CN115055810A - 一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺 - Google Patents

一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺 Download PDF

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郭凯
王庆国
魏艳红
马振一
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Abstract

本发明公开了一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺，属于高能束焊接技术领域。该工艺针对铝合金激光深熔焊中因材料固有属性及激光加工工艺影响所导致的焊道成形差，高速焊接下的大量驼峰，飞溅等焊接宏观缺陷问题，采用可调环模式(ARM)光纤激光器，通过改变中心部分(点)和环形部分(环)的激光功率配比来调控熔池的流动状态，保障熔深的同时保持相对开放的匙孔，避免高速焊接下熔体以飞溅物的形式喷出，实现了焊道成形良好的铝合金激光焊接工艺。该工艺可明显减少高速焊接下的焊道驼峰，飞溅等宏观缺陷问题，保障焊缝的均匀性和连续性，对促进铝合金高速激光焊接的应用与发展具有重要意义。

Description

一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺
技术领域
本发明提出的一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺，属于高能束焊接技术领域，适用于改善铝合金高速激光焊接过程产生的大量飞溅，驼峰等焊道成形差的问题。
背景技术
铝合金因其在耐蚀性，导热性，抗压性及可加工性方面的显著优势，被广泛的应用在航空航天、轨道交通、船舶结构等重要的焊接结构件中。而相较于传统的弧焊方法，激光深熔焊作为高能束焊，较小的热输入导致焊后变形更小，残余应力更低，焊接效率更高等优点，特别适用于铝合金构件的高速焊接。
激光焊接的理想情况是具有高吸收率和低热导率的材料，通常，随着材料变热，吸收率会增加。对于铝合金，在达到熔点后，吸收率迅速增加，使得焊接过程变得非常不稳定，容易出现大量的飞溅、驼峰、气孔等宏观焊接缺陷，使得获取良好表面质量的激光深熔焊道成为一个较大的挑战。
针对上述问题，国外的激光器制造商推出了一种可调环模式(ARM)光纤激光器，适用于各种材料和厚度。ARM光纤激光器将两个光纤激光器结合在一起，光纤由焦点处的中心和环形激光束组成，两个独立的谐振器可独立的改变两个激光束中的功率分布。有少量的研究表明，中心激光束可保障足够的焊缝熔深，而环形激光束可扩大激光诱导的匙孔并保持匙孔开口时间，具有稳定匙孔的作用，可有效减少高速激光焊接中的飞溅与焊道驼峰。但是，该种类激光器因其较为新颖，研究基础薄弱，尚未形成系统的焊接工艺改善方案。
目前，在常规激光高速焊接铝合金条件下产生的大量的飞溅与驼峰等宏观焊接缺陷问题尚未得到较好的解决，一定程度上制约了铝合金高速激光焊接技术的发展。
发明内容
鉴于背景技术的局限性，本发明提出了一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺，无需复杂的外部工装，通过独立调节中心部分及环形部分光束功率，显著改善了铝合金高速激光焊接产生的大量飞溅与驼峰问题，获得连续均匀的焊缝成形，可为铝合金高速激光焊接提供借鉴。
本发明的技术方案为：
一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺，采用厚度为6mm的5056中厚板铝合金作为焊接母材，以平板自熔焊形式进行焊接；采用可调环模式激光器作为焊接激光热源，中心部分激光功率为0-4kW，环形部分激光功率为0-2kW，激光离焦量为0mm，焊接速度为1.2m/min，中心部分光斑直径为50μm，环形部分光斑直径内径为75μm，外径为150μm；采用纯氩气作为保护气体，流量为15L/min。
进一步地，所采用的激光焊接设备为飞博PAM高功率连续光纤激光器，最大输出功率为6kW，其中中心光束最大输出功率为4kW，环形光束最大输出功率为2kW，中心波长为1070～1090nm，最大调制频率为5kHz，中心光束质量＜2.2mm×mrad，环形光束质量＜7mm×mrad。
进一步地，所述光纤激光器为将两个光纤激光器结合在一起，中心与环形光束功率可通过两个独立的谐振器进行独立的直接调节。
进一步地，在焊接过程中保持焊接速度不变，仅研究不同中心激光功率与环形激光功率对焊缝成形的影响。
进一步地，焊接完成后，对焊缝宏观成形以及横截面金相形貌进行制样、拍摄。
本发明的有益效果为：通过中心光束与环形光束的输入配合，既可以弥补纯中心光束下较集中能量造成的匙孔剧烈波动所引起的塌陷气孔，飞溅物大量喷发的问题，同时也弥补了纯环形光束能量分散所造成的焊缝熔深不足，获得较为均匀的温度梯度，使得在高速激光焊接过程中形成一个较为稳定的匙孔，减少剧烈波动所导致的飞溅物喷出，进而获取连续均匀，无明显驼峰，飞溅等宏观缺陷的焊缝成形，改善焊接质量。
附图说明
图1为可调环模式激光器示意图。
图2为可调环模式的铝合金激光焊接示意图。
图3为实施例1-4焊缝表面宏观形貌。
图4为实施例1-4焊缝横截面金相形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
采用6mm厚5056铝合金中厚板作为焊接母材，通过线切割将试样规格加工至100mm×100mm×6mm，在试板上采用平板自熔的形式进行焊接；焊前对母材表面进行机械清理，并采用丙酮试剂对母材表面进行擦拭，以去除表面氧化物和油污等杂质。焊接过程中，采用多点工装夹具对试板进行夹持固定。
焊接采用飞博PAM高功率连续光纤激光器，中心光束功率为3kW，环形光束功率为1.5kW；焊接速度1.2m/min；离焦量0mm；中心焦点光斑直径50μm，环形焦点光斑内径75μm，外径150μm；保护气为纯氩气，流量为15L/min。
焊后对焊缝表面成形进行拍摄，并通过电火花切割、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等流程制备焊缝金相试样，拍摄横截面金相形貌。
实施例2
母材尺寸、类型及焊前表面处理同实施例1，焊接采用飞博PAM高功率连续光纤激光器，中心光束功率为2.5kW，环形光束功率为2kW；焊接速度1.2m/min；离焦量0mm；中心焦点光斑直径50μm，环形焦点光斑内径75μm，外径150μm；保护气为纯氩气，流量为15L/min。
焊后对焊缝表面成形进行拍摄，并通过电火花切割、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等流程制备焊缝金相试样，拍摄横截面金相形貌。
实施例3
母材尺寸、类型及焊前表面处理同实施例1，焊接采用飞博PAM高功率连续光纤激光器，中心光束功率为3kW，环形光束功率为2kW；焊接速度1.2m/min；离焦量0mm；中心焦点光斑直径50μm，环形焦点光斑内径75μm，外径150μm；保护气为纯氩气，流量为15L/min。
焊后对焊缝表面成形进行拍摄，并通过电火花切割、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等流程制备焊缝金相试样，拍摄横截面金相形貌。
实施例4
母材尺寸、类型及焊前表面处理同实施例1，焊接采用飞博PAM高功率连续光纤激光器，中心光束功率为4kW，环形光束功率为1kW；焊接速度1.2m/min；离焦量0mm；中心焦点光斑直径50μm，环形焦点光斑内径75μm，外径150μm；保护气为纯氩气，流量为15L/min。
焊后对焊缝表面成形进行拍摄，并通过电火花切割、镶嵌、打磨、抛光、腐蚀等流程制备焊缝金相试样，拍摄横截面金相形貌。
实施例1-4所得到的焊缝表面成形如图3所示，焊缝横截面金相形貌如图4所示。可以看出，在相同的热输入下，通过适当增加环形光束功率，可得到更加连续均匀的焊缝表面成形，表面产生的飞溅物，焊道驼峰等缺陷减少；此外，环形光束功率的增加，导致焊缝宽度有较为明显的增加，而中心光束功率的增加则加剧了焊接过程中的匙孔不稳定，过多的集中能量导致强烈的金属蒸气喷发，携带大量的飞溅物喷出。从焊缝横截面形貌来看，焊缝截面整体呈现“高脚杯”形状，即顶部最宽，底部最窄，焊缝在中间位置明显收缩，相同热输入下的焊缝熔深相近，中心光束功率的增加伴随着较大的熔深，环形光束功率的增加则改善了焊缝的宽度，但是过大的热输入会导致焊缝存在较为明显的气孔，实际操作中应加以避免。
实施例结果分析表明，本发明所提出的基于可调环模式激光器，通过独立改变中心光束与环形光束功率分配的激光焊接工艺及参数可明显减少铝合金高速激光焊接过程中产生的大量的飞溅物喷出，驼峰等宏观焊道缺陷，形成连续均匀，无明显缺陷的焊缝成形，显著改善了焊缝表面质量。本发明对于推动可调环模式激光器在铝合金高速激光焊接领域的发展及应用提供了一项重要的技术参考，具有潜在的经济与社会效益。
以上所述，仅是本发明的部分实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本专业领域的人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺，其特征在于：焊接母材为6mm厚的5056铝合金中厚板，以平板自熔焊形式进行焊接；采用可调环模式(ARM)激光作为焊接热源，中心部分激光功率为0-4kW，环形激光功率为0-2kW；焊接速度为1.2m/min；离焦量为0mm；中心部分光斑直径为50μm；环形部分光斑直径内径为75μm，外径为150μm；采用纯氩作为保护气体，流量为15L/min。
2.根据权利要求1所述的一种基于可调环模式的铝合金激光焊接工艺，其特征在于：采用可调环模式(ARM)光纤激光器产生激光热源。可调环模式通过将两个光纤激光器结合在一起，光纤由焦点处的圆形和环形激光束组成，激光系统中两个独立的谐振器的存在提供了独立改变两个激光束中的功率分布的能力，通过独立改变中心光束及环形光束的功率，进而改善焊接过程中的飞溅，驼峰等宏观缺陷，获取成形均匀良好的焊缝。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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