CN102059453A - 超声波非接触式辅助激光焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
超声波非接触式辅助激光焊接的方法，它属于材料加工工程领域。本发明要解决现有激光焊接钛合金，铝合金等金属中出现的容易产生气孔、热裂纹、接头软化等技术问题。本发明采用超声波非接触式辅助激光焊接钛合金或铝合金。超声波在熔池内产生的空化作用和破碎理论可以细化焊缝的晶粒，进一步提高焊缝的力学性能；超声波的高频振动可以在熔池内部产生一定的搅拌作用，另外由于超声波自身的空化作用，这些都有利于液态金属中气体的充分溢出，减少或避免了气孔的产生；相比于接触式超声辅助，这种方法由于超声波工具头不用与工件发生接触，使其的使用范围更加广泛，便于实现全方位自动化柔性焊接，提高效率。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程领域，具体涉及超声波非接触式辅助激光焊接的方法。
背景技术
钛合金、铝合金等有色金属目前是工业中应用较为广泛的金属结构材料在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对这种材料的焊接结构件的需求日益增多，也使对其的焊接性研究也随之深入。
激光焊接技术是在上世纪70年代发展起来的，并且80年代在欧洲、美国、日本获得了广泛的关注。它是利用激光所具有的超高的功率密度作为焊接热源，对母材进行熔化实现连接的，具有其热输入小、深宽比大、工件变形小、易于实现自动化等优势，目前已经广泛用于汽车、飞机、国防等行业当中。
激光焊接钛合金，铝合金等金属时，容易产生气孔、热裂纹、接头软化等缺陷，影响了激光焊接这种先进工艺在钛合金、铝合金等金属的应用。因此对这些金属的激光焊接技术正成为研究的热点之一。
发明内容
本发明要解决现有激光焊接钛合金，铝合金等金属中出现的容易产生气孔、热裂纹、接头软化等技术问题；而提供超声波非接触式辅助激光焊接的方法。
本发明中超声波非接触式辅助激光焊接的方法是按下述步骤进行的：
一、对待焊接的金属工件表面进行处理直到待焊面上露出光亮的金属本色为止(去掉氧化膜、油脂)，待焊接的金属工件为钛合金或铝合金；
二、将经步骤一处理的待焊接的金属工件进行接头连接，并刚性固定；
三、然后采用氩气作保护气、CO2激光器作为激光源进行激光焊接，并且焊接过程中将超声波施加在激光焊接所产生的熔池处，所述超声波由悬空放置的功率超声波发生装置产生，超声波发生装置的超声变幅杆最低端不接触待焊接的金属工件，而且超声波发生装置的超声变幅杆倾斜并位于激光束侧面，与激光束夹角a在30°～60°之间，超声波的工作频率为20～40KHz；即完成超声波非接触式辅助激光焊接；其中步骤三所述激光焊接的工艺参数：激光功率P＝1～3kW，扫描速度V＝1m/min，离焦量f＝0mm。
本发明方法使用超声波在熔池内产生的空化作用和破碎作用可以细化焊缝的晶粒，进一步提高焊缝的力学性能；并且超声波的高频振动可以在熔池内部产生一定的搅拌作用，另外由于超声波自身的空化作用，这些都有利于液态金属中气体的充分溢出，减少或避免了气孔的产生；相比于接触式超声辅助，这种方法由于超声波工具头不用与工件发生接触，使其的使用范围更加广泛，便于实现全方位自动化柔性焊接，提高效率。
附图说明
图1是具体实施方式八中深熔焊方式连接的超声波非接触式辅助激光焊接示意图；图2是具体实施方式八中LF6铝焊后的接头形貌图；图3是具体实施方式九中接头为搭接方式连接的超声波非接触式辅助激光焊接示意图；图4是具体实施方式九中Ti6Al4V焊后的接头组织形貌图；图1和图3中1表示激光，2表示超声变幅杆，3表示焊缝，4表示工件，图3中5表示搭接时的工件下板。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式中超声波非接触式辅助激光焊接的方法是按下述步骤进行的：
一、对待焊接的金属工件表面进行处理直到待焊面上露出光亮的金属本色为止，待焊接的金属工件为钛合金或铝合金；
二、将经步骤一处理的待焊接的金属工件进行接头连接，并刚性固定；
三、然后采用氩气作保护气、CO2激光器作为激光源进行激光焊接，并且焊接过程中将超声波施加在激光焊接所产生的熔池处，所述超声波由悬空放置的功率超声波发生装置产生，超声波发生装置的超声变幅杆最低端不接触待焊接的金属工件，而且超声波发生装置的超声变幅杆倾斜并位于激光束侧面，与激光束夹角a在30°～60°之间，超声波的工作频率为20～40KHz；即完成超声波非接触式辅助激光焊接；其中步骤三所述激光焊接的工艺参数：激光功率P＝1～3kW，扫描速度V＝1m/min，透镜焦距f＝0mm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二所述接头连接方式为搭接或深熔焊。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中所述超声波发生装置的超声变幅杆与激光束夹角a在35°～55°。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中所述超声波发生装置的超声变幅杆与激光束夹角a在40°～50°。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中所述超声波发生装置的超声变幅杆与激光束夹角a在45°。其它步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中所述超声波的工作频率为25～35kHz。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中所述超声波的工作频率为30kHz。其它步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式八：本实施方式超声波非接触式辅助激光焊接的方法中所用待焊接的金属工件的材料为LF6防锈铝合金，其厚度为8mm，化学成分(wt％)如下：Mg≤6.8.，Mn≤0.8，Fe≤0.4，Si≤0.4，其余为Al和不可避免的杂质，具体是按下述步骤进行的：
一、对待焊接的金属工件表面进行处理直到待焊面上露出光亮的金属本色为止，待焊接的金属工件为钛合金或铝合金；
二、将经步骤一处理的待焊接的金属工件采用深熔焊的接头方式进行接头连接，并刚性固定(见图1)；
三、然后采用氩气作保护气、CO2激光器作为激光源进行激光焊接，并且焊接过程中将超声波施加在激光焊接所产生的熔池处，所述超声波由悬空放置的功率超声波发生装置产生，超声波发生装置的超声变幅杆最低端不接触待焊接的金属工件，而且超声波发生装置的超声变幅杆倾斜并位于激光束侧面，与激光束夹角a在45°之间，超声波的工作频率为20KHz；即完成超声波非接触式辅助激光焊接；其中步骤三所述激光焊接的工艺参数：激光功率P＝1600W，扫描速度V＝1m/min，离焦量f＝0mm。
焊后按照对接头的性能进行检测。外观检查表明：焊后表面无裂纹、气孔、明显下榻等缺陷，成形良好。接头宏观形貌(图2)分析表明：接头的熔深相比无超声波辅助情况下，增加20％。组织分析表明：焊缝内的强化相析出明显受到抑制。显微硬度测试表明：相比无超声辅助情况下，接头内部的硬度分布均匀。
具体实施方式九：本实施方式超声波非接触式辅助激光焊接的方法中所用待焊接的金属工件的材料为Ti6Al4V，上板厚度为1mm，下块截面尺寸为15×15mm。化学成分(wt％)如下：Al≤6.75，V≤4.5，其余为Ti及不可避免的杂质。具体是按下述步骤进行的：
一、对待焊接的金属工件表面进行处理直到待焊面上露出光亮的金属本色为止，待焊接的金属工件为钛合金或铝合金；
二、将经步骤一处理的待焊接的金属工件采用搭接的接头方式进行接头连接，并刚性固定(见图3)；
三、然后采用氩气作保护气、CO2激光器作为激光源进行激光焊接，并且焊接过程中将超声波施加在激光焊接所产生的熔池处，所述超声波由悬空放置的功率超声波发生装置产生，超声波发生装置的超声变幅杆最低端不接触待焊接的金属工件，而且超声波发生装置的超声变幅杆倾斜并位于激光束侧面，与激光束夹角a在45°之间，超声波的工作频率为20KHz；即完成超声波非接触式辅助激光焊接；其中步骤三所述激光焊接的工艺参数：激光功率P＝1800W，激光频率为35Hz，扫描速度V＝1m/min，离焦量f＝0mm。
焊后按照对接头的性能进行检测。外观检查表明：焊后表面无裂纹、气孔、明显下榻等缺陷(图4)，成形良好。X光检测表明，超声波辅助激光焊接钛合金的气孔明显少于无超声波辅助情况。接头剪切实验表明：超声波辅助情况下，接头的抗剪切强度相比无超声情况下提高27.3％。
Claims (7)
1.超声波非接触式辅助激光焊接的方法，其特征在于超声波非接触式辅助激光焊接的方法是按下述步骤进行的：
一、对待焊接的金属工件表面进行处理直到待焊面上露出光亮的金属本色为止，待焊接的金属工件为钛合金或铝合金；
二、将经步骤一处理的待焊接的金属工件进行接头连接，并刚性固定；
三、然后采用氩气作保护气、C02激光器作为激光源进行激光焊接，并且焊接过程中将超声波施加在激光焊接所产生的熔池处，所述超声波由悬空放置的功率超声波发生装置产生，超声波发生装置的超声变幅杆最低端不接触待焊接的金属工件，而且超声波发生装置的超声变幅杆倾斜并位于激光束侧面，与激光束夹角a在30°～60°之间，超声波的工作频率为20～40KHz；即完成超声波非接触式辅助激光焊接；其中步骤三所述激光焊接的工艺参数：激光功率P＝1～3kW，扫描速度V＝1m/min，离焦量f＝0mm。
2.根据权利要求1所述的超声波非接触式辅助激光焊接的方法，其特征在于步骤二所述接头连接方式为搭接或深熔焊。
3.根据权利要求1或2所述的超声波非接触式辅助激光焊接的方法，其特征在于步骤三中所述超声波发生装置的超声变幅杆与激光束夹角a在35°～55°。
4.根据权利要求1或2所述的超声波非接触式辅助激光焊接的方法，其特征在于步骤三中所述超声波发生装置的超声变幅杆与激光束夹角a在40°～50°。
5.根据权利要求1或2所述的超声波非接触式辅助激光焊接的方法，其特征在于步骤三中所述超声波发生装置的超声变幅杆与激光束夹角a在45°。
6.根据权利要求3所述的超声波非接触式辅助激光焊接的方法，其特征在于步骤三中所述超声波的工作频率为25～35kHz。
7.根据权利要求3所述的超声波非接触式辅助激光焊接的方法，其特征在于步骤三中所述超声波的工作频率为30kHz。
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