CN113878236B - 一种三激光束同步焊接t型异种金属接头的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，其中假设熔点高的金属部件为第一金属部件，熔点低的金属部件为第二金属部件，选用第一金属部件在待焊部位开设凹槽坡口，在凹槽坡口处预置活性金属粉末，第二金属部件待焊位置与第一金属部件待焊位置间隙配合，三束激光束包括两束大功率激光束和一束小功率激光束，两束大功率激光束分布在第二金属部件两侧，调节前匙孔壁角偏离布鲁斯特角，金属部件通过菲涅尔效应吸收光束能量产生焊接熔池，小功率激光束位置分布在垂直于第一金属部件待焊接面的背面，三束激光束同步移动。该发明能够有效降低热应力，减少金属间化合物和焊接孔隙等缺陷生成，提高T型焊接接头强度。

Description

一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法。

背景技术

异种金属连接一直是学者们研究的热点问题，异种金属连接可以结合不同材料具有的优点，然而由于异种金属热物理性能不同，焊接过程中难度较大。在焊接时由于异种材料的线性膨胀系数不同，焊接接头易产生较高的残余应力，并且异种金属焊接容易产生金属间脆性化合物，严重影响焊接质量。T型连接结构广泛应用于飞机机身及汽车、船舶等工业中，然而由于T型接头特殊的结构，易产生残余应力和热裂纹等问题，制约了T型接头的发展。T型接头结构焊缝内部易存在明显的残余应力，同时双侧焊缝的根部和焊趾位置也存在不容忽视的应力集中问题，从而容易导致增大焊缝热裂纹敏感性，产生焊接裂纹、焊接孔隙等缺陷，降低焊接接头的强度。因此想要获得优质的T型异种金属接头难度较大。

目前对于T型异种金属接头的连接方法主要有铆接、焊接等，其中激光焊接T型异种金属方法使用广泛，精度和强度相对较高。然而由于上述热裂纹、金属间脆性化合物等问题存在，许多学者对激光焊接T型异种金属接头展开了深入的研究。其中部分研究人员提出了双侧激光同步焊接技术，就是在T型接头两侧布置相同夹角的激光束进行焊接。双侧同步激光焊接技术解决了单侧激光焊接金属接头熔化不均匀的问题，在一定程度上提高了焊接质量，但是金属板在焊接过程中温度差较大，焊后热应力大，产生大量金属间产生脆性化合物等问题依然存在，影响了T型接头的连接强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，为此，本发明提供了一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，该焊接方法能够有效降低热应力，减少异种金属间脆性化合物的生成，增加焊接强度，提高了T型异种金属焊接接头质量。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，其特征在于，所述异种金属包括两块具有不同热物理性质的金属部件，其中假设熔点高的金属部件为第一金属部件，熔点低的金属部件为第二金属部件放置在上方，选用第一金属部件在待焊部位开设凹槽坡口，目的是增加金属部件有效接触面积，所述凹槽坡口深度为第一金属部件厚度的10%-30%，坡口深度较小，避免金属部件应力集中过大，选用第二金属部件在待焊端面作出倒角，所述倒角与第一金属部件开设的凹槽坡口相接合，焊接开始前在第一金属部件凹槽坡口处预置活性金属粉末，所述第二金属部件待焊位置与第一金属部件待焊位置间隙配合，目的是减少金属熔化后溢出量，所述三束激光束包括两束大功率激光束和一束小功率激光束，所述两束大功率激光束分布在第二金属部件两侧，激光束焦点位于金属部件焊接界面处，激光束角度与金属部件表面成30°~60°，调节前匙孔壁角偏离布鲁斯特角，目的是减少焊缝表面的驼峰缺陷，金属部件通过菲涅尔效应吸收光束能量产生焊接熔池，所述小功率激光束位置分布在垂直于第一金属部件底面，三束激光束位于同一横截面且同步沿焊接路径移动，按照设定工艺参数对金属部件进行焊接。

采用上述技术方案，设计低熔点金属为第二金属部件并在焊接上方，能保证低熔点金属待焊处完全熔化，高熔点金属部分熔化，这样有利于焊接熔池流动，上方熔化的金属在重力作用下充分与底层金属融合，提高连接有效性，在金属部件上开设凹槽与去倒角有利于增加金属焊接接触面积，预置了活性金属粉末，是为了进一步改善焊接熔池流动特性并且抑制金属间化合物的产生，有利于提高焊接接头强度。

进一步地，所述两束大功率激光束的激光功率为1000W~4000W，主要用于加热熔化金属部件，所述小功率激光束的激光功率为50W~500W，加热第一金属部件，但不足以熔化第一金属部件，所用激光束均由光纤激光器提供。

采用上述技术方案，选用的大功率激光束用于熔化金属部件产生焊接熔池，加入的小功率激光束的目的一方面是为了利用小功率激光束产生的热量通过热传导的形式往焊接界面处传递，降低金属部件内部温度差，进而减少焊接热应力，另一方面是为了减缓金属冷却速度，增加焊接过程中金属熔池产生的气泡的逃逸时间，进而减少焊接孔隙等缺陷。

进一步地，所述活性金属粉末需满足以下两个条件：

（1）活性金属粉末能改善金属部件形成的焊接熔池的流动特性，抑制金属间脆性化合物的生成；

（2）活性金属粉末的熔点小于或等于第一金属部件熔点。

采用上述技术方案，选用较小熔点的金属粉末是为了保证金属粉末完全熔化，增强流动能力，与金属熔池充分接触，使粉末分布更加均匀。

进一步地，所述大功率激光束选择的激光功率必须保证完全熔化待焊处的第二金属部件和预置活性金属粉末，第一金属部件待焊处部分熔化，所述小功率激光束选择的激光功率不能熔化第一金属部件，只起到辅助加热作用。

采用上述技术方案，避免第一金属部件完全熔化，目的是防止在金属下方产生焊瘤。

进一步地，三束激光束的焊接速度为0.005m/s ~0.060m/s。

进一步地，通过调节激光束角度、焊接速度等工艺改变前匙孔壁角。前匙孔壁角即为焊接小孔前壁面处与金属部件的角度，主要通过改变光束角度和焊接速度去调节，尽可能偏离布鲁斯特角，这样能减少蒸汽引起的驼峰缺陷。

进一步地，所述金属部件为任一可焊接的金属材料，焊接前对金属部件用不同粗糙度砂纸打磨金属表面去除氧化膜，用丙酮或酒精清洗，擦拭干净。

进一步地，在焊接过程中，在第二金属部件两侧均通入惰性气体，所述惰性气体为纯氩气或氦气，惰性气体流量为10~20L/min，惰性气体喷气孔与大功率激光束呈倾斜角度设置，并与激光束同步移动。

采用上述技术方案，保护气体在焊接过程中持续通入，抑制金属化合物生成，与激光束呈倾斜角度设置能扩大气体保护范围。

本发明还具有下述有益效果：一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，具有焊缝强度高、热应力低、焊接孔隙少等优点，无需焊丝填充，焊接高效便捷。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，其有益效果也是显而易见的。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明具体实施例结构示意图；

图2是本发明具体实施例结构的剖面示意图；

图3是本发明具体实施例结构的局部剖面示意图；

图4是本发明具体实施例熔池的结构示意图；

图5是本发明具体实施例分别在不同焊接条件下的特征数据；

图6为本发明金属部件材料可选用的实施案例示意图；

示意图中的标号说明：

1.第一金属部件，2.第二金属部件，3.大功率激光束（一）4.大功率激光束（二），5.小功率激光束，6.凹槽坡口，7.活性金属粉末，8.惰性气体喷气孔（一），9.惰性气体喷气孔（二），10.焊接路径方向，11.倒角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至4所示的三激光束焊接钢/铝T型接头实施例

一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，所述异种金属包括两块具有不同热物理性质的金属部件，所述金属部件分别选用DP600钢和6016铝合金，其中假设熔点高的金属部件为第一金属部件1，即为DP600钢，熔点低的金属部件为第二金属部件2，即为6016铝合金，选用第一金属部件1在待焊部位开设凹槽坡口6，所述凹槽坡口6深度为第一金属部件1厚度的10%-30%，保持金属厚度在这个范围里是为了避免削弱第一金属部件1本身板材的强度，优选所述金属部件厚度均为2mm，优选所述凹槽坡口6深度为0.4mm，选用第二金属部件2在待焊端面作出倒角11，所述倒角11与第一金属部件1开设的凹槽坡口6相接合，焊接开始前在第一金属部件1凹槽坡口6处预置活性金属粉末7，优选所述活性金属粉末为Si粉，Si粉能有效改善钢/铝焊接熔池的流动特性，并且能抑制Fe-Al脆性化合物的生成，6016铝合金的熔点约为600℃，Si粉末的熔点约为1300℃，低于DP600钢的熔点（约1500℃），所述第二金属部件2待焊位置与第一金属部件1待焊位置间隙配合，间隙配合能够防止熔融金属往焊接界面外侧流动，两个金属部件互相垂直呈T型，所述三束激光束包括两束大功率激光束3、4和一束小功率激光束5，所述两束大功率激光束3、4分布在第二金属部件2两侧，激光束焦点位于第一金属部件1与第二金属部件2待焊交界面处，所述两束大功率激光束3、4角度为与金属部件2表面成30°~60°，通过调节光束角度和焊接速度来调节前匙孔壁角13，尽可能偏离布鲁斯特角14，金属部件通过菲涅尔效应吸收光束能量产生焊接熔池15，所述小功率激光束5位置分布在垂直于第一金属部件1待焊接面的背面，如图1、2所示，三束激光束同步沿着焊接路径方向10移动。

在焊接开始前需对DP600钢和6016铝合金进行打磨处理，打磨处理包括使用几种不同粗糙度的砂纸打磨金属表面，去除金属表面的氧化膜和锈斑后，再用丙酮进行清洗，最后用吹风机吹干备用，所述两束大功率激光束3、4的激光功率为1000W~4000W，优选所述大功率激光束3、4的激光功率为1400W，主要用于熔化金属部件，6016铝合金待焊界面处发生了完全熔化，而DP600钢待焊界面处只发生了部分熔化，所述小功率激光束5的激光功率为50W~500W，优选小功率激光束5的激光功率为200W，加热DP600钢，在200W的光束作用下，DP600钢基本不熔化，只是提高了金属背面的温度，减少了DP600钢延厚度方向的温度差，有效减少了金属部件热应力，所用三个激光器均为YAG光纤激光器，三个激光束同步移动，焊接速度为0.005m/s~0.060m/s，优选所述焊接速度为0.04m/s，在焊接过程中，需要通入惰性气体保护焊接界面，优选所述惰性气体为氩气，在第二金属部件2两侧均通入纯度为99.8%的氩气作为保护气，防止焊接过程金属表面被氧化，优选氩气流量为15L/min，氩气的喷气孔8、9安装于激光束的后侧并且与激光束呈倾斜角度，喷气孔8、9随着激光束共同移动，保护着焊接界面，最后按照设定的工艺参数进行焊接过程。通过该焊接方法获得的钢/铝金属T型接头，有效降低了焊接后的残余应力，减少了Fe-Al脆性化合物和焊接孔隙等缺陷的生成，增加了焊接强度，提高了T型接头的焊接质量。

为了充分体现本发明的有益效果，附图5展示了前述实施例中金属部件分别为DP600钢和6016铝合金在不同焊接条件下的特征数据。不同的焊接条件包括如下：双侧同步激光焊、三激光束同步焊（本发明，未开凹槽坡口与倒角）、三激光束同步焊（本发明，开设凹槽坡口与倒角）。主要对比了对焊接质量有显著影响的特征数据，分别是孔隙率、驼峰数量、焊缝表面光滑度和拉伸强度。从图中可以看出本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，其特征在于：所述异种金属包括两块具有不同热物理性质的金属部件，其中假设熔点高的金属部件为第一金属部件，熔点低的金属部件为第二金属部件放置在上方，选用第一金属部件在待焊部位开设凹槽坡口，所述凹槽坡口深度为第一金属部件厚度的10%-30%，选用第二金属部件在待焊端面作出倒角，所述倒角与第一金属部件开设的凹槽坡口相接合，焊接开始前在第一金属部件凹槽坡口处预置活性金属粉末，所述第二金属部件待焊位置与第一金属部件待焊位置间隙配合，所述三激光束包括两束大功率激光束和一束小功率激光束，所述两束大功率激光束分布在第二金属部件两侧，激光束焦点位于金属焊接界面处，激光束角度与第二金属部件表面成30°~60°，调节前匙孔壁角偏离布鲁斯特角，金属部件通过菲涅尔效应吸收光束能量产生焊接熔池，所述小功率激光束位置分布在垂直于第一金属部件底面，两束大功率激光束和一束小功率激光束位于同一横截面且同步沿焊接路径移动，按照设定工艺参数对金属部件进行焊接；所述活性金属粉末需满足以下两个条件：（1）活性金属粉末能改善金属部件形成的焊接熔池的流动特性，抑制金属间脆性化合物的生成；（2）活性金属粉末的熔点小于或等于第一金属部件熔点；大功率激光束选择的激光功率必须保证完全熔化待焊处的第二金属部件和预置活性金属粉末、第一金属部件待焊处部分熔化，所述小功率激光束选择的激光功率不能熔化第一金属部件。

2.根据权利要求1所述的一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，其特征在于：所述两束大功率激光束的激光功率为1000W~4000W，所述小功率激光束的激光功率为50W~500W，所用激光束均由光纤激光器提供。

3.根据权利要求1或2所述的一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，其特征在于：两束大功率激光束和一束小功率激光束的焊接速度均为0.005m/s~0.060m/s。

4.根据权利要求1所述的一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，其特征在于：通过调节激光束角度、焊接速度工艺改变前匙孔壁角。

5.根据权利要求1所述的一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，其特征在于：所述金属部件为任一可焊接的金属材料，焊接前对金属部件用不同粗糙度砂纸打磨金属表面去除氧化膜，用丙酮或酒精清洗，擦拭干净。

6.根据权利要求1所述的一种三激光束同步焊接T型异种金属接头的方法，其特征在于：在焊接过程中，在第二金属部件两侧均通入惰性气体，所述惰性气体为纯氩气或氦气，惰性气体流量为10L/min~20L/min，惰性气体喷气孔与大功率激光束呈倾斜角度设置，并与激光束同步移动。