CN117961300A - 一种铝合金薄板t型接头激光—cmt双侧复合焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝合金焊接技术领域，特别是涉及一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，包括以下步骤：S1、对筋板以及基板进行表面处理，将筋板与基板摆放成倒T字型并固定，在筋板与基板之间放置焊丝；S2、在筋板的两侧对称的设置两组焊接机构，焊接机构包括沿焊接方向依次设置的第二焊枪组件、第一焊枪组件、激光束组件、保护气喷嘴，在基板的底面设置第三焊接组件，第三焊接组件与激光束组件正对设置；S3、焊接。本发明可以提高铝合金焊接过程中熔化工件的激光能量利用率和焊接效率，提高激光、CMT焊接过程的稳定性，避免产生未熔透/未熔合、气孔、焊缝飞溅等焊接缺陷，降低薄板焊接变形，提高焊缝组织性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金焊接技术领域，特别是涉及一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法。
背景技术
铝合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀强、易导热导电、塑性和加工性能良好、成本低等一系列优点。激光焊接具有热输入小、焊接速度快、柔性好等诸多优点，是焊接铝合金薄壁构件较为理想的技术。目前，铝合金薄板激光焊接技术广泛用于汽车、航空航天、轨道交通等制造领域。
铝合金在焊接过程中存在以下问题：热导率大，热膨胀系数高，易产生焊接变形；铝合金的化学活泼性强，表面极易形成氧化膜，由于铝合金的氧化膜熔点很高，在焊接过程中难以熔化，严重影响液态金属在母材上的润湿铺展性，而且疏松氧化膜易吸收空气中水蒸气，焊接过程中易形成氢气孔、氧化膜气孔等缺陷；铝对辐射的反射能力很强，所以激光束等高能束流焊接时能量阈值很高，对设备的要求相对较高。
中国专利《一种铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法》(授权公告号：CN101954543B)，公开日为2011.01.26，公开的采用两个相对独立的激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源从筋板的两侧进行双面焊接，精确波形控制电弧主要通过控制熔滴短路过渡时的电流和电压波形，保证熔滴液桥拉断时的焊接电流维持为很小值，防止短路过渡发生时产生焊接飞溅。此方法，沿焊接方向，激光在前，电弧在后，由于固态铝合金对激光束的反射作用，会降低作用于母材的激光能量利用率。而且焊丝在熔化过渡过程中会对激光焊接的稳定性造成很大影响。相关文献表明激光-CMT复合焊接，由于CMT过渡形式不同于普通的MIG/MAG，为短路过渡，当光丝间距太近，则易于干扰激光作用效果，对匙孔产生冲击，进而产生气孔等缺陷，当光丝间距较大，则无法形成复合效果，影响电弧稳定性及熔滴过渡的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，提高熔化工件的激光能量利用率和焊接效率，提高激光、CMT焊接过程的稳定性，避免产生未熔透/未熔合、气孔、焊缝飞溅等焊接缺陷，降低薄板焊接变形，提高焊缝组织性能，从而解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，包括以下步骤：
S1、对筋板以及基板进行表面处理，将所述筋板与所述基板摆放成倒T字型并固定，在所述筋板与所述基板之间放置焊丝；
S2、在所述筋板的两侧对称的设置两组焊接机构，焊接机构包括沿焊接方向依次设置的第二焊枪组件、第一焊枪组件、激光束组件、保护气喷嘴，在所述基板的底面设置第三焊接组件，所述第三焊接组件与所述激光束组件正对设置；
S3、焊接。
优选的，在步骤S2中，所述激光束组件包括第一激光束和第二激光束，所述第一激光束靠近所述保护气喷嘴，所述第一激光束的功率大于所述第二激光束的功率。
优选的，在步骤S2中，位于所述筋板两侧的两所述第一激光束对称设置，位于所述筋板两侧的两所述第二激光束对称设置，两所述第一激光束的光斑间距为0mm，两所述第二激光束的光斑间距为0mm。
优选的，在步骤S2中，所述第一焊枪组件包括CMT焊枪，位于所述筋板两侧的两所述CMT焊枪对称设置，且两所述CMT焊枪的热源距离为0mm。
优选的，在步骤S2中，所述第二焊枪组件包括第一TIG焊枪，位于所述筋板两侧的两所述第一TIG焊枪对称设置，两所述第一TIG焊枪的焊嘴均位于所述筋板与所述基板的接缝处。
优选的，在步骤S2中，所述第三焊接组件包括第二TIG焊枪，所述第二TIG焊枪位于所述基板的下方，所述第二TIG焊枪的喷嘴位于所述筋板宽度方向的中间位置，所述第二TIG焊枪的喷嘴位于两所述第二激光束的光斑之间。
优选的，所述筋板与所述基板之间留有间隙，所述间隙的宽度为0.001～0.5mm。
优选的，所述第一激光束与所述第二激光束之间的距离为0.6～2mm。
优选的，所述CMT焊枪与所述第二激光束之间的距离为0～1mm。
优选的，所述CMT焊枪与所述第一TIG焊枪热源之间的距离为0～8mm。
本发明具有如下技术效果：
本发明中，通过第二焊枪组件以及激光束组件的预热熔化作用，可实现液态熔滴在毛细吸引的作用下快速进入筋板和基板之间预留的间隙中，提高液态熔滴的润湿铺展性，提高焊接成型效率和焊缝质量，同时第二焊枪组件可以加速焊丝的融化速度，提高焊丝熔化填充效率；激光束组件能起到吸引压缩电弧的复合作用，提高了电弧稳定性及熔滴过渡的稳定性；第二焊枪组件的热量一部分用于对筋板与基板的接缝处进行加热，一部分用于熔化焊丝，提高了焊接效率，降低了焊接变形；焊丝预先填入筋板与基板的接缝处，从很大程度上降低了固态母材对激光能量的反射以及损耗，提高了激光束组件能量的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工作原理示意图；
图2为常规激光—CMT双侧复合焊接的效果图；
图3为本发明的方法焊接完成后的效果图；
其中，1、保护气喷嘴；2、第一激光束；3、第二激光束；4、CMT焊枪；5、CMT电源；6、第一TIG焊枪；7、匙孔；8、熔池；9、筋板；10、基板；11、TIG电源；12、第二TIG焊枪；13、同步摆动装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-3，本发明提供一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，包括以下步骤：
S1、对筋板9以及基板10进行表面处理，将筋板9与基板10摆放成倒T字型并固定，在筋板9与基板10之间放置焊丝；
S2、在筋板9的两侧对称的设置两组焊接机构，焊接机构包括沿焊接方向依次设置的第二焊枪组件、第一焊枪组件、激光束组件、保护气喷嘴1，在基板10的底面设置第三焊接组件，第三焊接组件与激光束组件正对设置；
S3、焊接。
本发明中，通过第二焊枪组件以及激光束组件的预热熔化作用，可实现液态熔滴在毛细吸引的作用下快速进入筋板9和基板10之间预留的间隙中，提高液态熔滴的润湿铺展性，提高焊接成型效率和焊缝质量，同时第二焊枪组件可以加速焊丝的融化速度，提高焊丝熔化填充效率；激光束组件能起到吸引压缩电弧的复合作用，提高了电弧稳定性及熔滴过渡的稳定性；第二焊枪组件的热量一部分用于对筋板9与基板10的接缝处进行加热，一部分用于熔化焊丝，提高了焊接效率，降低了焊接变形；焊丝预先填入筋板9与基板10的接缝处，从很大程度上降低了固态母材对激光能量的反射以及损耗，提高了激光束组件能量的利用率。
在基板的底面设置第三焊枪组件，第三焊枪组件的焊接处与激光束组件的照射点正对设置，这样可形成复合作用，提高焊接效率和焊接过程的稳定性。
进一步优化方案，在步骤S2中，激光束组件包括第一激光束2和第二激光束3，第一激光束2靠近保护气喷嘴1，第一激光束2的功率大于第二激光束3的功率。
进一步优化方案，在步骤S2中，位于筋板9两侧的两第一激光束2对称设置，位于筋板9两侧的两第二激光束3对称设置，两第一激光束2的光斑间距为0mm，两第二激光束3的光斑间距为0mm。
沿焊接方向，第二激光束3在前，第一激光束2在后，第二激光束3形成热导焊熔池，第一激光束2形成匙孔型熔池，如此设置可降低第一激光束2的熔池的焊接飞溅数量，提高焊缝组织力学性能，并且降低对匙孔的冲击，提高熔滴的过渡稳定性及过渡频率。位于筋板9两侧的两第一激光束2对称设置，且两第一激光束2的光斑间距为0mm，从而在筋板9一基板10的接缝处形成贯通的匙孔7，提高匙孔7的稳定性，有利于焊接气泡从贯通的匙孔7逃逸出熔池，降低焊缝气孔率。
进一步优化方案，在步骤S2中，第一焊枪组件包括CMT焊枪4，位于筋板9两侧的两CMT焊枪4对称设置，且两CMT焊枪4的热源距离为0mm。
进一步优化方案，在步骤S2中，第二焊枪组件包括第一TIG焊枪6，位于筋板9两侧的两第一TIG焊枪6对称设置，两第一TIG焊枪6的焊嘴均位于筋板9与基板10的接缝处。
进一步优化方案，在步骤S2中，第三焊接组件包括第二TIG焊枪12，第二TIG焊枪12位于基板10的下方，第二TIG焊枪12的喷嘴位于筋板9宽度方向的中间位置，第二TIG焊枪12的喷嘴位于两第二激光束3的光斑之间。
进一步优化方案，筋板9与基板10之间留有间隙，间隙的宽度为0.001～0.5mm。当间隙宽度为0.001mm-0.5mm时，熔滴在间隙内能够得到更好的润湿铺展效果。
进一步优化方案，第一激光束2与第二激光束3之间的距离为0.6～2mm。
当第一激光束2与第二激光束3之间的距离小于0.6mm时第一激光束2与所述第二激光束3的匙孔叠加在一起形成一个大匙孔，这样CMT焊枪4的焊丝距离此大匙孔较近，会对匙孔造成冲击，降低了焊接过程的稳定性；
当第一激光束2与第二激光束3之间的距离大于2mm时，第一激光束2与所述第二激光束3的距离过大则CMT焊枪4的焊丝熔化后的熔滴不能及时进入第一激光束2形成的熔池中，影响熔滴填充的稳定性，进而造成焊缝成型较差。
进一步优化方案，CMT焊枪4与第二激光束3之间的距离为0～1mm。
当CMT焊枪4与第二激光束3之间的距离小于0mm时，CMT焊枪4的焊丝与第一激光束2的距离较近会冲击第一激光束2形成的匙孔，降低了焊接过程的稳定性；
当CMT焊枪4与第二激光束3之间的距离大于1mm时，CMT焊枪4的焊丝与所述第二激光束3的距离过远，则降低了第二激光束3对CMT焊枪4电弧的吸引压缩作用，降低了电弧及熔滴过渡的稳定性，进而降低了焊接过程的稳定性。
进一步优化方案，CMT焊枪4与第一TIG焊枪6热源之间的距离为0～8mm。
当CMT焊枪4与第一TIG焊枪6热源之间的距离小于0mm，则第一TIG焊枪6会阻挡CMT焊枪4的焊丝熔化后过渡进T型接头间隙中；
当CMT焊枪4与第一TIG焊枪6热源之间的距离大于8mm时，第一TIG焊枪6对T型接头间隙预热后不利于CMT焊枪4的焊丝熔化的熔滴的润湿铺展性。
本发明中，第一激光束2与第二激光束3均由激光器产生，激光器为Nd：YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器之中至少一种；CMT焊枪4电性连接有CMT电源5的正极，CMT电源5的负极电性连接在基板10/筋板9上，两第一TIG焊枪6分别电性连接在TIG电源11的正负极上，保护气喷嘴1喷出的保护气为氩气或氦气；位于两侧的第一TIG焊枪6、CMT焊枪4、第二激光束3、第一激光束2以及保护气喷嘴1均固定安装在焊接专用夹具上(焊接专用夹具为现有技术，图中未画出)上，焊接专用夹具固定在同步摆动装置13上，第一激光束2功率为500～10000W，第二激光束3功率为80～5000W，焊接速度为0.5m～15m/min，基板10与筋板9的板厚小于等于5mm，筋板9和基板10之间预留的间隙宽度为0.001～0.5mm，CMT焊枪4的送丝速度0.1～10m/min，CMT焊枪4电流为10～270A，第一TIG焊枪6焊接电流为8～200A，第二TIG焊枪12的焊接电流为4～100A，第一激光束2与第二激光束3的距离为0.6～2mm，CMT焊枪4的热源与第二激光束3的光丝之间的距离0～1mm，第一TIG焊枪6与CMT焊枪4的热源间距为0～8mm，保护气喷嘴1的保护气(氩气或氦气)流量为1～30L/min，同步摆动装置13的最大摆动速度为1600mm/s。
由图2可知，焊缝成形不对称而且焊缝成形较差(出现咬边缺陷、焊缝气孔缺陷)；而图3焊缝成形对称而且焊缝成形较好。这主要是因为现有的激光-CMT复合焊接为达到激光-CMT复合焊接的效果，光丝间距较近，焊丝熔化后容易造成对匙孔的冲击，而且由于CMT对母材的热输入较低，焊丝熔化后的熔滴在T型接头间隙中的润湿铺展性较差，对焊缝成型质量影响较大；而本发明，依靠小间隙的毛细吸引作用以及位于CMT焊枪4前方的第一TIG焊枪6(由于T型接头预留对接间隙，T型接头两侧的第一TIG焊枪6之间的电弧可穿过间隙，对间隙内侧进行加热)以及CMT焊枪4后方的第二激光束3的预热熔化作用，可快速实现液态熔滴进入筋板9和基板10之间预留的间隙中(在T型接头较小的间隙下，焊丝端部的液态熔滴可在毛细吸引的作用下快速填充进入T型接头间隙中)，提高其润湿铺展性，提高焊接成型效率和焊缝质量，而且T型接头两侧的第一TIG焊枪6也可熔化焊丝，提高焊丝熔化填充效率；焊丝向前送进或者焊丝回抽时，第二激光束3与焊丝的光丝间距较近，能起到吸引压缩电弧的复合作用，提高了电弧稳定性及熔滴过渡的稳定性；焊丝向前送进或者焊丝回抽时，焊丝距离第一激光束2较远，不会对第一激光束2形成的匙孔7造成冲击，提高匙孔7的稳定性，降低了焊缝气孔率，与常规的激光-CMT复合焊接有明显区别。TIG电源11的两极分别连接两第一TIG焊枪6，对筋板9和基板10的热输入影响较小，而且第一TIG焊枪6电弧的稳定性较好(母材的焊接速度对第一TIG焊枪6电弧影响很小)，而且CMT焊枪4的焊丝距离第一TIG焊枪6的电弧较近，第一TIG焊枪6的电弧的热量一部分用于预热母材(由于筋板9和基板10接头预留对接间隙，筋板9和基板10接头两侧的TIG焊枪之间的电弧可穿过间隙，对间隙内侧进行加热)，一部分用来熔化焊丝，提高了焊接效率，降低了焊接变形，可实现薄板T型接头激光—CMT双侧复合高效焊接，与常规的激光-CMT复合焊接有明显区别。由于第一TIG焊枪6的电弧的预热以及CMT焊枪4的焊丝预先填充进入筋板9和基板10的接头间隙中，这样从很大程度上降低了固态母材对激光能量的反射以及损耗，提高了激光能量的利用率。沿焊接方向，筋板9两侧的第二激光束3在前，第一激光束2在后，可降低第一激光束2的熔池的焊接飞溅数量，提高焊缝组织力学性能。激光束两侧的第一激光束2对称布置，两侧激光束的间距为零可形成贯通的匙孔7，提高匙孔7的稳定性，有利于焊接气泡从贯通的匙孔7逃逸出熔池，降低焊缝气孔率。由于筋板9两侧的第二激光束3能量较小，仅形成热导焊熔池，焊接过程稳定性差，而通过在筋板9两侧的第二激光束3的下方布置第二TIG焊枪12，第二TIG焊枪12电性连接在另一TIG电源11的负极，另一TIG电源11的正极电性连接在基板10上，第二TIG焊枪12可以与第二激光束3形成复合作用，不但提高第二激光束3焊接过程的稳定性，而且提高激光能量作用于母材的热效率。使用焊接专用夹具连接筋板9两侧的CMT焊枪4、第一激光束2、第二激光束3，使用同步摆动装置13连接此焊接专用夹具，实现焊接过程的同步摆动，这样可降低焊缝气孔、未熔合等焊接缺陷的产生，提高焊缝组织及力学性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对筋板(9)以及基板(10)进行表面处理，将所述筋板(9)与所述基板(10)摆放成倒T字型并固定，在所述筋板(9)与所述基板(10)之间放置焊丝；
S2、在所述筋板(9)的两侧对称的设置两组焊接机构，焊接机构包括沿焊接方向依次设置的第二焊枪组件、第一焊枪组件、激光束组件、保护气喷嘴(1)，在所述基板(10)的底面设置第三焊接组件，所述第三焊接组件与所述激光束组件正对设置；
S3、焊接。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：在步骤S2中，所述激光束组件包括第一激光束(2)和第二激光束(3)，所述第一激光束(2)靠近所述保护气喷嘴(1)，所述第一激光束(2)的功率大于所述第二激光束(3)的功率。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：在步骤S2中，位于所述筋板(9)两侧的两所述第一激光束(2)对称设置，位于所述筋板(9)两侧的两所述第二激光束(3)对称设置，两所述第一激光束(2)的光斑间距为0mm，两所述第二激光束(3)的光斑间距为0mm。
4.根据权利要求2所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：在步骤S2中，所述第一焊枪组件包括CMT焊枪(4)，位于所述筋板(9)两侧的两所述CMT焊枪(4)对称设置，且两所述CMT焊枪(4)的热源距离为0mm。
5.根据权利要求4所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：在步骤S2中，所述第二焊枪组件包括第一TIG焊枪(6)，位于所述筋板(9)两侧的两所述第一TIG焊枪(6)对称设置，两所述第一TIG焊枪(6)的焊嘴均位于所述筋板(9)与所述基板(10)的接缝处。
6.根据权利要求2所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：在步骤S2中，所述第三焊接组件包括第二TIG焊枪(12)，所述第二TIG焊枪(12)位于所述基板(10)的下方，所述第二TIG焊枪(12)的喷嘴位于所述筋板(9)宽度方向的中间位置，所述第二TIG焊枪(12)的喷嘴位于两所述第二激光束(3)的光斑之间。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：所述筋板(9)与所述基板(10)之间留有间隙，所述间隙的宽度为0.001～0.5mm。
8.根据权利要求2所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：所述第一激光束(2)与所述第二激光束(3)之间的距离为0.6～2mm。
9.根据权利要求4所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：所述CMT焊枪(4)与所述第二激光束(3)之间的距离为0～1mm。
10.根据权利要求5所述的一种铝合金薄板T型接头激光—CMT双侧复合焊接方法，其特征在于：所述CMT焊枪(4)与所述第一TIG焊枪(6)热源之间的距离为0～8mm。
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