[发明专利]一种消除镁合金焊接气孔的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种消除镁合金焊接气孔的方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有很高的比强度、比刚度、以及弹性模量低、电磁屏蔽能力强等优点，和轻质美观等优越性能，是21世纪的绿色环保材料。镁合金是实际应用中最轻质的金属工程结构材料。近年来，镁合金在世界范围内的年增长率高达20％，应用前景十分可观。目前，镁合金由于在实现轻量化、降低能源消耗、减少环境污染等方面具有显著作用，在国防军工、汽车、航空航天、电子、机械等工业领域以及家庭用品和运动器材等领域正得到日益广泛应用。

目前针对镁合金焊接应用的焊接方法主要有钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、搅拌摩擦焊(FSW)、摩擦焊(FW)、激光焊(LBW)、电子束焊(EBW)和电阻点焊(RSW)等。其中钨极氩弧焊、激光焊等具有巨大的发展潜力和应用前景。但由于镁合金的自身特性使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难，如压铸镁合金，焊接气孔主要来自于母材在压铸过程中形成的弥散分布的显微气缩孔，材料中存在的大量原始气体在焊接工艺条件下膨胀、长大、合并以及上浮，对焊缝气孔的抑制产生不利的影响。焊缝中存在的气孔会减少承载面积，并发展成为裂纹源，显著降低焊缝力学性能。

目前，采用传统方法进行镁合金薄板焊接存在以下一些问题：

(1)钨极惰性气体保护焊的焊接速度小，效率低，且镁合金TIG焊接过程中容易形成气孔，由于镁合金的传热较快，冷却速度大，气泡溢出和上浮时间短，于是残留在焊缝中形成缺陷；

(2)激光焊焊接速度快，效率高，但由于其匙特性导致在焊接过程中还可能生成工艺类气孔，由于其冷却速度较快，熔池范围小，气泡难以溢出。

目前超声辅助焊接主要集中于在母材上施加超声振动，用以细化晶粒(如专利200410009170.2)；另外一方面的应用则是与电弧进行耦合，使电弧收缩，达到加大熔深的目的(如专利200710144659.4)。但这两种应用对气孔作用较弱，不能明显消除镁合金TIG焊尤其是激光-TIG复合焊的气孔。

发明内容

本发明为了解决上述存在的问题，而提出了一种消除镁合金焊接气孔的方法—超声辅助激光与超声辅助TIG复合焊接方法。

本发明旨在焊接镁合金薄板(≦8mm)，采用超声辅助激光与TIG复合焊接的方法，即在焊接时，同时将激光头、TIG焊枪与超声进行复合，并进行单层焊接得到符合要求的焊缝，其示意图如图1所示。在对接无间隙的两镁合金薄板上进行焊接，激光束及TIG焊枪位于两平板接缝处，为避免镁合金反射激光，将激光进行一定角度倾斜(5°～15°)。通过超声换能器将超声电源输出的电信号转换成机械振动，最后通过超声变幅杆分别传递给激光工作头与TIG焊枪，从而实现对激光和电弧的振动。变幅杆振动模式为纵振，由图1可知激光振动方向垂直焊接方向而电弧振动方向平行于焊接方向。钨极顶端相对激光束焦点位置保持不变，电弧与激光垂直于焊接方向横向振动，激光的振动使匙孔开口扩大，减少匙孔坍塌型气孔的产生，电弧位于后方加热及振动，使得熔池冷却速度减小并对熔池进行搅拌，促进气孔破碎及溢出，通过激光及焊枪的移动或工件的移动皆可完成焊接。

本发明的一种消除镁合金焊接气孔的方法，它是按照以下步骤进行的：

步骤一:将待焊接工件的待焊接部位两侧表面进行打磨或清洗；

步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，将激光头与TIG焊枪采用夹具分别固定，并与超声变幅杆连接；

步骤三:设置工艺参数：离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为3000～5000W，电弧电流为50～100A，激光电弧间距为3～6mm，焊接速度为1～3m/min；

辅助激光超声振动频率为10kHz～1MHz，振动幅度为1μm～20μm；

辅助TIG超声振动频率为10kHz～1MHz，振动幅度为1μm～20μm；保护气采用Ar气，流量为20～40L/min；

步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先TIG电弧起弧，然后电弧稳定1～2S后激光器控制发出激光，然后施加超声振动，最后控制机器人使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。

本发明相比于传统镁合金焊接主要有以下几点优势：