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CN103495809B - 厚板铝合金激光-mig复合热源焊接方法 - Google Patents

厚板铝合金激光-mig复合热源焊接方法 Download PDF

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Abstract

厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，它涉及一种焊接方法。本发明为了解决现有焊接铝合金材料的方法熔透能力差、形成较多气孔的技术问题。方法如下：一、将待焊厚板铝合金工件进行化学清洗；二、将经过步骤一处理的待焊厚板铝合金工件固定在工作台上，待焊厚板铝合金工件焊接装配间隙小于待焊厚板铝合金工件厚度的15%；三、采用激光发生装置发射激光光束，同时采用熔化极气体保护焊接（MIG）电源产生电弧，进行激光-MIG复合热源焊接。本发明方法熔透能力强，焊接过程稳定，焊缝气孔少。本发明属于焊接领域。

Description

厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法。
背景技术
铝合金以其良好的物理、化学和机械性能，在国防和经济建设的许多重要领域被广泛应用。作为一种重要的轻金属结构材料，除航空航天工业之外，高强铝合金也越来越多地应用于高速列车、轻型汽车等，以满足交通运输工具不断增长的结构轻型化要求。近年来，随着节能减排的兴起，汽车轻量化得到越来越多的关注。采用铝合金代替钢板材料焊接，可大幅度减轻结构重量，使得铝及铝合金成为极具竞争力的节能减排材料。
虽然铝合金在汽车工业等行业的应用潜力巨大，但应用比例与钢材相比还存在较大差距，大部分汽车企业也还是在小范围尝试使用，其中一个重要原因就是铝合金的焊接性不如钢材，铝合金的焊接容易出现熔合不良，塌陷，裂纹等缺陷，使接头强度难以保证。目前，常用MIG焊、TIG焊等方法来焊接铝合金材料，虽然这两种方法能够得到良好的焊接接头，但这两种方法却有熔透能力差、焊接变形大、生产效率低等缺点。近年来，一些先进的焊接方法，如摩擦搅拌焊、电子束焊，激光焊等先后被用来焊接铝合金，但效果并不理想。如激光焊接铝合金的快速加热和冷却过程中，铝合金的含氢量会有一个跳跃性的变化，从而形成较多的气孔。另外，铝合金的电离能相对较低，在焊接过程中易于形成光致等离子体，等离子体的过热和扩散会造成焊接稳定性变差，在激光小孔焊接中，不稳定的小孔会坍塌而形成较大的工艺气孔。激光-电弧复合焊接技术克服了单独热源焊接的局限，增强了复合焊接新功能，如由于激光辐射和电弧阳极斑点位于光斑作用区域时的电弧发生收缩，电弧变得稳定。但是，由于铝合金特殊的焊接特性，在铝合金激光-电弧复合焊接过程中，尤其是大厚度铝合金的焊接，复合焊接过程不稳定，焊缝成型差，这些问题的存在严重阻碍了大厚度铝合金在大型构件中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有焊接铝合金材料的方法熔透能力差、形成较多的气孔的技术问题，提供了一种厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法。
厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法如下：
一、将待焊厚板铝合金工件浸泡在丙酮中5～8分钟，然后在40～50℃的条件下放入质量浓度为5～8%的氢氧化钠水溶液中碱洗4～10min，清水冲洗，再放入质量浓度为20～30%的硝酸中浸泡2～4min后清水冲洗，在80℃烘干30分钟；
二、将经过步骤一处理的待焊厚板铝合金工件固定在工作台上，待焊厚板铝合金工件焊接装配间隙小于待焊厚板铝合金工件厚度的15%；
三、采用激光发生装置发射激光光束，同时采用熔化极气体保护焊接（MIG）电源产生电弧，进行激光-MIG复合热源焊接，熔化极气体保护焊为直流反接焊接或者脉冲模式；
其中步骤三中所述激光光束的激光功率为4～6kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.0～2.0m/min，激光束角度为8～15度，激光束倾斜方向与激光扫描方向相同；
步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为120A～180A、焊接电压为24～28V。
步骤三中所述的激光光束为CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束或光纤激光光束。
本发明方法成功的将激光热源与弧焊热源有效耦合，能够发挥两种热源各自的优势，激光深穿透的优点被充分利用，而弧焊热源的加入，有效解决了的激光焊接厚板铝合金存在的气孔严重问题。激光-MIG复合热源焊接方法中，激光在铝合金表面形成的等离子体为电弧提供了稳定的导电通道，能够保证电弧在极高速度运行条件仍然能够稳定。此外，直流反接MIG电弧具有阴极清理铝合金表面氧化膜的作用，使得激光焊接过程更为稳定。本发明方法熔透能力强，焊接过程稳定，焊缝气孔少。
附图说明
图1是本发明厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法示意图，图中1表示激光光束，2表示MIG焊枪，3表示待焊焊缝，4表示待焊厚板铝合金工件；
图2是实验一厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接中高速摄像瞬时照片；
图3是实验一厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接横截面，图中W表示焊缝宽度，M表示电弧熔深，W1表示最小熔宽，R表示背面余高；
图4表示实验一厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接后接头拉伸测试试样照片；
图5表示实验二厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接后接头拉伸测试试样照片。
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：本实施方式厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法如下：
一、将待焊厚板铝合金工件浸泡在丙酮中5～8分钟，然后在40～50℃的条件下放入质量浓度为5～8%的氢氧化钠水溶液中碱洗4～10min，清水冲洗，再放入质量浓度为20～30%的硝酸中浸泡2～4min后清水冲洗，在80℃烘干30分钟；
二、将经过步骤一处理的待焊厚板铝合金工件固定在工作台上，待焊厚板铝合金工件焊接装配间隙小于待焊厚板铝合金工件厚度的15%；
三、采用激光发生装置发射激光光束，同时采用熔化极气体保护焊接电源产生电弧，进行激光-MIG复合热源焊接，熔化极气体保护焊为直流反接；
其中步骤三中所述激光光束的激光功率为4～6kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.0～2.0m/min，激光束倾斜角度为8～15度，激光束倾斜方向与激光扫描方向相同；
步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为120A～180A、焊接电压为24V～28V。
本实施方式步骤三中采用熔化极气体保护焊的电源类型为：普通焊接电源、具有减少短路过渡飞溅功能的电源、颗粒过渡或射流过渡用大电流电源。
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三中所述的激光光束为CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束或光纤激光光束。其它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之一不同的是步骤一中放入质量浓度为25%的硝酸中浸泡3min后清水冲洗。其它与具体实施方式一或二之一相同。
具体实施方式四：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激光光束的激光功率为5kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.5m/min，激光束倾斜角度为10度。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为130A、焊接电压为25V。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法如下：
一、将待焊厚板铝合金工件浸泡在丙酮中5～8分钟，然后在40～50℃的条件下放入质量浓度为5～8%的氢氧化钠水溶液中碱洗4～10min，清水冲洗，再放入质量浓度为20～30%的硝酸中浸泡2～4min后清水冲洗，在80℃烘干30分钟；
二、将经过步骤一处理的待焊厚板铝合金工件固定在工作台上，待焊厚板铝合金工件焊接装配间隙小于待焊厚板铝合金工件厚度的15%；
三、采用激光发生装置发射激光光束，同时采用熔化极气体保护焊接电源产生电弧，进行激光-MIG复合热源焊接，熔化极气体保护焊为脉冲模式；
其中步骤三中所述激光光束的激光功率为4～6kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.0～2.0m/min，激光束倾斜角度为8～15度，激光束倾斜方向与激光扫描方向相同；
步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为60A～140A、焊接电压为24V～28V。
本实施方式步骤三中采用熔化极气体保护焊的电源类型为：普通焊接电源、具有减少短路过渡飞溅功能的电源、颗粒过渡或射流过渡用大电流电源。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤三中所述的激光光束为CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束或光纤激光光束。其它与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是步骤一中放入质量浓度为25%的硝酸中浸泡3min后清水冲洗。其它与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是步骤三中所述激光光束的激光功率为5kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.5m/min，激光束倾斜角度为10度。其它与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为80A、焊接电压为25V。其它与具体实施方式六至九之一相同。
采用下述实验验证本发明效果：
实验一：
厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法如下：
一、将待焊8mm厚铸造铝合金工件浸泡在丙酮中6分钟，然后在42℃的条件下放入质量浓度为6%的氢氧化钠水溶液中碱洗5min，清水冲洗，再放入质量浓度为22%的硝酸中浸泡3min后清水冲洗，在80℃烘干30分钟；
二、将经过步骤一处理的待焊8mm厚铸造铝合金工件固定在工作台上，待焊8mm厚铸造铝合金工件焊接装配间隙为1mm；
三、采用激光发生装置发射激光光束进行焊接，采用激光发生装置发射激光光束进行焊接的同时采用熔化极气体保护焊进行直流反接焊接；
其中步骤三中所述激光光束的激光功率为4kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.2m/min，激光束角度为10度；
步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为130A、焊接电压为25V。
实验二：
厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法如下：
一、将待焊8mm厚铸造铝合金工件浸泡在丙酮中7分钟，然后在48℃的条件下放入质量浓度为7%的氢氧化钠水溶液中碱洗8min，清水冲洗，再放入质量浓度为28%的硝酸中浸泡3min后清水冲洗，在80℃烘干30分钟；
二、将经过步骤一处理的待焊8mm厚铸造铝合金工件固定在工作台上，待焊8mm厚铸造铝合金工件焊接装配间隙为0.5mm；
三、采用激光发生装置发射激光光束进行焊接，采用激光发生装置发射激光光束进行焊接的同时采用熔化极气体保护焊进行脉冲焊接；
其中步骤三中所述激光光束的激光功率为5kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.5m/min，激光束角度为12度；
步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为70A、焊接电压为26V。

Claims (10)

1.厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法如下：
一、将待焊厚板铝合金工件浸泡在丙酮中5～8分钟，然后在40～50℃的条件下放入质量浓度为5～8%的氢氧化钠水溶液中碱洗4～10min，清水冲洗，再放入质量浓度为20～30%的硝酸中浸泡2～4min后清水冲洗，在80℃烘干30分钟；
二、将经过步骤一处理的待焊厚板铝合金工件固定在工作台上，待焊厚板铝合金工件焊接装配间隙小于待焊厚板铝合金工件厚度的15%；
三、采用激光发生装置发射激光光束，同时采用熔化极气体保护焊接电源产生电弧，进行激光-MIG复合热源焊接，熔化极气体保护焊为直流反接；
其中步骤三中所述激光光束的激光功率为4～6kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.0～2.0m/min，激光束倾斜角度为8～15度，激光束倾斜方向与激光扫描方向相同；
步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为120A～180A、焊接电压为24V～28V。
2.根据权利要求1所述厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于步骤三中所述的激光光束为CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束或光纤激光光束。
3.根据权利要求1或2所述厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于步骤一中放入质量浓度为25%的硝酸中浸泡3min后清水冲洗。
4.根据权利要求1或2所述厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于步骤三中所述激光光束的激光功率为5kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.5m/min，激光束倾斜角度为10度。
5.根据权利要求1或2所述厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为130A、焊接电压为25V。
6.厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法如下：
一、将待焊厚板铝合金工件浸泡在丙酮中5～8分钟，然后在40～50℃的条件下放入质量浓度为5～8%的氢氧化钠水溶液中碱洗4～10min，清水冲洗，再放入质量浓度为20～30%的硝酸中浸泡2～4min后清水冲洗，在80℃烘干30分钟；
二、将经过步骤一处理的待焊厚板铝合金工件固定在工作台上，待焊厚板铝合金工件焊接装配间隙小于待焊厚板铝合金工件厚度的15%；
三、采用激光发生装置发射激光光束，同时采用熔化极气体保护焊接电源产生电弧，进行激光-MIG复合热源焊接，熔化极气体保护焊为脉冲模式；
其中步骤三中所述激光光束的激光功率为4～6kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.0～2.0m/min，激光束倾斜角度为8～15度，激光束倾斜方向与激光扫描方向相同；
步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为60A～140A、焊接电压为24V～28V。
7.根据权利要求6所述厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于步骤三中所述的激光光束为CO2气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束或光纤激光光束。
8.根据权利要求6或7所述厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于步骤一中放入质量浓度为25%的硝酸中浸泡3min后清水冲洗。
9.根据权利要求6或7所述厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于步骤三中所述激光光束的激光功率为5kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.5m/min，激光束倾斜角度为10度。
10.根据权利要求6或7所述厚板铝合金激光-MIG复合热源焊接方法，其特征在于步骤三中所述熔化极气体保护焊的焊接电流为80A、焊接电压为25V。
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