CN117680867B - 一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝及其制备方法和焊接方法，属于激光焊接技术领域。高强焊丝包括以下质量百分比的成分：Cu为5.5%‑6.0%、Mn为0.1%‑0.5%、V为0.05%‑0.2%、Zr为0.1%‑0.5%、Si为0.1%‑0.5%、Fe为0.1%‑0.5%、Zn为0.1%‑0.5%、补偿元素为1.0%‑2.0%、析氢元素为0.1%‑0.5%、纳米陶瓷颗粒为1.0%‑2.0%，余量Al。采用铝带包裹焊丝粉末，滚卷成焊丝，在焊接过程中采用敲击法对焊缝进行敲击，细化了焊缝晶粒，减轻了气孔和热裂纹的产生。本发明采用上述基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝及其制备方法和焊接方法，能够解决现有的铝锂合金焊缝质量差、强度低的问题。

Description

一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的焊接 方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其是涉及一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝及其制备方法和焊接方法。

背景技术

铝锂合金是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。锂是世界上最轻的金属元素。把锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。因为这些特性，这种新型合金受到了航空、航天以及航海业的广泛关注。

桁条除了用于机翼内部还可用在机身，承受机身纵向拉压力。桁条需要固定在壁板上，桁条与壁板垂直连接，这就需要将桁条与壁板进行焊接。桁条一般采用铝锂合金材料。激光焊接作为高能束焊接方式，具有能量密度高、生产效率高的特点。但是激光焊接的高能量密度，使得铝锂合金材料中的低沸点元素烧损比较严重，会影响焊缝的质量。并且在激光焊接过程中，待焊接材料表面清理不彻底，或待焊接材料、焊丝未烘干含有水分，在焊接过程中容易产生氢气，氢气滞留在焊缝中形成气孔，严重影响焊缝的质量。并且由于激光焊接的冷却效率比较高，焊缝内应力比较大，容易在焊缝的内部形成裂纹，影响焊缝的强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝及其制备方法和焊接方法，解决现有的铝锂合金焊缝质量差、强度低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝，包括以下质量百分比的成分：Cu为5.5％-6.0％、Mn为0.1％-0.5％、V为0.05％-0.2％、Zr为0.1％-0.5％、Si为0.1％-0.5％、Fe为0.1％-0.5％、Zn为0.1％-0.5％、补偿元素为1.0％-2.0％、析氢元素为0.1％-0.5％、纳米陶瓷颗粒为1.0％-2.0％，余量Al。

优选的，包括以下质量百分比的成分：Cu为5.8％、Mn为0.2％、V为0.1％、Zr为0.2％、Si为0.2％、Fe为0.3％、Zn为0.1％、补偿元素为1.4％、析氢元素为0.2％、纳米陶瓷颗粒为1.2％，余量Al。

优选的，所述补偿元素包括Mg、Li，Mg占焊丝质量百分比的0.2％，Li占焊丝质量百分比的1.2％；析氢元素为Nb，纳米陶瓷颗粒为纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒中的一种或两种的混合物。

上述基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照成分配比称量Al粉、Cu粉、Li粉、Mn粉、V粉、Zr粉、Si粉、Fe粉、Mg粉、Nb粉和Zn粉，并将其放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末，球磨时采用惰性气体进行保护。

Al粉、Cu粉、Li粉、Mn粉、V粉、Zr粉、Si粉、Fe粉、Mg粉、Nb粉和Zn粉均为纯度大于99.9％的高纯金属粉。

球磨机中磨球为球形的氧化锆，球料比为6:1，球磨时间为2h-3h，转速为300rpm。惰性气体采用氮气或氩气，采用惰性气体对球磨的粉末进行保护，可以避免粉末发生氧化。

S2、按照成分配比称量纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒，将混合粉末和纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒在高速搅拌机下进行搅拌混合，得到焊丝粉末。高速搅拌机的转速为3000r/min，搅拌混合时间为30min。

S3、将厚度为0.5mm的纯铝带滚卷成U型槽结构，将焊丝粉末填充在U型槽内，通过滚压机密封滚压将焊丝粉末滚压在纯铝管内，得到焊丝坯料。

S4、将焊丝坯料在拉丝模上进行拉丝，得到直径为1.2mm的焊丝。拉丝完成后需要对焊丝进行光亮化处理，以提高焊丝表面的光滑度。

优选的，所述S1中，混合粉末的粒径为50μm-100μm。

优选的，所述S2中，纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒的粒径为80nm-100nm。

上述基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的焊接方法，包括以下步骤：

(1)、在桁条和壁板之间开K型坡口，对桁条和壁板进行表面清理，将桁条和壁板固定在工作平台上；

(2)、将夹持工装安装在机械臂上，将焊枪固定在夹持工装的焊枪夹持机构上，调整焊枪的倾斜角度和焊枪底端与焊缝之间的距离；焊枪与桁条之间的夹角为20°-80°，即焊枪偏离桁条的角度；焊枪的底端与焊缝之间的距离为40mm-60mm；

(3)、将送丝管固定在送丝管固定机构上，调整送丝管与焊枪之间的角度，送丝管与焊枪之间的角度为20°-50°，光丝间距为2-5mm；调整敲击机构与焊缝之间的距离；

(4)、打开气瓶，向焊接熔池处供保护气体，保护气体的流量为10L/min-20L/min；启动机械臂和激光器，对桁条和壁板进行焊接。激光焊接机采用摆动激光头。激光功率为2kW-3kW，焊接速度为0.5m/min-2m/min，激光摆动频率为50Hz-100Hz，激光摆动幅度为1mm-3mm，送丝速度为1m/min-4m/min；

(5)、启动敲击机构，通过敲击机构对焊缝进行敲击；

(6)、焊接完成后，关闭激光器，关闭敲击机构，继续通入保护气体0.5min-2min，关闭气瓶。

优选的，所述夹持工装包括安装架，安装架的中部固定在机械臂上，焊枪夹持机构对称设置在安装架的两端，送丝管固定机构对称设置在安装架的一侧，敲击机构对称设置在安装架的另一侧；焊枪夹持机构包括第一转动座，第一转动座上设置有安装焊枪的第一安装孔，第一转动座转动的设置在第一滑板上，第一转动座与第一滑板之间通过锁紧件锁紧，安装架上设置有带动第一滑板在安装架上滑动的滑动结构；滑动结构包括转轴，转轴与安装架转动连接，安装架上设置有带动转轴转动的第一电机，转轴上设置有传动板，传动板的两端分别通过连杆与两个第一滑板铰接；安装架上设置有对第一滑板的滑动具有导向作用的导轨，安装架上设置有避让焊枪的滑孔。

优选的，所述送丝管固定机构包括第二安装板，第二安装板设置在第三滑板上，第三滑板上设置有使第二丝杆穿过并与第二丝杆相适配的螺纹孔，第二丝杆与安装架转动连接，安装架上设置有带动第二丝杆转动的第三电机，第三电机输出轴上的主动轮与第二丝杆上的从动轮之间通过第二传动带连接；第二安装板上设置有滑座，滑座与第二安装板滑动连接，滑座上设置有将滑座与第二安装板锁紧的顶丝，滑座上转动设置有第二转动座，第二转动座上设置有第一齿圈，滑座上转动设置有与第一齿圈啮合的第一齿轮，第一齿轮的轮轴上设置有旋钮，第二转动座两侧设置有支架，支架之间转动设置有转动板，支架与转动板之间通过锁紧螺母锁紧连接，转动板上设置有固定送丝管的第二安装孔，第二安装孔上设置有夹紧送丝管的夹板，夹板的中部设置有滑杆，滑杆与转动板滑动连接，转动板上转动设置有与滑杆一一对应的第二齿轮，转动板上转动设置有与第二安装孔同轴的第二齿圈，第二齿轮与第二齿圈、滑杆上的齿条均啮合。

优选的，所述敲击机构包括第二滑板，第二滑板与安装架滑动连接，第二滑板上设置有使第一丝杆穿过并与第一丝杆相适配的螺纹孔，第一丝杆与安装架转动连接，第一丝杆端头设置的从动轮通过第一传动带与第三电机输出轴上设置的主动轮传动连接；第二滑板上设置有第一安装板，第一安装板的端头设置有固定板，固定板上转动设置有凸轮，固定板上设置有带动凸轮转动的第二电机，固定板的一侧设置有敲击杆，固定板的底部设置有导块，导块上设置有倾斜的凹槽，敲击杆位于凹槽内并与凹槽滑动连接；敲击杆的顶端设置有端板，端板与导块之间设置有使端板与凸轮的侧壁始终接触的第三弹簧。

本发明所述的一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝及其制备方法和焊接方法的优点和积极效果是：

1、本发明在焊丝中加入Nb元素作为析氢元素，Nb元素具有吸气和固氢的作用，并且Nb可以增加熔池温度，增加熔池的流动性，使得熔池中卷入的气体能够充分的排出，有效的抑制焊缝中气孔的产生。

2、本发明在焊丝中Mg、Li元素的增加，能够补偿焊接过程中低沸点Mg、Li元素的烧损，提高焊丝与焊接母材之间的润湿性，改善焊缝组织，提高焊缝强度。

3、本发明在焊丝中加入了纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒，高熔点的纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒能够在熔池冷却过程中作为形核的质点，增加结晶的形核质点，细化焊缝晶粒。纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒作为硬质粒子分布在焊缝中，能够阻碍位错的移动和裂纹的萌生、扩展，从而有效的抑制了焊缝中裂纹的产生，有效的提高焊接强度。

4、本发明设置有敲击杆，敲击杆对处于高温状态的焊缝进行敲击，将焊缝中拉应力转化成有利的压应力，有效的减轻焊缝处热裂纹的产生。在敲击的过程中焊缝组织中会产生高密度的孪晶和位错，有效的提高焊缝的强度。

5、本发明所述的夹持工装能够同时固定焊枪和送丝管，并对焊枪、送丝管与桁条之间的角度和距离进行调整，便于对不同角度、不同距离下的焊缝质量进行研究。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明桁条和壁板组装图；

图2为本发明夹持工装结构示意图；

图3为本发明夹持工装局部结构示意图；

图4为本发明送丝管固定机构结构示意图；

图5为本发明敲击机构结构示意图；

图6为本发明焊枪夹持机构结构示意图；

图7为本发明锁紧结构示意图；

图8为本发明实施例焊缝组织宏观图；

图9为本发明实施例焊缝显微组织图。

附图标记

1、安装架；11、连接杆；12、导轨；13、连接板；14、锁紧销；15、第一弹簧；16、推孔；17、推杆；18、第二弹簧；19、压板；

2、焊枪夹持机构；21、第一滑板；22、滑孔；23、第一安装孔；24、转轴；25、传动板；26、连杆；27、第一电机；28、第一转动座；

3、敲击机构；31、第二滑板；32、第一安装板；33、凸轮；34、敲击杆；35、第一丝杆；36、第二电机；37、第三弹簧；38、导块；39、第一传动带；310、第三电机；311、固定板；312、端板；

4、送丝管固定机构；41、第二安装板；42、滑座；43、转动板；44、第二丝杆；45、第二传动带；46、第三滑板；47、第一齿轮；48、旋钮；49、夹板；410、第二转动座；411、第一齿圈；412、第二齿轮；413、第二齿圈；414、滑杆；415、第二安装孔；416、支架。

5、桁条；6、壁板。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝，包括以下质量百分比的成分：Cu为5.5％-6.0％、Mn为0.1％-0.5％、V为0.05％-0.2％、Zr为0.1％-0.5％、Si为0.1％-0.5％、Fe为0.1％-0.5％、Zn为0.1％-0.5％、补偿元素为1.0％-2.0％、析氢元素为0.1％-0.5％、纳米陶瓷颗粒为1.0％-2.0％，余量Al。

补偿元素包括Mg、Li，Mg占焊丝质量百分比的0.2％，Li占焊丝质量百分比的1.2％。

析氢元素为Nb，纳米陶瓷颗粒为TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒中的一种或两种的混合物。

上述基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照成分配比称量Al粉、Cu粉、Li粉、Mn粉、V粉、Zr粉、Si粉、Fe粉、Mg粉、Nb粉和Zn粉，并将其放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末，球磨时采用惰性气体进行保护。

Al粉、Cu粉、Li粉、Mn粉、V粉、Zr粉、Si粉、Fe粉、Mg粉、Nb粉和Zn粉均为纯度大于99.9％的高纯金属粉。

球磨机中球料比为6:1，球磨时间为3h，转速为300rpm。采用氩气作为保护气体。混合粉末的粒径为50μm-100μm。

S2、按照成分配比称量纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒，将混合粉末和纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒在高速搅拌机下进行搅拌混合，得到焊丝粉末。

高速搅拌机的转速为3000r/min，搅拌混合时间为30min。

纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒的粒径为80nm-100nm。

S3、将厚度为0.5mm的纯铝带滚卷成U型槽结构，将焊丝粉末填充在U型槽内，通过滚压机密封滚压将焊丝粉末滚压在纯铝管内，得到焊丝坯料。

S4、将焊丝坯料在拉丝模上进行拉丝，得到直径为1.2mm的焊丝。

基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的焊接方法，包括以下步骤：

(1)、在桁条5和壁板6之间开K型坡口，对桁条5和壁板6进行表面清理，将桁条5和壁板6固定在工作平台上；

(2)、将夹持工装安装在机械臂上，将焊枪固定在夹持工装的焊枪夹持机构2上，调整焊枪的倾斜角度和焊枪底端与焊缝之间的距离；焊枪与桁条5之间的夹角为20°-80°，焊枪的底端与焊缝之间的距离为40mm-60mm；

(3)、将送丝管固定在送丝管固定机构4上，调整送丝管与焊枪之间的角度，送丝管与焊枪之间的角度为20°-50°，光丝间距为2-5mm；调整敲击机构3与焊缝之间的距离；

(4)、打开气瓶，向焊接熔池处供保护气体，保护气体的流量为10L/min-20L/min；启动机械臂和激光器，对桁条5和壁板6进行焊接，激光功率为2kW-3kW，焊接速度为0.5m/min-2m/min，激光摆动频率为50Hz-100Hz，激光摆动幅度为1mm-3mm，送丝速度为1m/min-4m/min；

(5)、启动敲击机构3，通过敲击机构3对焊缝进行敲击；

(6)、焊接完成后，关闭激光器，关闭敲击机构3，继续通入保护气体0.5min-2min，关闭气瓶。

附图2、图3、图7所示，夹持工装包括安装架1，安装架1为刚性的水平板。安装架1通过锁紧结构与连接板13连接，连接板13通过螺钉或焊接固定在机械臂上。锁紧结构包括固定设置在安装架1上的两个连接杆11，连接板13上设置有使连接杆11插入的插孔。连接板13上设置有与插孔垂直并连通的孔，孔内滑动设置有锁紧销14，连接杆11上设置有使锁紧销14插入的锁紧孔。锁紧销14与孔之间设置有第一弹簧15，第一弹簧15的两端分别固定在锁紧销14与孔壁上。锁紧销14在第一弹簧15作用下插入锁紧孔内，将安装架1与连接板13进行锁紧连接。锁紧销14上设置有推孔16，推孔16贯穿锁紧销14并且一个侧面设置成斜面。连接板13上设置有使推杆17插入的开孔，开孔与孔连通并垂直。推杆17与开孔滑动连接。推杆17的顶端固定设置有环形的压板19，压板19将两个推杆17固定连接正在一起，便于对两个推杆17同时操作。压板19与连接板13之间设置有第二弹簧18，第二弹簧18的两端分别与压板19、连接板13固定连接。推杆17底端在第二弹簧18的作用下与推孔16的斜面接触。

安装时，通过压板19向下按压推杆17，第二弹簧18压缩，推杆17的底端通过推孔16的斜面带动锁紧销14在孔内滑动，第一弹簧15压缩，锁紧销14划入孔内，将安装架1得连接杆11插入插孔内，松开压板19，压板19在第二弹簧18作用下带动推杆17向上滑动，第一弹簧15复位，锁紧销14在第一弹簧15作用下插入连接杆11的锁紧孔内，实现安装架1与连接板13之间的锁紧连接。

如图6所示，焊枪夹持机构2对称的设置在安装架1的两端。焊枪夹持机构2从桁条5的两侧对桁条5与壁板6进行同步焊接。焊枪夹持机构2包括第一转动座28，第一转动座28上设置有安装焊枪的第一安装孔23，焊枪通过螺钉固定在第一安装孔23内。第一转动座28转动的设置在第一滑板21上。第一转动座28的两侧固定设置有销轴，第一滑板21上设置有使销轴穿过的通孔，销轴与通孔转动连接。销轴的外表面上设置有外螺纹，销轴与第一滑板21之间通过锁紧螺母锁紧。松动锁紧螺母，可以根据需要调整焊枪的角度。第一滑板21上可以设置刻度，从而便于观察焊枪的倾斜角度。

安装架1上设置有带动第一滑板21在安装架1上滑动的滑动结构。滑动结构包括转轴24，转轴24与安装架1通过轴承转动连接。安装架1上固定设置有带动转轴24转动的第一电机27。转轴24上固定设置有传动板25，传动板25的两端分别通过连杆26与两个第一滑板21铰接。连杆26的两端分别通过转动销与传动板25、第一滑板21铰接。安装架1上固定设置有对第一滑板21的滑动具有导向作用的导轨12，第一滑板21上设置有导槽，导轨12位于导槽内并与导槽滑动连接。安装架1上设置有避让焊枪的滑孔22，满足焊枪的移动和转动需要。

使用时，第一电机27带动转轴24转动，转轴24带动传动板25同步的转动，传动板25通过连杆26带动两个第一滑板21在导轨12作用下同步的相对或相背离的滑动，从而调整焊枪与桁条5之间的距离，满足不同间距、不同宽度桁条5的焊接需要。

如图4所示，送丝管固定机构4对称的设置在安装架1的一侧，送丝管固定机构4用于固定送丝管，使得焊丝能够稳定的输送到待焊接位置处。两个送丝管固定机构4分别为桁条5两侧的待焊接部位提供焊丝。送丝管固定机构4包括第二安装板41，第二安装板41固定设置在第三滑板46上。第三滑板46上设置有使第二丝杆44穿过并与第二丝杆44相适配的螺纹孔。第二丝杆44为双向丝杆，两个第三滑板46分别位于双向丝杆的两端，通过双向丝杆带动两个第三滑板46同步的相对或相背离的滑动，便于两个送丝管的同步调整。安装架1上设置有对第三滑板46的滑动具有导向和支撑作用的滑槽，第三滑板46上设置有凸块，凸块位于滑槽内并与滑槽滑动连接。第二丝杆44通过轴承座与安装架1转动连接。安装架1上固定设置有带动第二丝杆44转动的第三电机310。第三电机310输出轴上固定设置有主动轮，主动轮与第二丝杆44上固定设置的从动轮之间通过第二传动带45连接。

第二安装板41上设置有滑座42，滑座42与第二安装板41滑动连接。第二安装板41上设置有对滑座42的滑动具有导向和支撑作用的滑槽，滑座42上设置有将滑座42与第二安装板41锁紧的顶丝。松动顶丝可以调整滑座42在第二安装板41上的位置，从而调整送丝管与焊枪之间的距离，拧紧顶丝实现滑座42与第二安装板41之间的锁紧。

滑座42上设置有凹槽，第二转动座410位于凹槽内，第二转动座410通过轴承与凹槽转动连接。第二转动座410上固定设置有第一齿圈411，滑座42上通过轴承转动设置有与第一齿圈411啮合的第一齿轮47，第一齿轮47位于凹槽内。第一齿轮47的轮轴上固定设置有旋钮48。通过旋钮48转动第一齿轮47，第一齿轮47通过第一齿圈411带动第二转动座410转动，第二转动座410通过支架416带动转动板43转动，从而调整送丝管在焊枪之间的夹角。

第二转动座410两侧固定设置有支架416，支架416之间转动设置有转动板43。转动板43的两侧设置有转动轴，支架416上设置有使转动轴穿过的通孔，转动轴与通孔转动连接。转动轴的外部设置有外螺纹，转动轴通过锁紧螺母与支架416进行锁紧，从而实现转动板43的锁紧定位。转动板43上设置有固定送丝管的第二安装孔415。松动锁紧螺母可以转动转动板43，从而通过转动板43调整送丝管的倾斜角度，满足不同倾斜角度送丝需要。支架416上可以设置刻度，便于观察送丝管的倾斜角度。

第二安装孔415上设置有夹紧送丝管的夹板49，夹板49为弧形板。夹板49靠近送丝管的一侧设置有橡胶的防护垫，防护垫对送丝管进行防护。夹板49的中部固定设置有滑杆414，滑杆414与转动板43滑动连接。转动板43上设置有过第二安装孔415轴线的限位槽，滑杆414位于限位槽内并与限位槽滑动连接。限位槽对滑杆414的滑动具有限位的作用，使得滑杆414沿着过第二安装孔415轴线的直线滑动。转动板43上转动设置有与滑杆414一一对应的第二齿轮412，转动板43上通过轴承转动设置有与第二安装孔415同轴的第二齿圈413，第二齿轮412与第二齿圈413、滑杆414上的齿条均啮合。

通过转动一个第二齿轮412的轮轴，第二齿轮412带动第二齿圈413转动，第二齿圈413带动其余的两个第二齿轮412同步的转动，第二齿轮412通过齿条带动滑杆414在转动板43上滑动，从而将送丝管夹紧或松开，实现送丝管的快速固定或拆卸。

如图5所示，敲击机构3对称的设置在安装架1的另一侧。两个敲击机构3分别对焊接后的焊缝进行敲击，从而释放焊缝内的应力，减轻裂纹的产生。敲击机构3包括第二滑板31，第二滑板31与安装架1滑动连接。安装架1上设置有对第二滑板31的滑动具有导向和支撑作用的滑槽，第二滑板31上设置有凸块，凸块位于滑槽内并与滑槽滑动连接。第二滑板31上设置有使第一丝杆35穿过并与第一丝杆35相适配的螺纹孔，第一丝杆35通过轴承座与安装架1转动连接。第一丝杆35为双向丝杆，第二滑板31位于第一丝杆35的两端，第一丝杆35带动两个第二滑板31相对的滑动，从而调整敲击机构3与桁条5之间的距离，满足不同宽度桁条5的敲击需要。

第一丝杆35端头上固定设置的从动轮，从动轮通过第一传动带39与第三电机310输出轴上固定设置的主动轮传动连接。第三电机310的输出轴上设置有两个主动轮，两个主动轮分别与第一丝杆35、第二丝杆44上的从动轮传动连接。第二滑板31上固定设置有第一安装板32，第一安装板32的端头上固定设置有固定板311。固定板311上通过轴承转动设置有凸轮33，固定板311上固定设置有带动凸轮33转动的第二电机36。固定板311的一侧设置有敲击杆34，敲击杆34的底端为圆头结构，便于对焊缝进行敲击。固定板311的底部固定设置有导块38，导块38上设置有倾斜的凹槽，敲击杆34位于凹槽内并与凹槽滑动连接，敲击杆34沿着凹槽滑动。敲击杆34的顶端固定设置有端板312，端板312与导块38之间设置有第三弹簧37，第三弹簧37的两端分别与端板312、导块38固定连接。端板312在第三弹簧37的作用下始终与凸轮33的侧壁接触。第二电机36带动凸轮33转动，凸轮33通过端板312带动敲击杆34沿着导块38滑动，敲击杆34在第三弹簧37作用下往复的滑动，从而实现对焊缝的敲击。

实施例

本实施例待焊接的桁条5和壁板6均为2195铝锂合金。桁条5板厚为4mm，壁板6板厚为4mm。桁条5和壁板6组装图如图1所示。

基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝，包括以下质量百分比的成分：Cu为5.8％、Li为1.2％、Mn为0.2％、V为0.1％、Zr为0.2％、Si为0.2％、Fe为0.3％、Mg为0.2％、Nb为0.2％、Zn为0.1％、TiC为1.2％，余量Al。

球磨后的混合粉末的粒径为80μm，纳米TiC粉末的粒径为100nm。

焊枪与桁条5之间的夹角为45°，焊枪的底端与焊缝之间的距离为50mm。

送丝管与焊枪之间的角度为45°，送丝管与桁条5之间的夹角为45°，光丝间距为3mm。

保护气体为氩气，氩气的流量为15L/min，激光功率为2kW，焊接速度为1m/min，激光摆动频率为60Hz，激光摆动幅度为2mm，送丝速度为2m/min。

如图8、图9所示。对焊接后的焊缝组织进行观察，可以看出焊缝由等轴细晶和等轴树枝晶组成，不含有柱状晶，焊缝中无气孔和裂纹产生；表明采用本发明所述的焊丝、焊接方法获得的焊缝具有非常细小的晶粒，能够有效的细化焊缝晶粒，减轻焊缝中气孔和裂纹的产生。这是因为，在焊丝中加入了纳米TiC粉末，高熔点的纳米TiC粉末能够在熔池冷却过程中作为形核的质点，使得在熔池内多处同时结晶，晶粒在长大过程中受到相邻晶粒的阻碍不能继续长大，因此获得了细小的晶粒组织。另外，纳米TiC粉末作为硬质粒子分布在焊缝中，能够阻碍位错的移动和裂纹的萌生、扩展，从而有效的抑制了焊缝中裂纹的产生，有效的提高焊接强度。

焊丝中Nb元素作为析氢元素，Nb元素具有吸气和固氢的作用，并且焊接过程中Nb可以增加熔池温度，增加熔池的流动性，使得熔池中卷入的气体能够充分的排出，有效的抑制焊缝中气孔的产生。焊丝中Mg、Li元素的增加，能够补偿焊接过程中低沸点Mg、Li元素的烧损，提高焊丝与焊接母材之间的润湿性，改善焊缝组织，提高焊缝强度。

焊接过程中采用敲击杆34对处于高温状态的焊缝进行敲击，敲击杆34在敲击过程中能够释放焊缝中的热应力，并将拉应力转化成对焊缝有利的压应力，也能够有效的减轻焊缝处热裂纹的产生。另外，敲击杆34在对焊缝敲击的过程中焊缝组织中会产生高密度的孪晶和位错，孪晶和位错能够阻碍裂纹的扩展，有效的提高焊缝的强度。

对本实施例获得的焊接接头进行拉伸试验，焊接接头的抗拉强度为308MPa，断后伸长率为5.7％。

因此，本发明采用上述基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝及其制备方法和焊接方法，能够解决现有的铝锂合金焊缝质量差、强度低的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的焊接方法，其特征在于，所述高强焊丝包括以下质量百分比的成分：Cu为5.8％、Mn为0.2％、V为0.1％、Zr为0.2％、Si为0.2％、Fe为0.3％、Zn为0.1％、补偿元素为1.4％、析氢元素为0.2％、纳米陶瓷颗粒为1.2％，余量Al；

所述补偿元素包括Mg、Li，Mg占焊丝质量百分比的0.2％，Li占焊丝质量百分比的1.2％；析氢元素为Nb，纳米陶瓷颗粒为纳米TiC颗粒或纳米TiB₂颗粒；

所述高强焊丝的制备方法，包括以下步骤：

S1、按照成分配比称量Al粉、Cu粉、Li粉、Mn粉、V粉、Zr粉、Si粉、Fe粉、Mg粉、Nb粉和Zn粉，并将其放入球磨机中进行球磨，得到混合粉末，球磨时采用惰性气体进行保护；

S2、按照成分配比称量纳米TiC颗粒或纳米TiB₂颗粒，将混合粉末和纳米TiC颗粒或纳米TiB₂颗粒在高速搅拌机下进行搅拌混合，得到焊丝粉末；

S3、将厚度为0.5mm的纯铝带滚卷成U型槽结构，将焊丝粉末填充在U型槽内，通过滚压机密封滚压将焊丝粉末滚压在纯铝管内，得到焊丝坯料；

S4、将焊丝坯料在拉丝模上进行拉丝，得到直径为1.2mm的焊丝；

所述焊接方法，包括以下步骤：

(1)、在桁条和壁板之间开K型坡口，对桁条和壁板进行表面清理，将桁条和壁板固定在工作平台上；桁条和壁板均为2195铝锂合金；

(2)、将夹持工装安装在机械臂上，将焊枪固定在夹持工装的焊枪夹持机构上，调整焊枪的倾斜角度和焊枪底端与焊缝之间的距离；焊枪与桁条之间的夹角为20°-80°，焊枪的底端与焊缝之间的距离为40mm-60mm；

(3)、将送丝管固定在送丝管固定机构上，调整送丝管与焊枪之间的角度，送丝管与焊枪之间的角度为20°-50°，光丝间距为2-5mm；调整敲击机构与焊缝之间的距离；

(4)、打开气瓶，向焊接熔池处供保护气体，保护气体的流量为10L/min-20L/min；启动机械臂和激光器，对桁条和壁板进行焊接，激光功率为2kW-3kW，焊接速度为0.5m/min-2m/min，激光摆动频率为50Hz-100Hz，激光摆动幅度为1mm-3mm，送丝速度为1m/min-4m/min；

(5)、启动敲击机构，通过敲击机构对焊缝进行敲击；

(6)、焊接完成后，关闭激光器，关闭敲击机构，继续通入保护气体0.5min-2min，关闭气瓶；

所述夹持工装包括安装架，安装架的中部固定在机械臂上，焊枪夹持机构对称设置在安装架的两端，送丝管固定机构对称设置在安装架的一侧，敲击机构对称设置在安装架的另一侧；焊枪夹持机构包括第一转动座，第一转动座上设置有安装焊枪的第一安装孔，第一转动座转动的设置在第一滑板上，第一转动座与第一滑板之间通过锁紧件锁紧，安装架上设置有带动第一滑板在安装架上滑动的滑动结构；滑动结构包括转轴，转轴与安装架转动连接，安装架上设置有带动转轴转动的第一电机，转轴上设置有传动板，传动板的两端分别通过连杆与两个第一滑板铰接；安装架上设置有对第一滑板的滑动具有导向作用的导轨，安装架上设置有避让焊枪的滑孔；

所述送丝管固定机构包括第二安装板，第二安装板设置在第三滑板上，第三滑板上设置有使第二丝杆穿过并与第二丝杆相适配的螺纹孔，第二丝杆与安装架转动连接，安装架上设置有带动第二丝杆转动的第三电机，第三电机输出轴上的主动轮与第二丝杆上的从动轮之间通过第二传动带连接；第二安装板上设置有滑座，滑座与第二安装板滑动连接，滑座上设置有将滑座与第二安装板锁紧的顶丝，滑座上转动设置有第二转动座，第二转动座上设置有第一齿圈，滑座上转动设置有与第一齿圈啮合的第一齿轮，第一齿轮的轮轴上设置有旋钮，第二转动座两侧设置有支架，支架之间转动设置有转动板，支架与转动板之间通过锁紧螺母锁紧连接，转动板上设置有固定送丝管的第二安装孔，第二安装孔上设置有夹紧送丝管的夹板，夹板的中部设置有滑杆，滑杆与转动板滑动连接，转动板上转动设置有与滑杆一一对应的第二齿轮，转动板上转动设置有与第二安装孔同轴的第二齿圈，第二齿轮与第二齿圈、滑杆上的齿条均啮合；

所述敲击机构包括第二滑板，第二滑板与安装架滑动连接，第二滑板上设置有使第一丝杆穿过并与第一丝杆相适配的螺纹孔，第一丝杆与安装架转动连接，第一丝杆端头设置的从动轮通过第一传动带与第三电机输出轴上设置的主动轮传动连接；第二滑板上设置有第一安装板，第一安装板的端头设置有固定板，固定板上转动设置有凸轮，固定板上设置有带动凸轮转动的第二电机，固定板的一侧设置有敲击杆，固定板的底部设置有导块，导块上设置有倾斜的凹槽，敲击杆位于凹槽内并与凹槽滑动连接；敲击杆的顶端设置有端板，端板与导块之间设置有使端板与凸轮的侧壁始终接触的第三弹簧。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的焊接方法，其特征在于：所述S1中，混合粉末的粒径为50μm-100μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于纳米颗粒植入与微量元素补偿的高强焊丝的焊接方法，其特征在于：所述S2中，纳米TiC颗粒、纳米TiB₂颗粒的粒径为80nm-100nm。