CN101954543A - 一种铝合金薄板t型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法，属于轻金属薄板的低变形优质高效焊接技术领域。本发明主要包括：采用两个相对独立的激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源从筋板1的两侧进行双面焊接，精确波形控制电弧主要通过控制熔滴短路过渡时的电流和电压波形，保证熔滴液桥拉断时的焊接电流维持为很小值，防止短路过渡发生时产生焊接飞溅；控制两激光束4、11之间的间距和焊丝填充速度在一定范围内，并合理匹配弧焊焊枪5、10以及激光束4、11与基板2的夹角，获得无飞溅、低变形、低增重的T型接头。本发明的焊接方法适用于铝合金和其它轻金属薄板T型接头的优质焊接。

Description

一种铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法

所属技术领域：

本发明专利提出一种铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法，属于轻金属薄板的低变形优质高效焊接技术领域，特别涉及到激光与精确波形控制短路过渡电弧复合在采用很少填充金属的情况下，实现铝合金薄板T型接头的高效、无飞溅、低变形、低增重焊接。

背景技术：

薄板铝合金T型接头的优质高效低变形焊接一直是焊接领域的技术难题。TIG填丝焊、MIG弧焊等传统弧焊焊接方法很难实现铝合金薄板T型接头的优质高效、低热输入、低变形焊接。首先是因为铝合金的导热系数和线膨胀系数大(导热系数和线膨胀系数分别约为钢的3倍和2倍)，使得铝合金导热快并且焊接变形倾向性大。焊接时必须采用比焊接相同厚度钢材更大的焊接热输入来保证焊缝的熔深和铺展性，如此大的焊接热输入必然会增大了焊接变形，并造成焊接接头的软化，因此采用传统弧焊进行铝合金薄板T型接头的优质、低变形焊接非常困难。尤其是对于厚度≤2mm的铝合金薄板T型接头的低变形焊接更是难上加难。其次，对于传统MIG弧焊而言，为了获得铺展性良好的T型角焊缝，必须采用较大的焊接规范，也就意味着送丝速度较大，焊接过程中熔化的填充金属量较多，对于某些对轻量化要求较高且大量使用的构件(如飞架的壁板)，焊后结构件的增重明显，这是也是传统MIG弧焊的另一个不足之处。再者，传统弧焊的另一个不足就是焊接效率相对较低，并且焊后接头软化严重(焊态接头的抗拉强度通常仅为母材强度的60％～80％)。

精确波形控制的短路过渡弧焊技术是在传统熔化极短路过渡弧焊的基础上通过对短路过渡电流波形进行精确控制，以抑制短路过渡时焊接飞溅的产生，并保证焊接过程稳定性的一类熔化极弧焊新技术。当前，“冷金属过渡”技术(Cold Metal Transfer，简称CMT)、表面张力过渡技术(Surface Tension Transfer，简称STT)、控制液桥过渡技术(Controlled BridgeTransfer，简称CBT)以及冷弧焊技术(Cold Arc，简称CA)均属于先进的精确波形控制短路过渡电弧焊技术。与传统熔化极弧焊相比，该类焊接方法的突出优点主要体现在焊接热输入低、几乎无飞溅、焊接过程稳定性高。由于该类弧焊方法的焊接输入低，与传统弧焊相比，在焊接铝合金薄板时，更易于实现对焊接变形的控制，但是焊接热输入的降低带来了焊缝熔深相对较浅且焊缝铺展不好的问题，致使在利用该类焊接方法焊接铝合金薄板T型接头时很难实现焊接变形、焊缝熔透及焊缝成形的合理平衡，因此精确波形控制的短路过渡弧焊技术也无法实现铝合金薄板T型接头的优质高效、低变形焊接。要实现铝合金薄板T型接头的高效、低变形焊接必须采用一种热源能量更为集中的高速焊接方法。

激光焊接技术是当前应用越来越广泛的高能束焊接技术，具有热源能量集中、焊接速度高、焊接变形小、焊缝深宽比大等优点。但是，激光焊接铝合金也有一些不足，从而使得激光焊接技术在铝合金重要部件的焊接中的应用受到限制。这是因为：一方面，固体铝合金对激光的反射率很高，在激光焊接铝合金时，大部分激光能量被反射，激光能量利用率很低，并且大量被反射的激光可能还会对操作人员和激光设备造成损害；另一方面，激光焊接过程中，高能量密度的激光会造成铝合金中某些元素的大量蒸发和烧损，焊缝表面成形粗糙且会产生大量气孔和凹坑，焊缝成形差，焊缝表面的气孔和凹坑在动载条件下可能会成为潜在的疲劳裂纹源，严重影响接头的动载性能。激光填丝焊是一种在激光焊接工艺的基础上通过同步填充焊丝，并利用激光能量将焊丝熔化于激光焊接熔池而实现焊接的一种焊接工艺。与单独激光焊接铝合金相比，激光填丝焊可以有效改善铝合金的焊缝表面成形，目前在铝合金薄板T型接头的焊接中获得了一定的应用。但是，利用激光填丝焊焊接铝合金薄板T型接头也存在诸如激光能量利用率低、焊接速度明显降低、焊缝易在焊趾位置出现应力集中、焊缝根部易存在大量气孔等不足，这些不足是由激光填丝焊本身固有特点所决定的，因此很难完全克服。

要解决铝合金薄板T型接头的优质、高效、低变形焊接技术问题，必须开发一种焊接速度快、热源能量集中、焊接热输入低、焊缝成形好、单位长度焊缝的填充金属量小、焊接飞溅小、焊接过程稳定性高的焊接新工艺方法，而热源能量集中、焊缝熔深大、焊接速度快、焊接变形小的激光焊与焊接飞溅少、电弧稳定性高、焊接热输入相对较低的精确波形控制短路过渡弧焊复合可为铝合金薄板T型接头的焊接提供一个完美的技术解决方案。

发明内容：

为了解决上述技术背景中提到的铝合金薄板T型接头的优质、高效、低变形焊接技术难题，本发明提出一种铝合金薄板T型接头无飞溅低变形低增重的优质高效焊接方法。

本发明的技术方案如下：

1、一种铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法，其特征在于：

(1)、采用两套激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源从T型接头的筋板1两侧进行双面焊接，两套相对独立的激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源，也可以采用一套复合热源单独进行单侧焊接；

(2)、每一套复合热源中，与激光复合的电弧为精确波形控制的短路过渡电弧，其典型特点是通过对焊接过程短路过渡发生前的电信号的检测及反馈处理，精确控制短路过渡发生时的焊接电流及电压波形，使熔滴液桥拉断并过渡到熔池的瞬间，焊接电流维持为很小值，以减少短路过渡发生时的焊接飞溅产生；

(3)、两个激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源的激光束4、11的距离间隔D₁在5mm～200mm之间；筋板1两侧的激光束4、11的斑点与与之对应的铝合金焊丝6、9的电弧的间隔距离D₂为1mm～4mm；

(4)、每一个激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源中，铝合金焊丝6、9采用1.0m/min～5.0m/min的较小送丝速度，匹配2.0m/min～5.0m/min的焊接速度，焊接速度快时，相应的送丝速度略高一些；

(5)、精确波形控制的弧焊焊枪5、10分别与T型接头基板2之间的夹角α为45°±15°，而激光束4、11分别与T型接头基板2的夹角在15°～45°范围内。

2、根据上述铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法，两套激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源为两个相互独立的复合热源，所采用的激光器可以为两台相互独立的激光器，也可以是由一台激光器通过分光***将激光能量分为50％+50％，分别供两个复合热源使用；使用的激光器可为Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO₂激光器。

3、根据上述铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法，与激光复合的精确波形控制短路过渡电弧可以是CMT电弧、STT电弧、CBT电弧或CA电弧。

本发明与背景技术相比较，其突出优点是：本发明的焊接方法可以在2m/min～5m/min的高速焊接下实现厚度为1mm～4mm铝合金薄板T型接头的低变形焊接，整个焊接过程几乎无飞溅产生，可获得在焊趾位置形成圆滑过渡且焊缝成形极佳的焊缝，获得T型角接头的焊接热影响区无明显软化，并且焊后T型接头的增重很少，每单位长度焊缝增重量仅为常规MIG焊的1/7。本发明的焊接方法适用于铝合金及其他轻金属薄板T型接头的优质焊接。

附图说明

图1为本发明提出的一种铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法采用的装置空间位置的示意图；

图2为本发明的焊接方法采用的装置在焊接方向的主视图；

图3为本发明的焊接方法采用的装置在焊接方向的俯视图。

如图1所示，本发明提出的焊接方法采用的装置包括：T型焊接接头的筋板1，T型焊接接头的基板2；位于筋板1一侧的激光输出镜头3、激光束4、弧焊焊枪5、铝合金焊丝6和复合热源焊接形成的焊缝7；位于筋板另一侧的复合热源形成的焊缝8、铝合金焊丝9、弧焊焊枪10、激光束11和激光输出镜头12。

图2表示弧焊焊枪5、10以及激光束4、11的空间位置，弧焊焊枪5与10分别位于筋板1的两侧并分别与基板2的夹角α为45°±15°，而激光束4与11同样分别位于筋板1的两侧并分别与基板2的夹角θ为15°～45°。

图3表示位于筋板同一侧的铝合金焊丝6形成的电弧与激光束4的斑点并不重合，两者之间在焊接方向上的距离间隔d₂为1mm～4mm，与之完全类似，在筋板1另一侧的铝合金焊丝9形成的电弧与激光束11的斑点在焊接方向上的距离间隔d₂也为1mm～4mm。位于筋板1两侧的激光束4与激光束11的激光斑点在焊接方向上的距离间隔d₁为5mm～200mm，即意味着两个激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源的距离间隔为5mm～200mm。

两个激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源采用上述d₁＝5mm～200mm的距离间隔，一方面为了避免因间隔太近造成两焊缝熔池的贯通而产生焊穿缺陷，另一方面为了充分利用先焊焊缝对筋板的加热效应，提高后道焊缝的焊接热效率及其铺展性。

每一个激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源采用1.0m/min～5.0m/min较小送丝速度，匹配2.0m/min～5.0m/min的焊接速度，焊接速度快时，相应的送丝速度略高一些；其有益效果是：①、可以有效地控制单位长度焊缝的金属填充量，减少焊后接头的增重；②、采用较小的送丝速度可以降低电弧的焊接热输入，减少焊接变形；③、在激光的作用下易于获得在焊趾位置形成圆滑过渡的焊缝，减少焊趾位置的应力集中。

分别控制弧焊焊枪5、10与基板2的夹角α以及激光束4、11与基板2的夹角θ，其有益效果是：当激光束4、11与基板2的夹角较小(小于45°)时，一方面，容易保证筋板1的熔透性；另一方面，防止因激光束4、11与基板2夹角过大而导致焊后基板2背面出现明显的焊接热影响变形痕迹。

具体实施方式：

试验所用的激光器为Trudisk6002碟形激光器，最大额定功率6kW，输出激光波长为1.03μm，通过分光***控制可以分两路同时输出相同功率的激光；电弧电源为奥地利Fonius公司生产的TPS4000CMT数字化精确波形控制短路过渡焊接电源及送丝机；所用试验材料为厚度2mm的5083和6061铝合金薄板，其中，筋板的规格为300mm×60mm，基板的规格为300mm×100mm；所用焊丝为直径φ1.2mm的ER5087铝合金焊丝；焊前对被焊铝合金试板表面进行去除油污及氧化膜处理。试验过程采用精确波形控制电弧与激光复合，其具体焊接规范参数分别如下：

1)5083铝合金：焊接速度3.0m/min，送丝速度3.3m/min，激光功率3000W，焊接电流53A，电弧电压12.3V，激光束与基板的夹角θ为30°，焊枪与基板的夹角α为45°，两激光束的距离间隔为5mm，每个激光束与焊丝的间距为2mm，干伸长16mm，保护气为Ar，气体流量20L/min。

2)6061铝合金：焊接速度3.5m/min，送丝速度4.0m/min，激光功率3000W，焊接电流63A，电弧电压12.5V，激光束与基板的夹角θ为20°，焊枪与基板的夹角α为45°，两激光束的距离间隔为10mm，每个激光束与焊丝的间距为2mm，干伸长16mm，保护气为Ar，气体流量20L/min。

焊后结果分析表明，获得的T型接头焊缝均具有非常好的焊缝成形，焊缝在焊趾位置与母材形成了圆滑过渡，焊缝表面无飞溅和焊接缺陷。通过测量利计算，利用上述两焊接规范参数焊接铝合金薄板T型接头时每单位长度焊缝的增重量分别为8.42g/m利8.62g/m，仅为常规MIG焊的1/7左右。拉伸试验测试表明，T型接头拉伸试样的破坏位置断裂在铝合金母材，接头未发生明显软化现象。

Claims (3)

1.一种铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法，其特征在于：

1)、采用两套相对独立的激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源从T型接头的筋板(1)两侧进行双面焊接，两套相对独立的激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源也可以采用其中一套复合热源单独进行单侧焊接；

2)、每一套复合热源中，与激光复合的电弧为精确波形控制的短路过渡电弧，其典型特点是通过对焊接过程短路过渡发生前的电信号的检测及反馈处理，精确控制短路过渡发生时的焊接电流及电压波形，使熔滴液桥拉断并过渡到熔池的瞬间，焊接电流维持为很小值，以减少短路过渡发生时的焊接飞溅产生；

3)、两个激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源的激光束(4)、(11)的斑点距离间隔D₁在5mm～200mm之间，筋板(1)两侧的激光束(4)、(11)斑点中心与与之对应铝合金焊丝(6)、(9)的电弧的间隔距离D₂为1mm～4mm；

4)、每一个激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源中，铝合金焊丝(6)、(9)采用1.0m/min～5.0m/min的较小送丝速度，匹配2.0m/min～5.0m/min的焊接速度，焊接速度快时，相应的送丝速度略高一些；

5)、精确波形控制的弧焊焊枪(5)、(10)分别与T型接头的基板(2)间的夹角α为45°±15°而激光束(4)、(11)分别与基板(2)的的夹角θ在15°～45°范围内。

2.根据权利要求1所述的铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法，两套激光-精确波形控制短路过渡电弧复合热源为两个相互独立的复合热源，***中所采用的激光器可以为两台相互独立的激光器，也可以是由一台激光器通过分光***将激光能量分为50％+50％，分别供两个复合热源使用。使用的激光器可为Nd:YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器、半导体激光器或CO₂激光器。

3.根据权利要求1所述的铝合金薄板T型接头无飞溅低变形优质高效焊接方法，与激光复合的精确波形控制短路过渡电弧可以是CMT电弧、STT电弧、CBT电弧或CA电弧。

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