一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明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)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金是指以鋁為基的合金總稱。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，但強度比較高，接近或超過優(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，使用量僅次于鋼。鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶鋁合金及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。
[0003]鋁合金的焊接一般采用TIG焊與MIG焊工藝，但是在焊接過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，在焊接過程中高溫條件下氫氣體溶于熔池金屬，在凝固和相變時氣體的溶解度下降而來不及逸出，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，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題，如鋁合金對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，焊接過程中光致等離子體易于過程和擴散，使得焊接穩(wěn)定性差;鋁合金激光焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋;焊接過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。
[0004]此外，由于在焊接過程中受熱不均勾，焊接接頭往往會產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力和焊接變形，此類缺陷的存在會直接影響焊接質(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、機械振動、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，且效果不太明顯。
[0005]超聲波是機械能量的一種傳播方式，在凝固過程中施加超聲振動是改善組織的有效方法之一。在焊接過程中引入超聲振動可以對熔池起到攪拌作用，加速氣體逸出，有效抑制焊縫氣孔產(chǎn)生，此外，超聲振動可以減小或消除接頭殘余應(yīng)力，對焊接起到矯正變形作用，同時可以細化焊縫晶粒，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。
[0006]中國專利CN101670495 A公開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，共同形成一個熔池，焊接時激光束在前方，TIG電弧在后方。此專利解決了鋁合金對激光的吸收問題，提高了激光能量的利用率。此專利的不足之處在于，對于鋁合金焊接中存在的最大問題，即焊接接頭存在大量氣孔的問題仍然沒有解決。
[0007]中國專利CN104785926 A公開了一種超聲場耦合激光-MIG共熔池鋁合金焊接技術(shù)，其特征在于通過在激光-MIG復(fù)合焊接熔池中耦合超聲振動的方式，達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。此專利采用MIG電弧與激光復(fù)合的方法對鋁合金進行耦合超聲場焊接，但是MIG電弧的熱輸入量較大，而且焊接過程穩(wěn)定性差，導(dǎo)致焊接變形較大及熔池波動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于TIG電弧焊接與激光焊接相結(jié)合進行焊接方案的基礎(chǔ)上，針對焊縫引入超聲波振動壓力，實現(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。
[0009]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:本發(fā)明設(shè)計了一種鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法，首先，針對鋁合金上待焊接縫隙所在區(qū)域進行預(yù)處理操作，然后針對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，沿縫隙路徑移動進行焊接;并且在采用TIG電弧焊接方式與激光焊接方式形成共熔池，針對鋁合金上的待焊接縫隙進行焊接的同時，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縫隙的移動焊接，垂直針對焊縫表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動壓力。
[0010]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述針對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。
[0011]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述TIG電弧焊接方式采用相互連接的TIG焊機和TIG電弧焊槍，所述激光焊接方式采用相互連接的激光器和激光焊槍，其中，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。
[0012]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述激光器為C02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。
[0013]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述垂直針對焊縫表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動壓力，采用超聲波振動裝置實現(xiàn)，其中，超聲波振動裝置包括超聲波發(fā)生器和超聲波振動工具頭，其中，超聲波振動工具頭包括換能器、變幅桿和振動頭，換能器設(shè)置于變幅桿上，振動頭設(shè)置于變幅桿的其中一端上，超聲波發(fā)生器通過導(dǎo)線與換能器相連接，超聲波振動工具頭位于鋁合金上待焊接縫隙的上方，超聲波發(fā)生器通過超聲波振動工具頭采用振動頭垂直針對焊縫表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動壓力。
[0014]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述超聲波振動裝置還包括壓力傳感器，壓力傳感器設(shè)置于所述振動頭上面向焊縫的面上，用于實時檢測超聲波振動裝置針對垂直針對焊縫表面所施加壓力的大小。
[0015]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術(shù)方案:所述垂直針對焊縫表面施加超聲波振動壓力的壓力范圍為0.IMPa-0.5MPa。
[0016]本發(fā)明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:本發(fā)明設(shè)計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)合進行焊接方案的基礎(chǔ)上，針對焊縫引入超聲波振動壓力，其中，所設(shè)計振動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的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，使焊縫組織晶粒得到顯著細化，使焊縫組織合金元素更加均勻，減小偏析，使焊縫強度和耐腐蝕性能提尚，進一步提尚焊接接頭性能;有效消除或減小焊接殘余應(yīng)力，增強接頭強度和耐腐蝕性能；由此實現(xiàn)了針對鋁合金的高效焊接，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，細化接頭組織，提高接頭焊接質(zhì)量，從而實現(xiàn)招合金尚效、尚質(zhì)量焊接。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明設(shè)計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。
[0018]其中，1.激光器，2.激光焊槍，3.激光束，4.TIG電弧焊槍，5.TIG焊機，6.鋁合金板，7.焊縫，8.振動頭，9.變幅桿，10.換能器，11.超聲波發(fā)生器。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明設(shè)計鋁合金超聲輔助激光電弧復(fù)合焊接方法在實際應(yīng)用過程當中，首先，針對鋁合金板6上待焊接縫隙所在區(qū)域進行預(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。
[0021]然后針對鋁合金板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，沿縫隙路徑移動進行焊接;其中，TIG電弧焊接方式采用相互連接的TIG焊機5和TIG電弧焊槍4，TIG電弧焊接方式采用相互連接的TIG焊機5和TIG電弧焊槍4，TIG電弧焊槍4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2的激光入射方向與待焊接縫隙表面垂直，TIG電弧焊槍4與激光焊槍2共同工作，針對鋁合金板6上的待焊接縫隙，形成共熔池，沿縫隙路徑移動針對鋁合金板6上的待焊接縫隙進行焊接，實際應(yīng)用中，激光器I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；與此同時，沿鋁合金板6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縫隙的移動焊接，采用超聲波振動裝置垂直針對焊縫7表面施加預(yù)設(shè)壓力大小的超聲波振動壓力，其中，超聲波振動裝置包括超聲波發(fā)生器11和超聲波振動工具頭，超聲波振動工具頭包括換能器10、變幅桿9、振動頭8和壓力傳感器，換能器10設(shè)置于變幅桿9上，振動頭8設(shè)置