[发明专利]一种铝合金超声辅助激光电弧复合焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金超声辅助激光电弧复合焊接方法，属于金属焊接技术领域。

背景技术

铝合金是指以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良祥云火炬的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶铝合金及化学工业中已大量应用。

铝合金的焊接一般采用TIG焊与MIG焊工艺，但是在焊接过程中主要存在焊接热输入较大，导致焊接变形较大，焊接速度慢，焊接效率低。此外，在焊接过程中高温条件下氢气体溶于熔池金属，在凝固和相变时气体的溶解度下降而来不及逸出，导致焊缝中存在大量气孔。激光焊接具有功率密度高、焊接热输入低、焊接热影响区小和焊接变形小等特点，使其在铝合金焊接领域受到格外的重视。但是在铝合金的激光焊接中仍然存在瓶颈问题，如铝合金对激光束的高初始反射率及其本身的高导热性，使铝合金在未熔化前对激光的吸收率低，“小孔”的诱导比较困难；铝的电离能低，焊接过程中光致等离子体易于过程和扩散，使得焊接稳定性差；铝合金激光焊接过程中容易产生气孔和热裂纹；焊接过程中合金元素的烧损，使铝合金焊接接头的力学性能下降。

此外，由于在焊接过程中受热不均匀，焊接接头往往会产生一定的残余应力和焊接变形，此类缺陷的存在会直接影响焊接质量。传统的消除残余应力和矫正变形的主要方法有锤击、机械振动、焊后热处理等，这些处理方法的主要弊端在于操作繁琐、耗时，且效果不太明显。

超声波是机械能量的一种传播方式，在凝固过程中施加超声振动是改善组织的有效方法之一。在焊接过程中引入超声振动可以对熔池起到搅拌作用，加速气体逸出，有效抑制焊缝气孔产生，此外，超声振动可以减小或消除接头残余应力，对焊接起到矫正变形作用，同时可以细化焊缝晶粒，使焊缝组织更加均匀化，减少裂纹，提高焊缝耐腐蚀性能和力学性能。

中国专利CN101670495A公开了一种中厚航天铝合金的激光-TIG电弧复合焊接工艺，其主要特征在于将非熔化极TIG电弧与激光束沿着焊接方向聚焦在工件上同一位置，共同形成一个熔池，焊接时激光束在前方，TIG电弧在后方。此专利解决了铝合金对激光的吸收问题，提高了激光能量的利用率。此专利的不足之处在于，对于铝合金焊接中存在的最大问题，即焊接接头存在大量气孔的问题仍然没有解决。

中国专利CN104785926A公开了一种超声场耦合激光-MIG共熔池铝合金焊接技术，其特征在于通过在激光-MIG复合焊接熔池中耦合超声振动的方式，达到减小或消除铝合金激光-MIG复合焊接接头气孔，改善焊接接头组织的目的。此专利采用MIG电弧与激光复合的方法对铝合金进行耦合超声场焊接，但是MIG电弧的热输入量较大，而且焊接过程稳定性差，导致焊接变形较大及熔池波动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于TIG电弧焊接与激光焊接相结合进行焊接方案的基础上，针对焊缝引入超声波振动压力，实现铝合金高效焊接的铝合金超声辅助激光电弧复合焊接方法。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种铝合金超声辅助激光电弧复合焊接方法，首先，针对铝合金上待焊接缝隙所在区域进行预处理操作，然后针对铝合金上的待焊接缝隙，采用TIG电弧焊接方式与激光焊接方式形成共熔池，沿缝隙路径移动进行焊接；并且在采用TIG电弧焊接方式与激光焊接方式形成共熔池，针对铝合金上的待焊接缝隙进行焊接的同时，沿铝合金上待焊接缝隙的路径，紧随TIG电弧焊接方式与激光焊接方式针对缝隙的移动焊接，垂直针对焊缝表面施加预设压力大小的超声波振动压力。

作为本发明的一种优选技术方案：所述针对铝合金上待焊接缝隙所在区域的预处理操作，包括去除铝合金待焊接缝隙所在区域表面的氧化膜，并清除表面的水分和油污。

作为本发明的一种优选技术方案：所述TIG电弧焊接方式采用相互连接的TIG焊机和TIG电弧焊枪，所述激光焊接方式采用相互连接的激光器和激光焊枪，其中，TIG电弧焊枪中钨极与待焊接缝隙表面之间的角度呈45°—60°角度，激光焊枪的激光入射方向与待焊接缝隙表面垂直。

作为本发明的一种优选技术方案：所述激光器为CO₂激光器、固体激光器、光钎激光器或半导体激光器中的任意一种。