本發(fā)明涉及一種激光焊接工藝，尤其涉及一種中厚板鋁合金的磁控激光焊接工藝，屬于鋁合金特種焊接以及磁控焊接技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著超高功率激光器的逐步商業(yè)化，針對(duì)中厚板(6-20mm)鋁合金的激光焊接技術(shù)成為一大研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的變極性弧焊、電子束焊、攪拌摩擦焊及窄間隙焊等方法相比，采用基于光纖傳導(dǎo)的大功率、高能量密度的激光對(duì)中厚板鋁合金進(jìn)行熔化焊連接，具有焊后變形小、焊縫深寬比大、晶粒組織細(xì)化、高效率及高靈活性等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段，該技術(shù)在運(yùn)載火箭、全鋁結(jié)構(gòu)轎車(chē)、高速列車(chē)等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景，但仍存在一系列問(wèn)題有待解決，主要問(wèn)題之一為焊縫的成形質(zhì)量不穩(wěn)定，表現(xiàn)為表面均勻性差與高曲率的焊縫熔合線。這種成形特征將導(dǎo)致嚴(yán)重的殘余應(yīng)力分布不均、熔寬差異明顯、晶粒一致性差以及表面氣孔、裂紋等問(wèn)題，從而降低接頭的力學(xué)性能及使用壽命。

造成中厚板鋁合金激光焊接成形問(wèn)題的本質(zhì)原因主要?dú)w結(jié)為材料屬性及焊接工藝的特殊性：1)焊接過(guò)程熔化態(tài)鋁合金的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)顯著增大，同時(shí)粘性顯著減小，導(dǎo)致劇烈的熔池對(duì)流，特別是熔池表面處的熱毛細(xì)對(duì)流。更多的熱量向激光焊小孔兩側(cè)及后側(cè)傳遞，增大了液相線跨度并加劇熔池波動(dòng)；2)中厚板焊接采用較高的激光功率，使得熔池溫度梯度增大，進(jìn)一步提高了由表面張力主導(dǎo)的熱毛細(xì)對(duì)流的強(qiáng)度。

因此，改善中厚板鋁合金激光焊接接頭成形質(zhì)量的關(guān)鍵，在于改變?nèi)鄢貎?nèi)部的對(duì)流分布、減弱對(duì)流強(qiáng)度。目前，已有的對(duì)策包括調(diào)整焊接熱源、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)等，雖然能夠在一定程度上改善接頭成形，但效果有限，靈活性差且高成本較高。

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者從提出采用外加穩(wěn)恒磁場(chǎng)作用激光焊接過(guò)程，其原理是利用熔池高速對(duì)流對(duì)磁感線的切割作用，產(chǎn)生熔體的原始流動(dòng)方向相反的洛倫茨力，該過(guò)程即所謂的哈特曼效應(yīng)。此外，通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度、作用方向，能夠得到不同的熔池流體運(yùn)動(dòng)特征。磁控激光焊接技術(shù)所體現(xiàn)的非接觸性、高效性、高靈活性等特點(diǎn)，在中厚板鋁合金激光焊接領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。然而，該技術(shù)還主要停留在理論層面，特別是在國(guó)內(nèi)，尚未開(kāi)展相關(guān)的研究試驗(yàn)，缺乏相關(guān)的研究基礎(chǔ)及經(jīng)驗(yàn)。

綜上所述，設(shè)計(jì)出一套科學(xué)、合理的磁控激光焊接參數(shù)，對(duì)于改善中厚板鋁合金焊接成形問(wèn)題，促進(jìn)國(guó)內(nèi)磁控激光焊接領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。特別是目前國(guó)內(nèi)重型運(yùn)載火箭、高速列車(chē)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的工業(yè)背景下，研究先進(jìn)的鋁合金磁控激光焊接技術(shù)，制定成熟的工藝參數(shù)及流程具有一定的迫切性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套鋁合金磁控激光焊接工藝方法，能夠有效改善中厚板鋁合金激光焊接接頭成形穩(wěn)定性，優(yōu)化焊縫截面形貌，且成本可控。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種中厚板鋁合金磁控激光焊接方法，采用熱裂紋傾向低的5系鋁合金作為焊接母材；采用普通鋁合金材料制作成的焊接工作臺(tái)，通過(guò)壓條與銅質(zhì)螺栓對(duì)工件進(jìn)行限位及裝夾；激光焊接設(shè)備為高功率碟片式激光器；采用釹鐵硼(ndfeb)永磁體作為勵(lì)磁源形成橫向穩(wěn)恒磁場(chǎng)，為獲得垂直于焊接方向的磁力線，將永磁體對(duì)稱(chēng)放置于兩側(cè)工件的預(yù)開(kāi)槽內(nèi)，對(duì)立面磁性相反，通過(guò)增減永磁體的對(duì)數(shù)，可以改變焊接活躍區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度；在磁體之間放置空心的水冷銅塊，并在磁體外側(cè)包裹石棉布，水冷銅塊內(nèi)部為若干平行的左右貫通圓孔，通過(guò)兩端連接塑料導(dǎo)管及外部微型水泵，形成冷卻水流。

進(jìn)一步的，所述焊接母材為熱裂紋傾向較低的為5系鋁合金，厚度為6-18mm，焊前不開(kāi)坡口，間距為0。

進(jìn)一步的，所述焊接工作臺(tái)尺寸為200mm×200mm×12mm，支撐高度為150mm。

進(jìn)一步的，激光焊接設(shè)備為trumpftrudisc12001高功率碟片式激光器，最大輸出功率為12kw，波長(zhǎng)1030nm，光纖最小直徑100μm，輸出功率穩(wěn)定性為±1％，調(diào)制頻率為5010hz，屬于連續(xù)激光范圍。

進(jìn)一步的，釹鐵硼(ndfeb)永磁體的尺寸為49mm×19mm×4.8mm；磁極間距為15mm；磁感應(yīng)強(qiáng)度為210-240mt。

進(jìn)一步的，通過(guò)增減永磁體的對(duì)數(shù)改變焊接活躍區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為240mt，在工件厚度方向上下波動(dòng)值小于5％。

進(jìn)一步的，水冷銅塊尺寸為49mm×20mm×4mm；內(nèi)部圓孔的孔徑為2.5mm。

有益效果：

本發(fā)明通過(guò)設(shè)置一個(gè)特定的穩(wěn)恒磁場(chǎng)，改善了中厚板鋁合金高功率激光焊接過(guò)程中焊縫表面均勻性差、截面出現(xiàn)高曲率熔合線的問(wèn)題。對(duì)于厚度為7mm的5a06鋁合金，在保證焊透的焊接參數(shù)下，采用磁感應(yīng)強(qiáng)度為210-240mt的橫向穩(wěn)恒磁場(chǎng)，能夠有效提高焊件表面成形穩(wěn)定性，并顯著減小焊縫上半部分的熔寬，焊縫厚度方向的熔寬差異降低，有利于焊接殘余應(yīng)力的減小及均勻化。本發(fā)明工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金激光焊接熔池運(yùn)動(dòng)行為的控制，為改善中厚板鋁合金激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性、提高接頭成形質(zhì)量，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及可靠性提供工藝保障與技術(shù)啟發(fā)。

附圖說(shuō)明

圖1：鋁合金磁控激光焊接示意。

圖2：用于永磁體散熱的水冷銅塊。

圖3：磁力線分布。

圖4：實(shí)施例1-3焊縫表面宏觀形貌。

圖5：實(shí)施例1-3焊縫截面宏觀形貌。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明工藝所涉及的技術(shù)方案重點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分：

a)焊接材料的選用及尺寸設(shè)計(jì)：所述焊接母材為熱裂紋傾向較低的5系鋁合金，厚度為6-18mm，焊前不開(kāi)坡口，間距為0。

b)外加磁場(chǎng)設(shè)計(jì)：所述磁控焊接工藝涉及一個(gè)橫向的穩(wěn)恒磁場(chǎng)。采用釹鐵硼(ndfeb)永磁體作為勵(lì)磁源，尺寸為49mm×19mm×4.8mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度為210-240mt。如圖1所示，為獲得垂直于焊接方向的磁力線，將永磁體對(duì)稱(chēng)放置于兩側(cè)工件的預(yù)開(kāi)槽內(nèi)，對(duì)立面磁性相反，距離為15mm。通過(guò)增減永磁體的對(duì)數(shù)，可以改變焊接活躍區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為240mt，在工件厚度方向上下波動(dòng)值小于5％，可認(rèn)為是勻強(qiáng)場(chǎng)。

c)磁體隔熱及散熱設(shè)計(jì)：所述釹鐵硼永磁體在高于居里點(diǎn)的溫度下磁性會(huì)明顯減弱。故需要對(duì)高溫焊接環(huán)境中的磁體進(jìn)行隔熱及散熱設(shè)計(jì)，方法為在磁體之間放置空心的水冷薄銅塊，在磁體外側(cè)包裹石棉布。所述水冷銅塊如圖2所示，尺寸為49mm×20mm×4mm，內(nèi)部為若干平行的左右貫通圓孔，孔徑2.5mm，通過(guò)兩端連接塑料導(dǎo)管及外部微型水泵，形成冷卻水流。

d)焊接工裝平臺(tái)設(shè)計(jì)：所述磁控激光焊接過(guò)程需盡可能降低永磁體的空間磁損，因此不能采用常規(guī)的鑄鐵或不銹鋼工裝平臺(tái)。本發(fā)明專(zhuān)利設(shè)計(jì)了一種磁損耗很小的焊接工作臺(tái)，材質(zhì)為普通鋁合金，尺寸為200mm×200mm×12mm，支撐高度為150mm，通過(guò)壓條與銅質(zhì)螺栓對(duì)工件進(jìn)行限位及裝夾。

e)焊接設(shè)備的選用：所述激光焊接設(shè)備為trumpftrudisc12001高功率碟片式激光器，最大輸出功率為12kw，波長(zhǎng)1030nm，光纖最小直徑100μm，輸出功率穩(wěn)定性為±1％，調(diào)制頻率為5010hz，屬于連續(xù)激光范圍。

實(shí)施例1

焊接母材選用一種工業(yè)用途較廣的鋁鎂系合金——5a06鋁合金，主要合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為mg5.8-6.8％、mn0.5-0.8％、si0.4％、fe0.4％、zn0.2％、cu0.1％、ti0.02-0.1％。尺寸為100mm×40mm×7mm；不開(kāi)坡口，試樣間距為0；采用trumpftrudisc12001激光器搭配kuka機(jī)器人進(jìn)行中厚鋁合金激光對(duì)接焊接試驗(yàn)，激光功率為6kw，焊接速度0.2m/s，焊接過(guò)程不填絲，保護(hù)氣氛為純氬氣，流量為14l/min；采用6kw激光功率、0.2m/s焊接速度進(jìn)行不填絲激光對(duì)接焊；保護(hù)氣氛為純氬，流量為14l/min；作為對(duì)照組實(shí)施例，未設(shè)置永磁體，焊接活躍區(qū)的磁感應(yīng)強(qiáng)度接近0。

實(shí)施例2

焊接母材選用所述的5a06鋁合金，尺寸為100mm×40mm×7mm；不開(kāi)坡口，試樣間距為0；采用6kw激光功率、0.2m/s焊接速度進(jìn)行不填絲激光對(duì)接焊；保護(hù)氣氛為純氬，流量為14l/min；在垂直焊接方向，采用3對(duì)永磁體產(chǎn)生210mt左右的橫向穩(wěn)恒磁場(chǎng)。

實(shí)施例3

焊接母材選用所述的5a06鋁合金，尺寸為100mm×40mm×7mm；不開(kāi)坡口，試樣間距為0；采用6kw激光功率、0.2m/s焊接速度進(jìn)行不填絲激光對(duì)接焊；保護(hù)氣氛為純氬，流量為14l/min；在垂直焊接方向，采用4對(duì)永磁體產(chǎn)生240mt左右的橫向穩(wěn)恒磁場(chǎng)。

實(shí)施例1-3的鋁合金激光焊接焊縫表面成形情況及截面形貌如圖4、圖5所示?？梢钥吹剑瑹o(wú)外加磁場(chǎng)作用下，焊縫表面成形均勻性差、出現(xiàn)明顯的飛濺、咬邊及駝峰狀形貌。在劇烈的熔池?zé)崦?xì)對(duì)流主導(dǎo)下，焊縫表面熔寬明顯高于其他位置熔寬，熔合線曲率明顯，截面形貌接近高腳杯狀。而在外加210-240mt的磁場(chǎng)作用下，熔池內(nèi)部產(chǎn)生哈特曼效應(yīng)，熱毛細(xì)對(duì)流受到抑制，使得焊縫表面成形穩(wěn)定性顯著提高，出現(xiàn)了規(guī)則的魚(yú)鱗狀紋路。焊縫表面熔寬分別減小了24.7％及30.4％，部分位置甚至出現(xiàn)緊縮，焊縫在厚度方向的熔寬差異性明顯減小。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，任何熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。