CN114905151A - 一种2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，它包括如下步骤：(1)对待焊接2219铝合金薄板进行打磨、清洗；(2)将待焊接的两块2219铝合金薄板置于工作平台上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；(3)调整滚轮电极、磁场装置和激光器中激光头的位置，并设定相关工艺参数：(4)按设定的工艺参数进行焊接，焊接过程中，焊接时采用保护气装置对焊接部位进行惰性气体保护，且激光头、滚轮电极和磁场装置保持相对静止。该方法可减少热导焊过程中产生的粗大枝晶缺陷，使焊缝组织得到细化且分布均匀，减少气孔缺陷，有效提高焊缝质量，从而实现2219铝合金薄板的高强度连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，属于2219铝合金薄板焊接技术领域。
背景技术
2219铝合金是一种Al-Cu系合金，作为高强铝合金，它具有高低温力学性能优异、断裂韧性、抗应力腐蚀性能、焊接性能良好等综合性能优异的特点，因此，在航空领域被广泛运用，常用于制造火箭贮箱和飞机壳体等构件。
对于2219铝合金，目前主要的焊接方式包括TIG焊、电子束焊、激光电弧复合焊和搅拌摩擦焊等。TIG焊对工装精度要求较低，但其热源不集中，焊接速度低，焊接热输入大，由于铝合金材料的导热性强、膨胀系数大的特点，会引起接头软化、变形大的问题。电子束焊拥有较大的深宽比，且凝固速度极快，焊缝组织晶粒细小，因此焊缝的力学性能非常优异，但其需要在真空环境下焊接，适用性受到限制。搅拌摩擦焊由于只发生塑性变形，与熔化焊相比，无气孔裂纹等缺陷，但由于搅拌摩擦头的形状限制，该方法对焊件的形状和结构要求较高。激光焊接相比于电弧焊接，热源更为集中，因此该焊法有其独特的优势，如焊接变形小、焊接灵活性好、热影响区窄等。激光焊包括热导焊和深熔焊两种方法，其中深熔焊不适合焊接薄板，而热导焊存在粗大枝晶等缺陷，因此，该焊接方式也有待继续优化。
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，而提供一种2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，该方法可减少热导焊过程中产生的粗大枝晶缺陷，使焊缝组织得到细化且分布均匀，减少气孔缺陷，有效提高焊缝质量，从而实现2219铝合金薄板的高强度连接。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，它包括如下步骤：
(1)对待焊接2219铝合金薄板进行打磨、清洗；
(2)将待焊接的两块2219铝合金薄板置于工作平台上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；
(3)调整滚轮电极、磁场装置和激光器中激光头的位置，并设定相关工艺参数：
激光源作为焊接热源，激光器中激光头的激光聚焦为圆形光斑辐照于两块2219铝合金薄板的对接缝，使对接缝两侧的2219铝合金薄板同时发生熔化；
两滚轮电极对称分布于对接缝的两侧，焊接过程中滚轮电极与2219铝合金薄板接触，滚轮电极通电后产生垂直穿过对接缝的电流I，电流I为方波电流；
磁场装置为电磁铁，其投影中心在对接缝上，产生平行于焊接方向的磁场B；
(4)按设定的工艺参数进行焊接，焊接过程中，焊接时采用保护气装置对焊接部位进行惰性气体保护，且激光头、滚轮电极和磁场装置保持相对静止。
优选的，所述方波电流的峰值电流为2～6kA，基值为不加电流，峰值电流和基值的持续时间分别为30ms和15ms。
优选的，所述步骤(3)中，在激光器开启前2s提前启动磁场装置，并将滚轮电极接通电源，保证焊接过程中电磁场始终作用于焊接区域。
优选的，所述方波电流的峰值电流为4.2kA。
优选的，所述步骤(4)中的焊接过程中，电流I通过熔池，电流I的方向与焊接方向垂直，磁场B辐照在焊接区域，磁场B的方向与电流I垂直，使熔融的2219铝合金薄板受到竖直向下的安培力F，由于所述电流I为方波电流，则该安培力F为间断循环的冲击力。
优选的，所述工作平台的中心沿对接缝的方向嵌装有一块铜板，所述铜板位于对接缝的正下方，所述铜板的长度为40mm、宽度为5mm。
优选的，所述保护气体为纯度高于99.99％的氩气，所述保护气装置为固定在激光头上的保护气喷嘴，所述保护气喷嘴的气体流量为25L/min。
优选的，所述激光器的功率与2219铝合金薄板的厚度及焊接速度成正比，所述圆形光斑的直径为0.2～1.2mm，所述激光器的功率为1.0～2.8kW，所述激光器的焊接速度为0.1～1m/min。
优选的，所述激光器为连续型光纤激光器或YAG激光器，所述圆形光斑的直径为0.8mm，所述激光器的功率为1.8kW，所述激光器的焊接速度为0.6m/min。
优选的，所述2219铝合金薄板的厚度为2～5mm，所述步骤(1)中对待焊接2219铝合金薄板进行打磨、清洗的方法为：依次采用800目、1500目和2000目的砂纸对2219铝合金薄板进行打磨，然后将2219铝合金薄板放入温度为50℃、浓度为8％的NaOH溶液中浸泡50s，然后水洗，再将2219铝合金薄板在常温下用浓度为20％的HNO3浸泡1min,然后用酒精擦洗2219铝合金薄板表面的溶液，最后用水冲洗并用吹风机吹干。
本发明的有益效果：该2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法中，滚轮电极通电后产生垂直穿过对接缝的电流I，电流I为方波电流，焊接过程中，电流I通过熔池，电流I的方向与焊接方向垂直，磁场B辐照在焊接区域，磁场B的方向与电流I垂直，使熔融的2219铝合金薄板受到竖直向下的安培力F，由于电流I为方波电流，则该安培力F为间断循环的冲击力，起到打碎粗大枝晶、加快气泡上浮、增加熔深的作用，可采用较小激光热输入实现焊接目标，提高了焊缝整体质量，实现了2219铝合金薄板的高强度连接。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结构示意图。
图2为本发明具体实施方式的焊接局部结构示意图。
图中，1-工作平台，2-铜板，3-2219铝合金薄板，4-滚轮电极，5-磁场装置，6-激光头，7-对接缝，8-保护气装置，9-焊接方向，I-电流，B-磁场，F-安培力。
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2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，它包括如下步骤：
(1)对待焊接2219铝合金薄板3进行打磨、清洗：
2219铝合金薄板3的厚度为2～5mm，优选2219铝合金薄板3的厚度为3mm，对待焊接2219铝合金薄板3进行打磨、清洗的方法为：依次采用800目、1500目和2000目的砂纸对2219铝合金薄板3进行打磨，然后将2219铝合金薄板3放入温度为50℃、浓度为8％的NaOH溶液中浸泡50s，然后水洗，再将2219铝合金薄板3在常温下用浓度为20％的HNO3浸泡1min,然后用酒精擦洗2219铝合金薄板3表面的溶液，最后用水冲洗并用吹风机吹干；
(2)将待焊接的两块2219铝合金薄板3置于工作平台1上进行装夹固定：
焊接接头形式为对接接头，工作平台1的中心沿对接缝的方向嵌装有一块铜板2，铜板2位于对接缝7的正下方，铜板2的长度为40mm、宽度为5mm，滚轮电极4通电后，由于电流的趋肤效应，电流偏向于从2219铝合金薄板3表面通过，在工作平台1的中心沿对接缝7的方向嵌装铜板2后，电流可更多地从熔池通过，有利于增强电流辅助的效果；
(3)调整滚轮电极4、磁场装置5和激光器中激光头6的位置，并设定相关工艺参数：
所述激光器为连续型光纤激光器或YAG激光器，所述激光器的功率与2219铝合金薄板3的厚度及焊接速度成正比，由于2219铝合金薄板3的激光反射率和导热系数较高，设定所述激光器的功率为1.0～2.8kW，该功率可保证2219铝合金薄板3发生熔化，优选激光器的功率为1.8kW，所述激光器的焊接速度为0.1～1m/min，优选激光器的焊接速度为0.6m/min，激光源作为焊接热源，激光器中激光头6的激光聚焦为圆形光斑辐照于两块2219铝合金薄板3的对接缝7处，使对接缝7两侧的2219铝合金薄板3同时发生熔化，所述圆形光斑的直径为0.2～1.2mm，优选圆形光斑的直径为0.8mm；
两滚轮电极4对称分布于对接缝7的两侧，焊接过程中滚轮电极4与2219铝合金薄板3接触，滚轮电极4通电后产生垂直穿过对接缝7的电流I，电流I为方波电流，所述方波电流的峰值电流为2～6kA，优选方波电流的峰值电流为4.2kA，基值为不加电流，峰值电流和基值的持续时间分别为30ms和15ms，该方波电流大小适中，既不会因电流过大而使熔池流动不稳定，导致焊接接头力学性能降低，也不会因电流过小使熔池中的液态金属所受安培力过小，而影响焊接熔深及焊缝整体质量。
磁场装置5为电磁铁，其投影中心在对接缝7上，产生平行于焊接方向9的磁场B，在焊接过程中，磁场装置5随激光束以相同的速度运动；
在激光器开启前2s提前启动磁场装置5，并将滚轮电极4接通电源，保证焊接过程中电磁场始终作用于焊接区域；
(4)按设定的工艺参数进行焊接，焊接过程中，焊接时采用保护气装置8对焊接部位进行惰性气体保护，所述保护气体为纯度高于99.99％的氩气，所述保护气装置8为固定在激光头6上的保护气喷嘴，所述保护气喷嘴的气体流量为25L/min，且激光头6、滚轮电极4和磁场装置5保持相对静止，焊接过程中，电流I通过熔池，电流I的方向与焊接方向9垂直，磁场B辐照在焊接区域，磁场B的方向与电流I垂直，使熔融的2219铝合金薄板3受到竖直向下的安培力F，由于所述电流I为方波电流，则该安培力F为间断循环的冲击力，起到打碎粗大枝晶、加快气泡上浮、增加熔深的作用，可采用较小激光热输入实现焊接目标，提高了焊缝整体质量，实现了2219铝合金薄板3的高强度连接。
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2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：它包括如下步骤：
(1)对待焊接2219铝合金薄板进行打磨、清洗；
(2)将待焊接的两块2219铝合金薄板置于工作平台上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；
(3)调整滚轮电极、磁场装置和激光器中激光头的位置，并设定相关工艺参数：
激光源作为焊接热源，激光器中激光头的激光聚焦为圆形光斑辐照于两块2219铝合金薄板的对接缝，使对接缝两侧的2219铝合金薄板同时发生熔化；
两滚轮电极对称分布于对接缝的两侧，焊接过程中滚轮电极与2219铝合金薄板接触，滚轮电极通电后产生垂直穿过对接缝的电流I，电流I为方波电流；
磁场装置为电磁铁，其投影中心在对接缝上，产生平行于焊接方向的磁场B；
(4)按设定的工艺参数进行焊接，焊接过程中，焊接时采用保护气装置对焊接部位进行惰性气体保护，且激光头、滚轮电极和磁场装置保持相对静止。
2.根据权利要求1所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述方波电流的峰值电流为2～6kA，基值为不加电流，峰值电流和基值的持续时间分别为30ms和15ms。
3.根据权利要求2所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述步骤(3)中，在激光器开启前2s提前启动磁场装置，并将滚轮电极接通电源，保证焊接过程中电磁场始终作用于焊接区域。
4.根据权利要求3所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述方波电流的峰值电流为4.2kA。
5.根据权利要求4所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述步骤(4)中的焊接过程中，电流I通过熔池，电流I的方向与焊接方向垂直，磁场B辐照在焊接区域，磁场B的方向与电流I垂直，使熔融的2219铝合金薄板受到竖直向下的安培力F，由于所述电流I为方波电流，则该安培力F为间断循环的冲击力。
6.根据权利要求5所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述工作平台的中心沿对接缝的方向嵌装有一块铜板，所述铜板位于对接缝的正下方，所述铜板的长度为40mm、宽度为5mm。
7.根据权利要求6所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述保护气体为纯度高于99.99％的氩气，所述保护气装置为固定在激光头上的保护气喷嘴，所述保护气喷嘴的气体流量为25L/min。
8.根据权利要求7所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述激光器的功率与2219铝合金薄板的厚度及焊接速度成正比，所述圆形光斑的直径为0.2～1.2mm，所述激光器的功率为1.0～2.8kW，所述激光器的焊接速度为0.1～1m/min。
9.根据权利要求8所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述激光器为连续型光纤激光器或YAG激光器，所述圆形光斑的直径为0.8mm，所述激光器的功率为1.8kW，所述激光器的焊接速度为0.6m/min。
10.根据权利要求9所述的2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法，其特征是：所述2219铝合金薄板的厚度为2～5mm，所述步骤(1)中对待焊接2219铝合金薄板进行打磨、清洗的方法为：依次采用800目、1500目和2000目的砂纸对2219铝合金薄板进行打磨，然后将2219铝合金薄板放入温度为50℃、浓度为8％的NaOH溶液中浸泡50s，然后水洗，再将2219铝合金薄板在常温下用浓度为20％的HNO3浸泡1min,然后用酒精擦洗2219铝合金薄板表面的溶液，最后用水冲洗并用吹风机吹干。
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