CN114951991A - 一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法 - Google Patents

一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，更具体的说是一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法。它解决了厚板超高功率激光焊接时焊缝成形差、气孔缺陷严重的问题。它包括以下步骤：S1、准备两个待焊铝合金试板，分别对待焊铝合金试板进行钝边坡口的加工，两待焊铝合金试板上的钝边坡口围合而成待焊区；S2、对步骤S1中的待焊区采用立焊方式进行双面焊接不填丝自熔焊接，自熔焊接采用摆动激光进行焊接，激光的摆动幅度为3～5mm；S3、对步骤S2中不填丝自熔焊接后的待焊区进行填充焊；S4、对步骤S3中填充焊后的待焊区进行盖面焊。它能够有效改善焊成形，同时能够细化晶粒，提高焊接接头性能。

Description

一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法
技术领域
本发明涉及一种激光加工技术领域，更具体的说是一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法。
背景技术
铝合金具有质量轻、强度优良、耐腐蚀性好、加工性能好等优点，在机械、建筑、船舶、航空航天、交通、国防军工等领域有广泛的应用，是当前结构件轻量化主要材料之一；
铝合金线膨胀系数大、导热快、元素沸点低、质量轻等使得铝合金焊接一直存在较大难度，尤其是铝合金厚板，当前仍然缺少高效优质的焊接方法，传统焊接方法一般为TIG/MIG开坡口多层多道焊，存在焊接效率低、焊接变形大、焊接质量一般等问题。搅拌摩擦焊焊缝表面平整、气孔缺陷少、接头性能优良，但搅拌摩擦焊需要较大的顶锻压力，只适用于结构简单的构件，复杂结构的焊接应用空间受限，而且搅拌摩擦焊的焊速较低，焊接效率不高。在高能束焊接方面，变极性等离子具有较强的优势，且与立焊方式结合焊接时，能够获得熔深适中且气孔缺陷非常低的高质量焊缝，但仅适用于中等厚度的铝合金板；
激光能量密度大，因此激光焊接具有热影响区窄、焊接效率高、焊接变形小、便于实现自动化和智能化等优点，铝合金激光焊接具有非常诱人的潜力；但由于铝合金对激光反射率高，铝合金厚板的大熔深高效焊接，必须使用激光功率大于10KW的超高激光功率，但当激光功率和激光能量密度上升之后，铝合金焊接时存在两个显著难题，其一为液态铝合金粘度低和表面张力系数小，激光“匙孔”塌陷倾向性高，同时焊缝表面不易成形；其二为焊缝深宽比大且冷却速度快，气泡不易上浮，气孔缺陷控制难度大。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法,以解决厚板超高功率激光焊接时焊缝成形差、气孔缺陷严重的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，包括以下步骤：
S1、准备两个待焊铝合金试板，分别对待焊铝合金试板进行钝边坡口的加工，焊前将待焊铝合金试板钝边坡口和待焊表面进行打磨或清洗，然后将两待焊铝合金试板的钝边坡口相对设置并使相对面紧密贴合，两待焊铝合金试板上的钝边坡口围合而成待焊区；
S2、对步骤S1中的待焊区采用立焊方式进行双面焊接不填丝自熔焊接，自熔焊接采用摆动激光进行焊接，激光的摆动幅度为3～5mm；
S3、对步骤S2中不填丝自熔焊接后的待焊区进行填充焊，焊后采用金属刷或高压空气去除覆盖在焊缝和钝边坡口内的烟尘和焊渣；
S4、对步骤S3中填充焊后的待焊区进行盖面焊。
进一步地，步骤S1中所述的待焊铝合金试板的厚度t为16～50mm。
进一步地，步骤S1中所述的钝边坡口厚度h为16～50mm，钝边坡口根部宽度d为5～15mm，钝边坡口角度α为0～5度。
进一步地，步骤S2中所述的不填丝自熔焊接采用立焊位置进行双面焊接的方式，光束与待焊铝合金试板表面夹角为80°，激光功率为10KW～12KW，激光离焦量为+5mm。
进一步地，步骤S2中所述的不填丝自熔焊接所用激光的摆动方式为圆摆、无限摆或线摆，摆动频率为100～200Hz，焊接速度为0.3～1.0m/min。
进一步地，步骤S2中所述的不填丝自熔焊接的过程采用惰性气体进行保护，保护气流量为15～30ml/min。
进一步地，步骤S3中所述的填充焊采用立焊方式进行多层单道填丝焊接。
进一步地，所述单道填丝焊接的参数为：送丝嘴与待焊工件表面夹角为45°，送丝嘴在激光光斑前端，焊丝伸长量为25mm，激光束与待焊工件表面夹角为80°，激光摆动方式为线摆，激光束离焦量为+5mm，激光功率为5～10KW，送丝速度为5～10m/min，焊接速度为0.3～1m/min，首先激光作用到待焊试件形成焊接熔池，然后焊丝伸入到熔池中，填充焊每层的填充厚度控制在1～3mm之间。
进一步地，步骤S4中的盖面焊采用平焊方式进行单层多道焊接。
进一步地，所述单层多道焊接的参数为：送丝嘴与待焊工件表面夹角为45°，送丝嘴在激光光斑前端，焊丝伸长量为25mm，激光束与待焊工件表面夹角为80°，激光摆动方式为线摆，激光束离焦量为+5mm，激光功率为5～10KW，送丝速度为5～10m/min，焊接速度为0.3～1.0m/min，采用2～4道焊缝完成盖面焊接。
本发明一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法的有益效果为：
1、用超高功率扫描激光进行大厚度铝合金板的焊接从而改善率激光能量密度集中的难题和搅拌熔池作用，有效改善焊成形，同时能够细化晶粒，提高焊接接头性能；
2、采用立焊方式进行厚板铝合金打底焊接；通过立焊时焊接熔池在重力作用向下淌的规律，可以扩大扫描激光“匙孔”，有利于激光等离子体的逸出，有效增加焊接过程稳定性和增加熔深，可以实现大厚度铝合金板的高质量焊接；
3、采用立焊位置进行超高功率扫描激光填丝填充焊接，熔池、羽辉以及金属蒸气的稳定性提高，整个焊接过程稳定性提高，且有利于侧壁熔合。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法的原理示意图。
图2为本发明一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法的坡口形式结构示意图。
图3为本发明一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法的50mm厚铝合金板焊缝示意焊道示意图。
图4为本发明一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法的20mm厚铝合金板焊缝焊道示意图；
图5为运用本发明一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法焊接的实物图；
图6为常规单激光无扫描焊缝实物图。
图1中：送丝嘴1；扫描激光束2；气体保护拖罩3；铝合金母材4；焊缝5；焊接熔池6。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：
结合图1-3说明本实施方式，一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、准备两个待焊铝合金试板，待焊铝合金试板的厚度t为50mm，分别对待焊铝合金试板进行钝边坡口的加工，钝边坡口厚度h为26mm，钝边坡口根部宽度d为7mm，坡口角度α为3度，焊前将待焊铝合金试板钝边坡口和待焊表面进行打磨或清洗，然后将两待焊铝合金试板的钝边坡口相对设置并使相对面紧密贴合，两待焊铝合金试板上的钝边坡口围合而成待焊区；
S2、对步骤S1中的待焊区进行不填丝自熔焊接，不填丝自熔焊接采用立焊方式进行双面焊接，焊接参数为：光束与待焊工件表面夹角为80°，激光离焦量为+5mm，激光功率为10KW，激光摆动方式为无限摆，摆动幅度为4mm，摆动频率为120Hz，焊接速度为0.54m/min。焊接过程中采用惰性气体进行保护，保护气流量为25ml/min；
S3、对步骤S2中不填丝自熔焊接后的待焊区进行填充焊，填充焊采用立焊位置进行多层单道填丝焊接方式，焊接参数为：送丝嘴与待焊工件表面夹角为45°，送丝嘴在激光光斑前端，焊丝伸长量为25mm，激光束与待焊工件表面夹角为80°，激光摆动方式为线摆，激光束离焦量为+5mm，激光功率为8KW，摆动幅度4.6mm，摆动频率150Hz，送丝速度为8m/min，焊接速度为0.6m/min，首先激光作用到待焊试件形成焊接熔池，然后焊丝伸入到熔池中，填充焊每层的填充厚度控制在1～3mm，焊后采用金属刷或高压空气去除覆盖在焊缝和坡口内的烟尘和焊渣；
S4、对步骤S3中填充焊后的待焊区进行盖面焊，盖面焊采用平焊方式进行单层多道焊接，焊接参数为：送丝嘴与待焊工件表面夹角为45°，送丝嘴在激光光斑前端，焊丝伸长量为25mm，激光束与待焊工件表面夹角为80°，激光摆动方式为线摆，激光束离焦量为+5mm，激光功率为8KW，摆动幅度4.4mm，摆动频率150Hz，送丝速度为10m/min，焊接速度为0.6m/min，采用2～4道焊缝完成盖面。
需要说明的是，图3中1～2为打底焊道，3～8以及11～16为填充焊缝、9～10以及17～18为盖面焊道。
具体实施方式二：
下面结合图1、图2、图4说明本实施方式，一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、准备两个待焊铝合金试板，待焊铝合金试板厚t为20mm，分别对待焊铝合金试板进行钝边坡口的加工，钝边坡口厚度h为20mm，焊前将待焊铝合金试板钝边坡口和待焊表面进行打磨或清洗，然后将两待焊铝合金试板的钝边坡口相对设置并使相对面紧密贴合，两待焊铝合金试板上的钝边坡口围合而成待焊区；
S2、对步骤S1中的待焊区进行不填丝自熔焊接，不填丝自熔焊接采用立焊方式进行双面焊接，焊接参数为：光束与待焊工件表面夹角为80°，激光离焦量为+5mm，激光功率为10KW，激光摆动方式为无限摆，摆动幅度为3.2mm，摆动频率为120Hz，焊接速度为0.7m/min。保护气体采用惰性气体进行保护，保护气流量为25ml/min。
需要说明的是图4中的1、2均为焊道。
采用上述焊接方式，焊缝的气孔数量和缺陷相较于传统焊接方式少，提高了焊缝的质量，如附图5所示为利用本方法加工的实物图，相较于图6中利用传统单激光焊接的方式而言，气孔数量减少，有效改善焊成形，同时能够细化晶粒，提高焊接接头性能，达到了较好的焊接效果。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、准备两个待焊铝合金试板，分别对待焊铝合金试板进行钝边坡口的加工，焊前将待焊铝合金试板钝边坡口和待焊表面进行打磨或清洗，然后将两待焊铝合金试板的钝边坡口相对设置并使相对面紧密贴合，两待焊铝合金试板上的钝边坡口围合而成待焊区；
S2、对步骤S1中的待焊区采用立焊方式进行双面焊接不填丝自熔焊接，自熔焊接采用摆动激光进行焊接，激光的摆动幅度为3～5mm；
S3、对步骤S2中不填丝自熔焊接后的待焊区进行填充焊，焊后采用金属刷或高压空气去除覆盖在焊缝和钝边坡口内的烟尘和焊渣；
S4、对步骤S3中填充焊后的待焊区进行盖面焊。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：步骤S1中所述的待焊铝合金试板的厚度t为16～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：步骤S1中所述的钝边坡口厚度h为16～50mm，钝边坡口根部宽度d为5～15mm，钝边坡口角度α为0～5度。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：步骤S2中所述的不填丝自熔焊接采用立焊位置进行双面焊接的方式，光束与待焊铝合金试板表面夹角为80°，激光功率为10KW～12KW，激光离焦量范围为+5mm。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：步骤S2中所述的不填丝自熔焊接所用激光的摆动方式为圆摆、无限摆或线摆，摆动频率为100～200Hz，焊接速度为0.3～1.0m/min。
6.根据权利要求4所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：步骤S2中所述的不填丝自熔焊接的过程采用惰性气体进行保护，保护气流量为15～30ml/min。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：步骤S3中所述的填充焊采用立焊方式进行多层单道填丝焊接。
8.根据权利要求7所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：所述单道填丝焊接的参数为：送丝嘴与待焊工件表面夹角为45°，送丝嘴在激光光斑前端，焊丝伸长量为25mm，激光束与待焊工件表面夹角为80°，激光摆动方式为线摆，激光束离焦量为+5mm，激光功率为5～10KW，送丝速度为5～10m/min，焊接速度为0.3～1.0m/min，首先激光作用到待焊试件形成焊接熔池，然后焊丝伸入到熔池中，填充焊每层的填充厚度控制在1～3mm之间。
9.根据权利要求1所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：步骤S4中的盖面焊采用平焊方式进行单层多道焊接。
10.根据权利要求9所述的一种铝合金厚板超高功率扫描激光立焊方法，其特征在于：所述单层多道焊接的参数为：送丝嘴与待焊工件表面夹角为45°，送丝嘴在激光光斑前端，焊丝伸长量为25mm，激光束与待焊工件表面夹角为80°，激光摆动方式为线摆，激光束离焦量为+5mm，激光功率为5～10KW，送丝速度为5～10m/min，焊接速度为0.3～1.0m/min，采用2～4道焊缝完成盖面焊接。
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