CN114669879A - 铝合金单激光自熔焊的背保护工装及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铝合金单激光自熔焊的背保护工装及焊接方法，其中背保护工装包括：设置位于待焊接的两块母材下部、并用于承接两块母材的基板；在基板表面形成的T型槽，T型槽包括沿着所述基板表面向下延伸的第一槽以及位于第一槽下方位置的第二槽，所述第一槽和第二槽均为方形槽，并且第一槽的槽宽小于第二槽的槽宽；第二槽内可拆卸地插接有高反射插板组件。本发明针对传统的单激光自熔焊铝合金方法中出现的单面焊双面成型时背面成型不良的问题，通过背保护工装的反射材料将穿过焊缝的激光回母材从而扩大匙孔的尺寸增加激光匙孔的稳定性，优化焊缝正反面成型，同时不与母材直接接触，避免背部产生气孔导致焊缝质量降低的问题。

Description

铝合金单激光自熔焊的背保护工装及焊接方法

技术领域

本发明涉及铝合金自熔焊技术领域，具体而言涉及一种铝合金单激光自熔焊的背保护工装及利用该工装的铝合金单激光自熔焊焊接方法。

背景技术

铝合金密度低，但强度比较高，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。

以往的生产实践中，铝合金的焊接常用GMAW和GTAW焊接技术，虽然这两种焊接方式能量密度较大，焊接铝合金时能获得良好的接头，但仍然存在熔透能力差、焊接变形大、生产效率低等缺点。为解决这些问题，开发了铝合金激光焊接技术，与传统的GMAW和GTAW焊接方法相比，采用激光焊接的铝合金件具有明显的优势，如能量密度高熔深大，热输入量小焊接变形小，冷却速度快，焊缝组织细接头性能好等，起到很好的改善作用。

然而，铝合金激光焊接仍存在诸多困难，在焊接过程中经常发现大量的缺陷，例如气孔、焊道不规则、咬边、焊瘤和凝固开裂等，尤其在6系铝合金的单激光自熔焊时，背面极易产生焊瘤等缺陷。目前，铝合金单激光焊多采用背部加临时或永久垫板，或者施加背保护气等方法，来避免背部焊瘤，因此带来的结果是，在焊接后，面临着需要机械加工去除垫板的问题，而且增加整体重量、随之带来成本的增加问题。

在铝合金的激光焊接中需要解决的一个重要问题是匙孔的诱导和维持稳定的困难，这是由于铝合金本身材料特性和激光束的光学特性造成的，而小孔的稳定及大小则直接影响着焊接过程的稳定以及焊缝内气体的逸出效率。

发明内容

本发明目的在于针对铝合金的激光焊接存在的背面焊瘤问题，提供一种铝合金单激光自熔焊的背保护工装。

本发明另一方面的目的在于提出一种采用光纤激光器铝合金单激光自熔焊的高效高质量焊接方法，提供焊缝质量，降低生产成本。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种铝合金单激光自熔焊的背保护工装，包括：

设置位于待焊接的两块母材下部、并用于承接两块母材的基板，所述基板的中心线与两块母材的邻接交线形成的第一平面与基板表面垂直，所述邻接交线定义了X方向；

在所述基板表面形成一沿着X方向延伸、并且在Y方向的截面为T形状的T型槽，所述T型槽被设置成围绕基板的中心线呈对称结构；

其中，所述T型槽包括沿着所述基板表面向下延伸的第一槽，以及位于第一槽下方位置的第二槽，所述第一槽和第二槽均为方形槽，并且第一槽的槽宽小于第二槽的槽宽；

所述第二槽内可拆卸地插接有高反射插板组件。

其中优选的实施例中，所述第二槽的槽宽是第一槽的槽宽的两倍。

其中优选的实施例中，所述第一槽的槽深大于第二槽的槽深。

其中优选的实施例中，所述第一槽的槽深控制在[3mm,5mm]，第二槽的槽深控制在[2mm,3mm]。

其中优选的实施例中，所述高反射插板组件为铝合金或铜合金高反射组件，被设置从第二槽的端面插入。

其中优选的实施例中，所述基板为Q345钢基板。

其中优选的实施例中，所述基板表面沿着X方向设置有多个螺纹孔，螺纹孔被设置成两排，分别位于T型槽两侧，并且等间距设置。

根据本发明的目的第二方面还提出利用铝合金单激光自熔焊的背保护工装进行铝合金单激光自熔焊焊接方法，包括：

以权利要求1所述的背保护工装作为基础，在背保护工装上放置两个母材进行焊接；

其中，所述背保护工装的第二槽内插入高反射插板组件，然后将待焊位置置于T型槽上方并且位于T型槽的中间位置，进行焊接，焊接完成后，更换高反射插板组件以进行下一组焊接。

其中优选的实施例中，所述母材为6系铝合金，厚度选择为2-6mm；

其中的背保护工装设计为：

第一槽槽深h1：4mm；

第一槽槽宽w1：10mm；

第二槽槽深h2：3mm；

第二槽槽宽w2：20mm；

背保护工装为Q345钢基板；

所述高反射插板组件30为铝合金或铜合金高反射组件，厚度为2-3mm；

焊接参数：激光倾斜6°-10°，激光功率3-7kw，焊速3-6m/min,离焦0-5mm，正面保护气氩气纯度99.99％，流量10-18L/min

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1.本发明的焊接方法与传统的背部加临时衬板的铝合金焊接方法相比，由于高反射材料未与母材直接接触，故不需要后期机械加工去除，可以提高生产效率，降低生产成本；同时，传统采用的加衬板的焊接方法，会使气体不能从背面逸出从而易产生大量气孔降低焊缝质量；本发明采用的背部保护工装之后，焊接方法与背部加永久衬板的焊接方法相比，由于高反射材料未与母材直接接触，故不需要后期机械加工去除，可以减轻整体重量，简化结构设计，降低生产成本，同时可以解决传统加衬板的焊接方法使气体不能从背面逸出从而易产生大量气孔降低焊缝质量的技术问题；

2.本发明的焊接方法中的铝合金焊接方法与背部加背保护气的焊接方法相比，操作简单，对焊缝的位置、形状等适用性更强，成本也低；通过加装本发明的背部保护工装的焊接方法，通过反射的激光，能起到扩大匙孔增加匙孔稳定性的效果，因而焊缝成型平滑稳定，防止产生未熔合、咬边以及焊瘤等缺陷，改善表面成型，增加激光匙孔的稳定性，优化焊缝正反面成型，提高铝合金焊缝质量和焊接效果。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明提出的背保护工装的示意图。

图2是本发明提出的背保护工装的截面示意图。

图3是本发明实施例1的铝合金激光自熔焊接获得正面焊缝成形示意图。

图4为本发明实施例1的铝合金激光自熔焊接获得背面焊缝成形示意图。

图5为本发明实施例1的铝合金激光自熔焊接的横截面示意图，其中W-焊缝，HAZ-热影响区，B-母材。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

根据本发明的实施例的铝合金单激光自熔焊的背保护工装，旨在解决现有技术中铝合金单激光自熔焊容易在背面背产生咬边、焊瘤和凝固开裂等问题，而现有技术中采用的临时背板、永久性背板以及背部施加保护气仍然不能很好的解决上述问题，因此提出一种在铝合金单激光自熔焊的中使用的背保护工装，一方面起到背板支撑和保护的作用，并在激光焊接过程通过高反射材料反射激光，起到扩大匙孔增加匙孔稳定性的效果，焊缝成型平滑稳定，防止产生未熔合、咬边以及焊瘤等缺陷，改善表面成型，增加激光匙孔的稳定性，优化焊缝正反面成型，提高铝合金焊缝质量和焊接效果；另一方面，本发明的实施例中的背保护工装，其高反射材料不与母材直接接触，故不需要后期机械加工去除，可以提高生产效率，降低生产成本；同时可避免传统采用加永久固定衬板的焊接会使气体不能从背面逸出，从而易产生大量气孔，导致焊缝质量降低的问题。

结合图1、2所示示例性实施例的铝合金单激光自熔焊的背保护工装，包括一基板10，设置位于待焊接的两块母材(11,12)的下部、并用于承接两块母材(11,12)。基板10可采用合金钢材料制作成型，例如Q345钢。

在具体实施中，基板10的中心线与两块母材(11,12)的邻接交线所形成的第一平面与基板10的表面垂直，所述邻接交线定义了X方向。结合图1、2所示，两块母材(11,12)的邻接交线的位置即焊接位置。如图所示的示例中，以两个长方体形状的母材为例，其焊接位置(焊缝)延伸方向，沿着X方向延伸出去。

如图1、2所示的示例中，在基板10的表面形成有一沿着X方向延伸、并且在Y方向的截面为T形状的T型槽20，前述的Y方向与X方向正交垂直。

如图1,、2，前述的T型槽20被设置成围绕基板10的中心线呈对称结构。两块母材(11,12)对应地置于T型槽20的上方位置，并且位于其中心线上。

其中，T型槽20包括沿着基板10的表面向下延伸的第一槽21以及位于第一槽10下方位置的第二槽22，第一槽21和第二槽22均为方形槽，并且第一槽21的槽宽w1小于第二槽22的槽宽w2。

在第二槽22内可拆卸地插接高反射插板组件30。

结合图2所示，为实现有效的支撑和焊接，第一槽21在沿着Y方向的槽宽w1满足：

W0/5≤(w1)/2≤W0/4；

其中，W0表示母材的宽度。

在可选的实施例中，第二槽22的槽宽w2是第一槽21的槽宽w1的两倍。

在可选的实施例中，第一槽21的槽深h1大于第二槽22的槽深h2。

在可选的实施例中，第一槽21的槽深h1控制在[3mm,5mm]，第二槽22的槽深h2控制在[2mm,3mm]。

在可选的实施例中，高反射插板组件30为铝合金或铜合金高反射组件，被设置从第二槽22的端面插入。

由此，在焊接完成后，基于T型槽20的开口设计，通过开口槽可不断更换新的高反射材料，操作简单方便，而且效率高。

结合图示，基板10表面沿着X方向设置有多个螺纹孔，螺纹孔被设置成两排，分别位于T型槽两侧，并且等间距设置。由此，以便装夹固定工件。

结合图1、2所示的实施例的背保护工装，利用其进行铝合金单激光自熔焊焊接，其焊接操作过程包括：

以前述实施例的背保护工装作为基础，尤其是图1、2所示示例的背保护工装，在背保护工装上放置两个母材(11,12)进行焊接；

其中，背保护工装的第二槽22内插入高反射插板组件30，然后将待焊位置置于T型槽上方并且位于T型槽的中间位置，进行焊接，焊接完成后，更换高反射插板组件30以进行下一组焊接。

其中，高反射插板组件30为铝合金或铜合金高反射组件，厚度为2-3mm。

焊接的母材的板厚H适用范围2-6mm。

第一槽21的槽深h1控制在[3mm,5mm]，第二槽22的槽深h2控制在[2mm,3mm]。

第一槽21和第二槽22的槽宽设计，可依据所焊接的母材的宽度确定。

下面我们以6系铝合金板进行激光自熔焊作为示例，更加具体的描述本发明的实施。

待焊接母材为3mm厚的6061铝板，接头形式为I型坡口对接。基板为Q345钢基板，背保护工装的高反射材料垫板的材质为铝合金(6061)，其反射表面平整光洁以便将更多激光反射回焊缝背面。

其背保护工装设计为：

第一槽槽深h1：4mm；

第一槽槽宽w1：10mm；

第二槽槽深h2：3mm；

第二槽槽宽w2：20mm；

焊接参数：激光倾斜角度θ为6°-10°，激光功率为3-7kw，焊速为3-6m/min，离焦量为0-5mm，正面保护气氩气纯度99.99％，流量10-18L/min。

结合图3、4所示的铝合金激光自熔焊接的正面和背面焊缝成形形貌，可见采用本发明背保护工装的铝合金激光自熔焊焊缝成形良好，没有焊瘤、裂纹等焊接缺陷，如图5所示，其横截面宏观腐蚀状态良好无明显气孔裂纹等缺陷，焊接接头拉伸试验的强度为母材的69％，满足使用性能要求。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种铝合金单激光自熔焊的背保护工装，其特征在于，包括：

设置位于待焊接的两块母材(11,12)下部、并用于承接两块母材(11,12)的基板(10)，所述基板(10)的中心线与两块母材(11,12)的邻接交线形成的第一平面与基板表面垂直，所述邻接交线定义了X方向；

在所述基板表面形成一沿着X方向延伸、并且在Y方向的截面为T形状的T型槽(20)，所述T型槽被设置成围绕基板的中心线呈对称结构；

其中，所述T型槽(20)包括沿着所述基板表面向下延伸的第一槽(21)，以及位于第一槽下方位置的第二槽(22)，所述第一槽(21)和第二槽(22)均为方形槽，并且第一槽(21)的槽宽(w1)小于第二槽(22)的槽宽(w2)；

所述第二槽(22)内可拆卸地插接有高反射插板组件(30)。

2.根据权利要求1所述的铝合金单激光自熔焊的背保护工装，其特征在于，所述第二槽(22)的槽宽(w2)是第一槽(21)的槽宽(w1)的两倍。

3.根据权利要求1所述的铝合金单激光自熔焊的背保护工装，其特征在于，所述第一槽(21)的槽深(h1)大于第二槽(22)的槽深(h2)。

4.根据权利要求3所述的铝合金单激光自熔焊的背保护工装，其特征在于，所述第一槽(21)的槽深(h1)控制在[3mm,5mm]，第二槽(22)的槽深(h2)控制在[2mm,3mm]。

5.根据权利要求1所述的铝合金单激光自熔焊的背保护工装，其特征在于，所述高反射插板组件(30)为铝合金或铜合金高反射组件，被设置从第二槽(22)的端面插入。

6.根据权利要求1所述的铝合金单激光自熔焊的背保护工装，其特征在于，所述基板(10)为Q345钢基板。

7.根据权利要求1所述的铝合金单激光自熔焊的背保护工装，其特征在于，所述基板表面沿着X方向设置有多个螺纹孔，螺纹孔被设置成两排，分别位于T型槽两侧，并且等间距设置。

8.一种利用权利要求1-7中任意一项所述的铝合金单激光自熔焊的背保护工装进行铝合金单激光自熔焊焊接方法，其特征在于，包括：

以权利要求1所述的背保护工装作为基础，在背保护工装上放置两个母材进行焊接；

其中，所述背保护工装的第二槽(22)内插入高反射插板组件(30)，然后将待焊位置置于T型槽上方并且位于T型槽的中间位置，进行焊接，焊接完成后，更换高反射插板组件(30)以进行下一组焊接。

9.根据权利要求8所述的铝合金单激光自熔焊焊接方法，其特征在于，所述母材为6系铝合金，厚度选择为2-6mm；

其中的背保护工装被设置为：

第一槽槽深(h1)：4mm；

第一槽槽宽(w1)：10mm；

第二槽槽深(h2)：3mm；

第二槽槽宽(w2)：20mm；

背保护工装为Q345钢基板；

所述高反射插板组件(30)为铝合金或铜合金高反射组件，厚度为2-3mm；

焊接参数：激光倾斜6°-10°，激光功率3-7kw，焊速3-6m/min,离焦0-5mm，正面保护气氩气纯度99.99％，流量10-18L/min。

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