利要求7所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述主光束(8)和辅助光束(9)的离焦量为0mm。

9.根据权利要求8所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述焊接速度为3.2m/min，所述送丝角度α₃为45°。

10.根据权利要求9所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述填丝金属(5)的直径为3.2mm。

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