一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)涉及一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，基于TIG電弧焊接與激光焊接相結(jié)合進(jìn)行焊接方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)焊縫引入超聲波振動(dòng)壓力，其中，所設(shè)計(jì)振動(dòng)頭和焊縫的直接接觸，可以更加充分利用超聲資源，加速焊縫中氣體逸出，去除焊縫中大部分氣體，進(jìn)而減少或避免焊縫氣孔缺陷；并且利用超聲波在液體中傳播時(shí)的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，使焊縫組織晶粒得到顯著細(xì)化，使焊縫組織合金元素更加均勻，減小偏析，使焊縫強(qiáng)度和耐腐蝕性能提高，進(jìn)一步提高焊接接頭性能；有效消除或減小焊接殘余應(yīng)力，增強(qiáng)接頭強(qiáng)度和耐腐蝕性能，由此實(shí)現(xiàn)了針對(duì)鋁合金的高效焊接。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，屬于金屬焊接

技術(shù)介紹
鋁合金是指以鋁為基的合金總稱(chēng)。主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良祥云火炬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量?jī)H次于鋼。鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類(lèi)有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車(chē)、機(jī)械制造、船舶鋁合金及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。鋁合金的焊接一般采用TIG焊與MIG焊工藝，但是在焊接過(guò)程中主要存在焊接熱輸入較大，導(dǎo)致焊接變形較大，焊接速度慢，焊接效率低。此外，在焊接過(guò)程中高溫條件下氫氣體溶于熔池金屬，在凝固和相變時(shí)氣體的溶解度下降而來(lái)不及逸出，導(dǎo)致焊縫中存在大量氣孔。激光焊接具有功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區(qū)小和焊接變形小等特點(diǎn)，使其在鋁合金焊接領(lǐng)域受到格外的重視。但是在鋁合金的激光焊接中仍然存在瓶頸問(wèn)題，如鋁合金對(duì)激光束的高初始反射率及其本身的高導(dǎo)熱性，使鋁合金在未熔化前對(duì)激光的吸收率低，“小孔”的誘導(dǎo)比較困難；鋁的電離能低，焊接過(guò)程中光致等離子體易于過(guò)程和擴(kuò)散，使得焊接穩(wěn)定性差；鋁合金激光焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋；焊接過(guò)程中合金元素的燒損，使鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能下降。此外，由于在焊接過(guò)程中受熱不均勻，焊接接頭往往會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力和焊接變形，此類(lèi)缺陷的存在會(huì)直接影響焊接質(zhì)量。傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力和矯正變形的主要方法有錘擊、機(jī)械振動(dòng)、焊后熱處理等，這些處理方法的主要弊端在于操作繁瑣、耗時(shí)，且效果不太明顯。超聲波是機(jī)械能量的一種傳播方式，在凝固過(guò)程中施加超聲振動(dòng)是改善組織的有效方法之一。在焊接過(guò)程中引入超聲振動(dòng)可以對(duì)熔池起到攪拌作用，加速氣體逸出，有效抑制焊縫氣孔產(chǎn)生，此外，超聲振動(dòng)可以減小或消除接頭殘余應(yīng)力，對(duì)焊接起到矯正變形作用，同時(shí)可以細(xì)化焊縫晶粒，使焊縫組織更加均勻化，減少裂紋，提高焊縫耐腐蝕性能和力學(xué)性能。中國(guó)專(zhuān)利CN101670495A公開(kāi)了一種中厚航天鋁合金的激光-TIG電弧復(fù)合焊接工藝，其主要特征在于將非熔化極TIG電弧與激光束沿著焊接方向聚焦在工件上同一位置，共同形成一個(gè)熔池，焊接時(shí)激光束在前方，TIG電弧在后方。此專(zhuān)利解決了鋁合金對(duì)激光的吸收問(wèn)題，提高了激光能量的利用率。此專(zhuān)利的不足之處在于，對(duì)于鋁合金焊接中存在的最大問(wèn)題，即焊接接頭存在大量氣孔的問(wèn)題仍然沒(méi)有解決。中國(guó)專(zhuān)利CN104785926A公開(kāi)了一種超聲場(chǎng)耦合激光-MIG共熔池鋁合金焊接技術(shù)，其特征在于通過(guò)在激光-MIG復(fù)合焊接熔池中耦合超聲振動(dòng)的方式，達(dá)到減小或消除鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接接頭氣孔，改善焊接接頭組織的目的。此專(zhuān)利采用MIG電弧與激光復(fù)合的方法對(duì)鋁合金進(jìn)行耦合超聲場(chǎng)焊接，但是MIG電弧的熱輸入量較大，而且焊接過(guò)程穩(wěn)定性差，導(dǎo)致焊接變形較大及熔池波動(dòng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于TIG電弧焊接與激光焊接相結(jié)合進(jìn)行焊接方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)焊縫引入超聲波振動(dòng)壓力，實(shí)現(xiàn)鋁合金高效焊接的鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法。本專(zhuān)利技術(shù)為了解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)了一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，首先，針對(duì)鋁合金上待焊接縫隙所在區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理操作，然后針對(duì)鋁合金上的待焊接縫隙，采用TIG電弧焊接方式與激光焊接方式形成共熔池，沿縫隙路徑移動(dòng)進(jìn)行焊接；并且在采用TIG電弧焊接方式與激光焊接方式形成共熔池，針對(duì)鋁合金上的待焊接縫隙進(jìn)行焊接的同時(shí)，沿鋁合金上待焊接縫隙的路徑，緊隨TIG電弧焊接方式與激光焊接方式針對(duì)縫隙的移動(dòng)焊接，垂直針對(duì)焊縫表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動(dòng)壓力。作為本專(zhuān)利技術(shù)的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述針對(duì)鋁合金上待焊接縫隙所在區(qū)域的預(yù)處理操作，包括去除鋁合金待焊接縫隙所在區(qū)域表面的氧化膜，并清除表面的水分和油污。作為本專(zhuān)利技術(shù)的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述TIG電弧焊接方式采用相互連接的TIG焊機(jī)和TIG電弧焊槍?zhuān)黾す夂附臃绞讲捎孟嗷ミB接的激光器和激光焊槍?zhuān)渲?，TIG電弧焊槍中鎢極與待焊接縫隙表面之間的角度呈45°—60°角度，激光焊槍的激光入射方向與待焊接縫隙表面垂直。作為本專(zhuān)利技術(shù)的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述激光器為CO2激光器、固體激光器、光釬激光器或半導(dǎo)體激光器中的任意一種。作為本專(zhuān)利技術(shù)的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述垂直針對(duì)焊縫表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動(dòng)壓力，采用超聲波振動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)，其中，超聲波振動(dòng)裝置包括超聲波發(fā)生器和超聲波振動(dòng)工具頭，其中，超聲波振動(dòng)工具頭包括換能器、變幅桿和振動(dòng)頭，換能器設(shè)置于變幅桿上，振動(dòng)頭設(shè)置于變幅桿的其中一端上，超聲波發(fā)生器通過(guò)導(dǎo)線與換能器相連接，超聲波振動(dòng)工具頭位于鋁合金上待焊接縫隙的上方，超聲波發(fā)生器通過(guò)超聲波振動(dòng)工具頭采用振動(dòng)頭垂直針對(duì)焊縫表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動(dòng)壓力。作為本專(zhuān)利技術(shù)的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述超聲波振動(dòng)裝置還包括壓力傳感器，壓力傳感器設(shè)置于所述振動(dòng)頭上面向焊縫的面上，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)超聲波振動(dòng)裝置針對(duì)垂直針對(duì)焊縫表面所施加壓力的大小。作為本專(zhuān)利技術(shù)的一種優(yōu)選技術(shù)方案：所述垂直針對(duì)焊縫表面施加超聲波振動(dòng)壓力的壓力范圍為0.1MPa-0.5MPa。本專(zhuān)利技術(shù)所述一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，基于TIG電弧焊接與激光焊接相結(jié)合進(jìn)行焊接方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)焊縫引入超聲波振動(dòng)壓力，其中，所設(shè)計(jì)振動(dòng)頭和焊縫的直接接觸，可以更加充分利用超聲資源，加速焊縫中氣體逸出，去除焊縫中大部分氣體，進(jìn)而減少或避免焊縫氣孔缺陷；并且利用超聲波在液體中傳播時(shí)的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，使焊縫組織晶粒得到顯著細(xì)化，使焊縫組織合金元素更加均勻，減小偏析，使焊縫強(qiáng)度和耐腐蝕性能提高，進(jìn)一步提高焊接接頭性能；有效消除或減小焊接殘余應(yīng)力，增強(qiáng)接頭強(qiáng)度和耐腐蝕性能；由此實(shí)現(xiàn)了針對(duì)鋁合金的高效焊接，有效消除或減少焊接接頭氣孔，消除或減小焊接接頭殘余應(yīng)力，細(xì)化接頭組織，提高接頭焊接質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)鋁合金高效、高質(zhì)量焊接。附圖說(shuō)明圖1是本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)的鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法的操作示意圖。其中，1.激光器，2.激光焊槍?zhuān)?.激光束，4.TIG電弧焊槍?zhuān)?.TIG焊機(jī)，6.鋁合金板，7.焊縫，8.振動(dòng)頭，9.變幅桿，10.換能器，11.超聲波發(fā)生器。具體實(shí)施方式下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1所示，本專(zhuān)利技術(shù)設(shè)計(jì)鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，首先，針對(duì)鋁合金板6上待焊接縫隙所在區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理操作，包括去除鋁合金板6待焊接縫隙所在區(qū)域表面的氧化膜，并清除表面的水分和油污，然后用工裝夾具將鋁合金板6固定好。然后針對(duì)鋁合金板6上的待焊接縫隙，采用TIG電弧焊接方式與激光焊接方式形成共熔池，沿縫隙路徑移動(dòng)進(jìn)行焊接；其中，TIG電弧焊接方式采用相互連接的TIG焊機(jī)5和TIG電弧焊槍4，TIG電弧焊接方式采用相本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，首先，針對(duì)鋁合金上待焊接縫隙所在區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理操作，然后針對(duì)鋁合金上的待焊接縫隙，采用TIG電弧焊接方式與激光焊接方式形成共熔池，沿縫隙路徑移動(dòng)進(jìn)行焊接；其特征在于：在采用TIG電弧焊接方式與激光焊接方式形成共熔池，針對(duì)鋁合金上的待焊接縫隙進(jìn)行焊接的同時(shí)，沿鋁合金上待焊接縫隙的路徑，緊隨TIG電弧焊接方式與激光焊接方式針對(duì)縫隙的移動(dòng)焊接，垂直針對(duì)焊縫表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動(dòng)壓力。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，首先，針對(duì)鋁合金上待焊接縫隙所在區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理操作，然后針對(duì)鋁合金上的待焊接縫隙，采用TIG電弧焊接方式與激光焊接方式形成共熔池，沿縫隙路徑移動(dòng)進(jìn)行焊接；其特征在于：在采用TIG電弧焊接方式與激光焊接方式形成共熔池，針對(duì)鋁合金上的待焊接縫隙進(jìn)行焊接的同時(shí)，沿鋁合金上待焊接縫隙的路徑，緊隨TIG電弧焊接方式與激光焊接方式針對(duì)縫隙的移動(dòng)焊接，垂直針對(duì)焊縫表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動(dòng)壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于：所述針對(duì)鋁合金上待焊接縫隙所在區(qū)域的預(yù)處理操作，包括去除鋁合金待焊接縫隙所在區(qū)域表面的氧化膜，并清除表面的水分和油污。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，其特征在于：所述TIG電弧焊接方式采用相互連接的TIG焊機(jī)和TIG電弧焊槍?zhuān)黾す夂附臃绞讲捎孟嗷ミB接的激光器和激光焊槍?zhuān)渲校琓IG電弧焊槍中鎢極與待焊接縫隙表面之間的角度呈
45°—60°角度，激光焊槍的激光入射方向與待焊接縫隙表面垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種鋁合金超聲輔助激...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳俊科，徐春麗，牛志宇，普雄鷹，王林，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11