CN101007370A - 船用铝合金t形型材的激光填丝焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种船用铝合金T形型材的激光填丝焊接方法，属于激光材料加工技术领域。焊接前，将竖板(5)和横板(4)刚性固定互成90°，激光束(2)与横板(4)表面成30°～45°倾斜入射，焊丝(1)、激光束(2)和喷嘴(3)在同一平面内互成30°～60°布置，入射激光束与工件的作用点位于竖板上，且与横板上表面存在0.3～0.8mm的偏移量，激光束和光致等离子体熔化焊丝在竖板(5)与横板(4)间形成深熔焊缝，通过两次焊接实现船用铝合金T形型材的焊接成型。本方法焊接过程稳定性得到提高，工艺简单，可以制造多种船用铝合金T形型材，得到的铝合金T形型材变形小、尺寸稳定、整体性能优异。

Description

船用铝合金T形型材的激光填丝焊接方法

技术领域

本发明涉及一种针对船用铝合金T形型材的激光填丝焊接方法，属于激光材料加工技术领域。

背景技术

铝合金具有比重和弹性模量小、耐腐蚀、可焊接、易加工、无磁性和低温性能好等特点，用于造船工业，有如下优点。(a)因船重减轻，可减小发动机单机容量，可增加速度；可减少燃料耗费，节约能源；可以改善船的长宽比，增加稳定性，使船易于操纵；还可以增加载重量，获得额外利润。(b)抗腐蚀性能好，能减少涂油等维修费用，使用年限长(一般在20年以上)。(c)加工成形性能好，易于进行切割、冲压、冷弯、成形和切削等各种形式的加工，适合船体的流线化；可挤压出大型宽幅薄壁T型材，减少焊缝数和船体结构合理化和轻量化。(d)焊接性能好，能较容易地进行焊接。(e)弹性模量小，吸收冲击应力的能力大，有较大的安全性。(f)铝废料容易回收，可以循环使用。(g)无低温脆性，最适合做低温设备。(h)由于非磁性，罗盘不受影响；全铝船可以避免水雷攻击，适合做扫雷艇。(i)没有虫害和干燥变形；不燃烧，遇火灾较安全。

铝合金大型舰船的设计和建造需要使用大量型材，目前广泛使用的型材主要是T形挤压型材，主要用作甲板、壳板和舱室的加强板。这种T形型材的制造方法是通过大型挤压设备对预制铝合金板材的挤压，使其发生塑性变形，从而得到所设计形状尺寸的T形构件。所以，这种方法一般只适用于厚度小于4mm的薄壁T形构件的成型，且随着构件厚度的增加对挤压设备的性能要求甚高，甚至无法实现挤压成型。此外，这种方法一般适用于热处理强化铝合金(如6000系铝合金)的成型，对于中等厚度的变形铝合金(如5000系铝合金)，由于随着变形量的增加材料抵抗变形的能力显著提高，使得其塑性成形难度增加。因此，在很多情况下采用这种方法制造的T形型材存在种类少、结构尺寸单一、尺寸精度难于控制、对挤压设备性能要求高、且中等厚度铝合金T形型材难于挤压成型等问题，所以经常会遇到无合适型材供选用的情况，从而使设计者无法最大限度地以性能为主要考虑因素，围绕目标进行船舶结构件的优化设计。此外，制造船舶的骨架T形构件一般要比挤压型材大，工厂通常用板材制造这类构件，在制造这种构件时，通常需要大量的人力，包括固定、定位，还要进行半自动或手工氩弧焊方法焊接。这种情况下，焊接过程主要通过填充金属增加角焊缝的焊脚高度来提高焊缝的连接强度，由于焊缝熔深不足而单道焊缝无法完全填充对缝的全部间隙，只有通过增开坡口和多道焊的方法才能实现，因此这种方法焊接而成的T形型材变形量大，尺寸难于保证，接头性能差，且针对不同结构的适用性差。

激光焊接技术是20世纪60年代发展起来的，与传统的焊接方法相比，激光焊的焊接效率高，焊接变形小，可达性好，不受电磁干扰，不需真空，不产生X射线。特别是随着激光器输出功率、光束质量的不断发展，使得用激光焊接船用铝合金中厚板(4～8mm)已成为可能，为激光技术在造船业中的应用开拓了新的领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于船用铝合金T形型材的激光焊接方法。本方法采用填充焊丝、辅以光致等离子体控制喷嘴、激光束倾斜入射，使用千瓦级激光器，通过改变激光束、焊丝和工作气体的输入方式，适用于不同板厚、不同尺寸要求的船用铝合金T形型材的焊接成型。

本发明的技术方案参见图1、图2，船用铝合金T形型材的激光填丝焊接方法，其特征在于：焊接前，将竖板5和横板4刚性固定并互成90°，激光束2与横板4表面成30°～45°倾斜入射，焊丝1、激光束2和喷嘴3在同一平面内，并且焊丝1及喷嘴3位于激光束2的两侧，焊丝1与激光束2成30°～60°布置，喷嘴3与激光束2成30°～60°布置，入射激光束2与工件的作用点位于竖板5上，且沿着横板4上表面的法线方向与横板4上表面存在0.3～1.0mm的偏移量，激光束和光致等离子体熔化焊丝1在竖板5与横板4间形成深熔焊缝，通过两次焊接实现船用铝合金T形型材的焊接成型。

所述的竖板5两侧的角焊缝相互对称，并存在0.2～0.5倍单侧焊缝截面积的重叠量。

被焊构件接头处无需开坡口。

本发明的基本原理是：

焊接前，将竖板和横板刚性固定互成90°，两个构件待焊处无需开坡口，焊丝、激光束和喷嘴在同一平面内互成30°～60°布置，激光束和光致等离子体熔化焊丝在竖板与横板间形成深熔焊缝。由于竖板和横板互成90°，焊接过程中对工作气体和产生的等离子体具有拘束作用，通过选用合适的送丝和送气参数，利用焊丝熔化吸收等离子体能量，能有效地对等离子体形态进行干预，减少等离子体对焊接过程的负面影响，使焊接过程更稳定。

在本发明中，竖板两侧的角焊缝分别经两次激光焊接完成。激光束与横板表面成30°～45°倾斜入射，激光束与工件的作用点位于竖板上，与横板上表面存在0.3～1.0mm的偏移量，以便使竖板两侧焊缝能够形成足够的重叠量，从而使焊缝贯通竖板和横板之间的全部间隙，可以极大地提高船用铝合金T形型材的整体性能。同时，由于激光束与材料的作用点位于竖板上，可以减小对接缝的精度要求，从而避免由于作用点位置变化引起的焊接过程稳定性下降。

采用本焊接方法，构件的待焊边缘无需开坡口，可以在很大程度上简化制造工艺；角焊缝焊脚尺寸可以通过调节焊接速度和送丝速度的配比来实现，用于满足不同尺寸型材的设计要求；可以在几乎无焊接变形的情况下，在同一块横板上焊接多块竖板，实现大型船用铝合金T形型材的直接制造成型。同时，也可以针对特殊设计要求的复杂T形构件，进行激光填丝焊接成型。本发明综合上述诸多优点，焊接过程稳定性得到提高，得到的铝合金T形型材变形小、尺寸稳定、整体性能优异。

附图说明

图1：船用铝合金T形型材的激光填丝焊接方法示意图

图2：焊缝横截面示意图

图3：采用本发明方法焊接大型船用铝合金T形型材构件示意图

图4：采用本发明方法焊接铝合金T形型材构件外观

图5：采用本发明方法焊接铝合金T形接头截面

图6：采用本发明方法焊接的复杂铝合金T形型材构件

图中：1、填充焊丝，2、激光束，3、喷嘴，4、竖板，5、横板，6、焊缝重叠部分，7、焊缝，8、焊脚尺寸，9、激光束倾斜角度，10、激光束偏移量。

具体实施方式

以下为本发明的实施例与效果。

实验采用CO₂激光器参数为：波长10.6μm，功率3500W。

实验所用铝合金材料为：5083铝合金，厚度为6mm。

如图2、图3所示，焊接前，使用通用的夹具将竖板4和横板5刚性固定并互成90°，激光束2与横板5表面成30°倾斜入射，焊丝1、喷嘴3及激光束2三者在同一平面内，焊丝1及喷嘴3设置在激光束2的两侧，焊丝1与激光束2成45°角，喷嘴3与激光束2互成45°，激光束2作用在竖板4上，激光束2与竖板4的作用点相对横板5上表面偏移量10为0.5mm，该偏移量10是沿着横板5的上表面的法线方向。

图4和图5为利用CO₂激光器焊接5083铝合金，激光器参数为以上条件，待焊构件不开坡口，焊接速度为2m/min，送丝速度为2.5m/min，工作气体为Ar和He混合气体，激光束入射角度9为30°，焊丝1和喷嘴3均与激光束2成45°角，激光束2与工件作用点相对横板上表面偏移量10为0.5mm条件下，得到的船用铝合金T形型材外观和横截面。

图6为在上述条件下得到的复杂铝合金T形型材构件。

可见，采用本发明所得到的焊缝表面平滑，平整度好，焊缝贯通竖板和横板间的间隙，得到的船用铝合金T形型材变形小、尺寸稳定、整体性能优异。

Claims (3)

1.船用铝合金T形型材的激光填丝焊接方法，其特征在于：焊接前，将竖板(5)和横板(4)刚性固定并互成90°，激光束(2)与横板(4)表面成30°～45°倾斜入射，焊丝(1)、激光束(2)和喷嘴(3)在同一平面内，焊丝(1)与激光束成30°～60°布置，喷嘴(3)与激光束(2)成30°～60°，入射激光束(2)与工件的作用点位于竖板(5)上，且沿着横板(4)上表面的法线方向与横板(4)上表面存在0.3～1.0mm的偏移量，激光束(2)和光致等离子体熔化焊丝(1)在竖板(5)与横板(4)间形成深熔焊缝，通过两次焊接实现船用铝合金T形型材的焊接成型。

2.根据权利要求1所述的船用铝合金T形型材的激光填丝焊接方法，其特征在于：竖板(5)两侧的角焊缝相互对称，并存在0.2～0.5倍单侧焊缝截面积的重叠量。

3.根据权利要求1所述的船用铝合金T形型材的激光填丝焊接方法，其特征在于：被焊构件接头处无需开坡口。

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