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CN109483071A - 一种激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法 - Google Patents

一种激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法 Download PDF

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CN109483071A CN201811613769.5A CN201811613769A CN109483071A CN 109483071 A CN109483071 A CN 109483071A CN 201811613769 A CN201811613769 A CN 201811613769A CN 109483071 A CN109483071 A CN 109483071A
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Abstract

一种激光‑搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其特征在于：步骤1：提供待焊工件板材；步骤2：在待焊工件板材背面布置搅拌摩擦加工头；步骤3：在待焊工件板材正面布置激光焊接头；步骤4：激光焊接头聚焦的高能量激光束辐照待焊工件上表面，沿着焊接方向运动；步骤5：启动搅拌摩擦加工头，搅拌摩擦加工头高速旋转进入待焊工件材料，沿着焊接方向运动；步骤6：达到焊接终点，搅拌摩擦加工头移出待焊工件材料，高能量激光束停止。在本发明中，利用了搅拌摩擦焊接获得半固态搅拌池，抑制了大厚度板激光焊接过程中塌陷和根漏等缺陷的形成，极大的提高了焊缝的质量。

Description

一种激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法
技术领域
本发明涉及一种焊接方法，尤其涉及一种激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法。
背景技术
激光焊接是激光加工技术中应用最广泛的先进工艺之一，具有焊接热输入小、焊缝深宽比大、速度快、焊缝变形小残余应力低、焊接精度和强度高、熔深大、易于实现自动化等突出优点，已经在汽车、造船、核电、管道等国民经济重要行业领域中得到应用。
近年来，随着高功率光纤激光器的不断商业化推广，激光焊接中厚板越来越引起业界的重视。然而单纯的激光焊接中厚板平焊接头，易产生塌陷和根漏等缺陷。平焊接头塌陷和根漏的形成根本原因为焊接熔池受力不平衡。研究表明，底部熔池表面张力对中厚板激光焊接塌陷和根漏的控制具有重要作用。
搅拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的新型固相焊接技术，具有节能环保、优质高效等优点，自发明起便受到了广泛的关注，也是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短的连接技术, 被誉为继激光焊后“焊接史上的第二次革命”。FSW的工艺原理非常简单，一个带有轴肩和搅拌针的焊接工具高速旋转并将搅拌针挤入对接板材的接缝处，直至轴肩与工件紧密接触，在摩擦热的作用下，材料发生软化，随着搅拌针的搅动作用使接缝两侧的材料产生塑性流变和混合，通过焊接工具的前移形成密实无缺陷的焊缝。FSW已在航空、航天、船舶、轨道交通、汽车等工业领域广泛应用。
发明内容
本发明的目的是解决目前高功率激光焊接过程中易形成塌陷和根漏等缺陷，焊缝成形性差的问题。
本发明的技术方案是提供一种激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其特征在于。
步骤1：提供待焊工件板材。
步骤2：在待焊工件板材背面布置搅拌摩擦加工头。
步骤3：在待焊工件板材正面布置激光焊接头。
步骤4：激光焊接头聚焦的高能量激光束辐照待焊工件上表面，沿着焊接方向运动。
步骤5：启动搅拌摩擦加工头，搅拌摩擦加工头高速旋转进入待焊工件材料，沿着焊接方向运动。
步骤6：达到焊接终点，搅拌摩擦加工头移出待焊工件材料，高能量激光束停止。
进一步地，在步骤1中，待焊工件为铝合金板材。
进一步地，铝合金板材的厚度均为15 mm ~25 mm。
进一步地，在步骤4中，搅拌摩擦加工头深入待焊工件材料深度h为2 mm~5 mm。
进一步地，搅拌摩擦加工头移动速度0.5 m/min ~ 3 m/min。
进一步地，在步骤5中，高能量激光束功率大于15 kW。
进一步地，激光焊接头移动速度0.5 m/min ~ 3 m/min。
进一步地，激光焊接头与搅拌摩擦加工头保持恒定距离δ为1 mm~3 mm。
本发明的有益效果是：
在本发明中，针对大厚度板材同步从待焊工件板材的上表面和下表面分别施以高功率激光焊接和搅拌摩擦焊接工艺，巧妙地利用了搅拌摩擦焊接获得半固态搅拌池，半固态搅拌池中金属的温度较激光焊接熔化金属的温度小很多，从而半固态搅拌池中金属的表面张力较激光焊接熔化金属的表面张力大很多，因此，高功率激光焊接底部表面张力大大提高，抵消了激光焊接小孔前沿壁金属液层上的反冲压力，有效促进了激光焊接熔池受力平衡，进而抑制了大厚度板激光焊接过程过程中塌陷和根漏等缺陷的形成。
附图说明
图1是本发明所述激光-搅拌摩擦复合焊接方法布置示意图。
图2是图1焊接过程纵截面示意图。
其中：1、待焊工件，2、搅拌摩擦加工头，3、激光焊接头，4、激光束，5、半固态搅拌池，6、搅拌摩擦焊缝，7、激光焊接小孔前沿金属液层，8、反冲压力，9、激光焊接小孔，10、激光焊接熔池，11、激光焊缝。
具体实施方式
以下将结合着附图1和图2对本发明的具体实施方式进行详细说明。
该实施例中，一种激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法包括以下步骤。
步骤1：提供待焊工件1板材，材质为铝合金，厚度为15 mm ~25 mm，焊接之前用有机溶剂去除表面油污，杂质等。
步骤2：在待焊工件1板材背面布置搅拌摩擦加工头2。
步骤3：在待焊工件1板材正面布置激光焊接头3。
步骤4：激光焊接头3聚焦的高能量激光束4辐照待焊工件1上表面，沿着焊接方向运动。
高能量激光束4功率大于15 kW；激光焊接头2移动速度V2为0.5 m/min ~ 3 m/min。
步骤5：启动搅拌摩擦加工头2，搅拌摩擦加工头2高速旋转进入待焊工件1材料，沿着焊接方向运动。
搅拌摩擦加工头深入待焊工件1材料深度h为2 mm~5 mm；搅拌摩擦加工头移动速度V1为0.5 m/min ~ 3 m/min。
搅拌摩擦加工头与激光焊接头保持恒定距离δ为1 mm~3 mm。
步骤6：达到焊接终点，搅拌摩擦加工头2移出待焊工件1材料，高能量激光束4停止。
本实施例，针对大厚度板材同步从待焊工件1板材的上表面和下表面分别施以高功率激光焊接和搅拌摩擦焊接工艺，巧妙地利用了搅拌摩擦焊接获得半固态搅拌池5，半固态搅拌池5中金属的温度较激光焊接熔化金属的温度小很多，从而半固态搅拌池5中金属的表面张力较激光焊接熔化金属的表面张力大很多，因此，高功率激光焊接底部表面张力大大提高，抵消了激光焊接小孔前沿壁金属液层上的反冲压力8，有效促进了激光焊接熔池受力平衡，进而抑制了大厚度板激光焊接过程过程中塌陷和根漏等缺陷的形成。
尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (6)

1.一种激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其特征在于：
步骤1：提供待焊工件板材；
步骤2：在待焊工件板材背面布置搅拌摩擦加工头；
步骤3：在待焊工件板材正面布置激光焊接头；
步骤4：激光焊接头聚焦的高能量激光束辐照待焊工件上表面，沿着焊接方向运动；
步骤5：启动搅拌摩擦加工头，搅拌摩擦加工头高速旋转进入待焊工件材料，沿着焊接方向运动；
步骤6：达到焊接终点，搅拌摩擦加工头移出待焊工件材料，高能量激光束停止。
2.根据权利要求1所述的激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其特征在于：步骤1中，待焊工件为铝合金板材，铝合金板材的厚度均为15 mm ~25 mm。
3.据权利要求1所述的激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其特征在于：步骤4中，搅拌摩擦加工头深入待焊工件材料深度h为2 mm~5 mm。
4.根据权利要求1所述的激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其特征在于：步骤4中，搅拌摩擦加工头移动速度0.5 m/min ~ 3 m/min。
5.根据权利要求1所述的激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其特征在于：步骤5中，高能量激光束功率大于15 kW，激光焊接头移动速度0.5 m/min ~ 3 m/min。
6.根据权利要求1所述的激光-搅拌摩擦复合焊接大厚度板材的方法，其特征在于：步骤5中，激光焊接头与搅拌摩擦加工头保持恒定距离δ为1 mm~3 mm。
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