專利名稱：中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-tig電弧復(fù)合焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接工程技術(shù)領(lǐng)域的一種復(fù)合熱源的高效節(jié)能焊接技術(shù)，具 體是一種針對(duì)中厚(4-8mm)航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接工 藝。
背景技術(shù)：
自從上世紀(jì)五十年代起，大型航天焊接結(jié)構(gòu)采用鋁銅(Al-Cu)系高強(qiáng)鋁 合金材料，其中銅作為鋁合金中的固熔沉淀強(qiáng)化元素，其他微量元素以金屬 間化合物形式分散存在，主要起控制和抑制再結(jié)晶時(shí)晶粒長(zhǎng)大的作用。由于 航天高強(qiáng)鋁合金高反射率、大線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率、易產(chǎn)生難熔氧化膜和高 氣孔率等焊接性差的特點(diǎn)，近四十年來(lái)，其結(jié)構(gòu)的拼焊依然廣泛采用填絲TIG 焊接工藝，而對(duì)該工藝固有的"低效、耗能、對(duì)材料損傷大、力學(xué)性能較低" 等缺點(diǎn)一直未能根本解決。
1980年，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的W. M Steen教授在雜志《Journal of Applied Physics》第51巻11期上，發(fā)表文章《Arc augmented laser processing of materials》提出并進(jìn)行試驗(yàn)研究的一種新型焊接技術(shù)——激光+電弧復(fù)合焊接 方法，即通過(guò)激光與電弧這兩種具有完全不同物理性質(zhì)和能量傳輸機(jī)制的熱 源相互作用、相互加強(qiáng)而形成一種作用在同一焊接區(qū)域的高能效熱源。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)綜合了激光和電弧各自的優(yōu)點(diǎn)，具有激光焊接的高速性和 電弧焊接良好的橋聯(lián)性，通過(guò)激光與電弧的相互耦合的作用，焊接過(guò)程更加 穩(wěn)定，并且焊縫成型顯著改善。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及工程技術(shù)人員的研究和 推廣，這種焊接方法、機(jī)理等都得到了一定程度的認(rèn)識(shí)。
但到目前為止，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)都是采用C02、 YAG激光與連續(xù) 的TIG、 MIG/MAG (熔化極氣體保護(hù)焊)、PAW (等離子弧焊)等通過(guò)旁軸 或同軸方式相結(jié)合的方法焊接不同厚度的合金鋼，以及薄板的鋁鎂系合金和 鎂鋁合金等，而對(duì)于中厚度的航天高強(qiáng)鋁合金材料還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)激光-TIG電弧 復(fù)合的焊接方法。并且C02氣體激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為10.6um (微米)，
3雖然光束質(zhì)量好，但是對(duì)于高強(qiáng)鋁合金具有很低的吸收率；而YAG激光器對(duì) 于高強(qiáng)鋁合金的吸收率稍高，但是其光束質(zhì)量很差，因此若要實(shí)現(xiàn)中厚度的 航天高強(qiáng)鋁合金材料焊接，兩種激光器所需能量都非常高，十分耗能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出了一種焊接中厚度航天高強(qiáng)鋁合金的方法，該方 法通過(guò)光纖激光器產(chǎn)生的激光束與直流脈沖TIG電弧的復(fù)合，不僅提高了激 光能量的利用率，而且顯著提高了焊接速度，減少了航天高強(qiáng)鋁合金焊接接 頭的冶金性損傷。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本發(fā)明將非熔化極TIG 電弧與由光纖激光器發(fā)出的激光束沿著焊接方向聚集在工件上同一焊接位 置，共同形成一個(gè)熔池，焊接時(shí)，沿著焊接方向，激光束在前方，非熔化極 TIG電弧在后方，并且激光束和非熔化極TIG電弧都與工件有一定的傾斜角 度。所述TIG電弧的鎢極尖端與工件表面之間的垂直距離，為3 5mm(毫米)， 與激光束到工件表面的作用點(diǎn)之間的水平距離，為3~5mm，與工件水平方向 的傾斜角度，為45°~55°。所述的激光束的熱輸入為80 200J/mm (焦耳每毫 米)，其功率為2800 4000W (瓦)，其與豎直方向的傾斜角度為15°~17°，其 焦點(diǎn)與工件之間的距離形式是正離焦，距離為0~+2mm。
所述TIG電弧采用直流脈沖正接方式，其基值電流為30 40A，峰值電流 為70 120A，脈沖頻率為10(K300Hz。
所述光纖激光器內(nèi)部鏡面保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量為30L/min，所述 TIG電弧，其保護(hù)氣體為氦氣，氣體流量為10 15L/min，工件背面保護(hù)氣體 為氬氣，氣體流量為2~4L/min。
本發(fā)明的基本原理是所述激光束采用光纖激光器，是由于相對(duì)于C02、 YAG激光器類型，在吸收率方面，光纖激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)在1070 1080nm(納 米)范圍內(nèi)，從而有利于高強(qiáng)鋁合金的吸收，并且是co2氣體激光器吸收率 的2倍；在電光轉(zhuǎn)換效率方面，光纖激光器是Nd: YAG的5倍，是C02氣體 激光器的3倍，因此，采用光纖激光器將更加高效和節(jié)能。
所述激光束功率要能達(dá)到深熔焊的條件，其大小主要取決于工件的厚度和焊接速度；其與豎直方向有一定傾斜角度，則不會(huì)由于鋁合金的高反射率 而造成激光器的損壞；并且其焦點(diǎn)與工件之間的距離形式是正離焦，將有助 于焊縫成形美觀，且不易造成焊縫坍陷。
所述TIG電弧的鎢極尖端與工件表面之間的垂直距離，要滿足兩個(gè)熱源 的復(fù)合作用，當(dāng)過(guò)小時(shí)，焊槍過(guò)于接近工件，電弧長(zhǎng)度過(guò)短，容易造成電極 與熔池的接觸，鎢極被燒損和產(chǎn)生夾鎢缺陷；TIG焊槍鎢極尖端與工件表面 之間的垂直距離過(guò)大時(shí)，電弧燃燒不穩(wěn)，不易于激光進(jìn)行耦合。
所述TIG電弧的鎢極尖端與激光束到工件表面的作用點(diǎn)之間的水平距 離，要滿足兩個(gè)熱源的復(fù)合作用，當(dāng)兩者間距過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致激光束對(duì)焊槍外 層陶瓷套嘴的燒毀；當(dāng)TIG焊槍鎢極尖端與激光束作用點(diǎn)之間的水平距離過(guò) 大時(shí)，則由于激光與電弧的距離過(guò)遠(yuǎn)而無(wú)法形成復(fù)合，激光對(duì)電弧起不到引 導(dǎo)和約束的作用，電弧也無(wú)法稀釋和調(diào)制激光。
所述TIG電弧的鎢極尖端與工件水平方向的傾斜角度，有利于電弧對(duì)激 光的調(diào)制和耦合作用。
所述TIG電弧采用直流脈沖正接方式，不僅解決了與連續(xù)電流的復(fù)合時(shí)， 電弧等離子體對(duì)激光能量吸收和散射作用而造成的穩(wěn)定性差問(wèn)題，例如電弧 竄高或者膨脹等現(xiàn)象，而且更有利于電弧對(duì)激光能量的調(diào)制作用，從而顯著 增強(qiáng)航天高強(qiáng)鋁合金板對(duì)激光能量的吸收作用。其電流基值、峰值和脈沖頻 率取決于工件的厚度。厚度越大，速度越快，電流基值、電流峰值都應(yīng)該相 應(yīng)的增加，從而保證激光-電弧能夠更好的進(jìn)行耦合。
在本發(fā)明中，進(jìn)行焊接前，先要對(duì)高強(qiáng)鋁合金材料進(jìn)行機(jī)械或化學(xué)清理， 從而減小氣孔，以及由于表面油污等雜質(zhì)造成的不好的焊接質(zhì)量。然后，引 燃TIG電弧，最后打開(kāi)激光，使得激光照射工件表面形成的光致等離子體與 電弧等離子體進(jìn)行耦合，有效增大高強(qiáng)鋁合金對(duì)激光能量的吸收作用，產(chǎn)生 小孔效應(yīng)，進(jìn)行深熔焊接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)-
本發(fā)明采用了光束質(zhì)量極好、吸收率很高、安裝維護(hù)方面的光纖激光器 產(chǎn)生的激光束與直流脈沖電弧進(jìn)行復(fù)合，不僅提高了激光能量的利用率，而且顯著提高了焊接速度，減少了航天高強(qiáng)鋁合金焊接接頭的冶金性損傷。
相對(duì)于中厚航天高強(qiáng)鋁合金板傳統(tǒng)TIG電弧焊接工藝，本發(fā)明方法在實(shí) 現(xiàn)同樣熔透情況下，能達(dá)到較高綜合力學(xué)性能的焊縫深寬比，并有效地提高 了生產(chǎn)效率。
該方法顯著提高激光能量的吸收率，增強(qiáng)激光的"小孔"效應(yīng)，以較低 的激光功率實(shí)現(xiàn)中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的對(duì)接焊接。
試驗(yàn)證明該方法將焊接速度提高到傳統(tǒng)TIG焊接的10倍(以上)，而
且能將高強(qiáng)鋁合金板對(duì)接焊縫的深寬比控制在l: l之內(nèi)，減小了焊縫熱影響
區(qū)范圍和固溶強(qiáng)化的損傷，達(dá)到了良好的綜合力學(xué)性能，極大地改善了傳統(tǒng) 的焊接工藝導(dǎo)致的"過(guò)時(shí)效"對(duì)焊接接頭性能的不利影響，也明顯減少了由 單一激光的鋁合金焊接接頭氣孔率高的缺點(diǎn)。不僅高效、節(jié)能，即此工藝方
法下的熱輸入(激光熱輸入為80 200J/mm (焦耳/毫米)，TIG電弧熱輸入 54~56J/mm)低于單獨(dú)TIG電弧的熱輸入(2400-3OOOJ/mm)和單獨(dú)激光熱輸入 (130 300J/mm)，而且有利于提高中厚度(4-8mm)航天高強(qiáng)鋁合金板對(duì)接焊 接工藝水平。
圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式
的光纖激光束與TIG直流脈沖電弧復(fù)合焊接工藝 示意圖
圖中1、 TIG電弧的鎢極，2、光纖激光束，3、工件，a、光纖激光束2 與豎直方向的傾斜角度，P、 TIG電弧的鎢極1的尖端與工件3水平方向的 傾斜角度，h、 TIG電弧的鎢極1的尖端與工件3表面之間的垂直距離，d、 TIG電弧的鉤極1的尖端與光纖激光束2到工件3表面的作用點(diǎn)之間的水平 距離。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)例在本發(fā)明技術(shù)方法 的前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方法和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的 保護(hù)范圍不限于下述實(shí)例。
本實(shí)例用于焊接尺寸(試板)為200mmxl50mmx8mm (長(zhǎng)X寬X厚)的航天高強(qiáng)鋁銅系鋁合金，焊接的接頭形式為對(duì)接、不開(kāi)坡口、接頭間隙> 0.2mm (毫米)。
如圖1所示，將非熔化極TIG電弧與由光纖激光器發(fā)出的激光束沿著焊 接方向聚集在工件上同一焊接位置，共同形成一個(gè)熔池，光纖激光束2在前 方，非熔化極TIG電弧在后方。激光焦點(diǎn)與工件之間的距離形式是正離焦， 其離焦量為+2mm。其中，TIG電弧的鎢極1的尖端與工件3水平方向的傾斜 角度P為50。；光纖激光束2與豎直方向的傾斜角度a為15° ; TIG電弧的 鎢極1的尖端與工件3表面之間的垂直距離h為4.5mm; TIG電弧的鉤極1 的尖端與光纖激光束2到工件3表面的作用點(diǎn)之間的水平距離d為5mm。
焊接速度為1.2m/min (米/分鐘)，激光功率為3860W (瓦)，激光的熱輸 入為193J/mm (焦耳/毫米)，TIG電弧采用直流脈沖正接方式，其基值電流為 30A (安培)，峰值電流為120A，頻率為100Hz (赫茲)，占空比為50%。
光纖激光器內(nèi)部鏡面保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量為30L/min (升/分鐘)， TIG電弧，其保護(hù)氣體為氦氣，氣體流量為15L/min，工件背面保護(hù)氣體為氬 氣，氣體流量為3L/min。
在上述參數(shù)下，先對(duì)航天高強(qiáng)鋁合金板焊前進(jìn)行機(jī)械或者化學(xué)清理。然 后引燃直流脈沖TIG電弧，最后打開(kāi)激光，使得激光照射工件表面形成的光 致等離子體與電弧進(jìn)行耦合，發(fā)生交互作用，增大高強(qiáng)鋁合金對(duì)激光能量的 吸收作用，產(chǎn)生小孔效應(yīng)，進(jìn)行深熔焊接。
權(quán)利要求
1、一種中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接工藝，其特征在于將非熔化極TIG電弧與由光纖激光器發(fā)出的激光束沿著焊接方向聚集在中厚度工件上同一焊接位置，共同形成一個(gè)熔池，焊接時(shí)，激光束在前方，非熔化極TIG電弧在后方，激光束的焦點(diǎn)與工件之間的距離形式是正離焦，距離為0～+2mm，激光束與豎直方向的傾斜角度為15°～17°，TIG電弧的鎢極尖端與工件表面之間的垂直距離為3～5mm，所述TIG電弧的鎢極尖端與激光束到工件表面的作用點(diǎn)之間的水平距離為3～5mm，所述TIG電弧的鎢極尖端與工件水平方向的傾斜角度為45°～55°，所述的激光束的熱輸入為80～200J/mm。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接 工藝，其特征在于所述激光束的功率為2800~4000W。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接 工藝，其特征在于所述TIG電弧采用直流脈沖正接方式。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接 工藝，其特征在于:所述TIG電弧的基值電流為30 40A，峰值電流為70~120A， 脈沖頻率為100~300Hz。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接 工藝，其特征在于所述光纖激光器的內(nèi)部鏡面保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量 為30L/min;所述TIG電弧的保護(hù)氣體為氦氣，氣體流量為10~15L/min，工 件背面保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量為2~4L/min。
全文摘要
本發(fā)明是中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接工藝，屬于焊接工程技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明將非熔化極TIG電弧與由光纖激光束沿著焊接方向聚集在工件上同一焊接位置，共同形成一個(gè)熔池，焊接時(shí)激光束在前方，非熔化極TIG電弧在后方，激光束的焦點(diǎn)與工件之間的距離形式是正離焦，激光束與豎直方向的傾角為15°～17°，TIG電弧的鎢極尖端與工件表面之間的垂直距離為3～5mm，TIG電弧的鎢極尖端與激光束到工件表面的作用點(diǎn)之間的水平距離為3～5mm，TIG電弧的鎢極尖端與工件水平方向的傾角為45°～55°。本發(fā)明不僅提高了激光能量的利用率，而且顯著提高了焊接速度，減少了航天高強(qiáng)鋁合金焊接接頭的冶金性損傷。
文檔編號(hào)B23K28/00GK101670495SQ20091009374
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者冉國(guó)偉, 宋永倫, 楊曉紅, 林江波, 肖天驕, 閆志鴻 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)