一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法技术

本发明专利技术属于材料加工工程领域，涉及一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，包括以下步骤：经预处理的铝合金工件刚性固定在装配有电磁式激振器的工作平台上，在电磁激振器作用下，处于适合铝合金工件的共振频率和振动加速度时，保护气体环境中进行激光焊接。本方法通过在铝合金激光焊接过程引入高频振动辅助工艺，通过高频振动产生的机械振动作用，细化晶粒，提高焊接接头的力学性能；减少焊接过程中焊缝周围区域的温度梯度，利于熔池中液态金属流动，减少气孔生成，且易于实现自动控制、效率高、便于操作，具有较为理想的工程应用意义。

A high frequency vibration assisted laser welding method for aluminum alloy

The invention belongs to the field of material processing engineering and relates to a method of high-frequency vibration-assisted laser welding of aluminum alloy. The method comprises the following steps: the pre-treated aluminum alloy workpiece is rigidly fixed on a working platform equipped with an electromagnetic vibration exciter, and under the action of an electromagnetic vibration exciter, it is in a resonant frequency and vibration suitable for the aluminum alloy workpiece. During dynamic acceleration, laser welding is carried out in the protective gas environment. In this method, the high frequency vibration assistant technology is introduced into the laser welding process of aluminum alloy, and the mechanical vibration produced by the high frequency vibration can refine the grain and improve the mechanical properties of the welded joint. It has ideal engineering application significance in realizing automatic control, high efficiency and easy operation.

【技术实现步骤摘要】
一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法
本专利技术属于材料加工工程领域，具体涉及一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法。
技术介绍
铝合金由于其低密度，接近或超过优质钢的高强度，塑性好，优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空航天、汽车、高速列车以及船舶等工业制造中得到大量应用，是工业中应用较为广泛的工业金属结构材料。激光焊是上世纪70年代发展而来的，并在80年代受到欧美国家的广泛关注，它是以高功率密度激光束作为热源进行焊接的一种高能束焊接方法。激光焊较之传统焊接方法具有能量密度高、焊接速度快、焊接热影响区小、深宽比大、焊缝晶粒细小、接头质量高等优点，在工程中被广泛应用。振动焊接是在常规焊接过程中给焊件施加周期性的外力，使焊件随振随焊，达到降低焊接残余应力、改善焊接接头成形、优化接头组织、细化晶粒等目的，进而提高焊接接头性能的一种焊接方法。激光焊接优点鲜明，但在铝合金焊接过程中依然存在一定的焊缝气孔、焊接残余应力、热裂纹和焊接变形等缺陷。又由于激光焊接头组织多为联生柱状树枝晶，熔池两侧枝晶在熔池中心相遇时，其结合性能较低；加之柱状晶本身性能存在各向异性，致使焊缝综合机械性能变差。因此，铝合金的激光焊接技术成为材料加工工程领域的研究热点之一。基于铝合金激光焊接的上述缺陷形成以下专利：1.一种铝合金激光焊接方法(专利公开号CN106181031A)通过在激光焊接头与待焊母材之间设置气旋式真空罩形成局部真空环境，解决铝合金激光自熔焊接过程中合金元素蒸发烧损，焊接接头强度大大降低问题的技术方案。2.一种铝合金激光摆动焊接工艺方法(专利公开号CN107442935A)通过采用摆动激光束沿着平行于焊接方向的轴前进，摆动激光束在所述轴的两侧往复运动，形成一曲折的运动路径的方法，解决激光焊接过程中由氢及合金元素蒸汽形成的冶金气孔以及激光小孔不稳定坍塌而形成的工艺气孔严重超标等问题的技术方案。3.一种减少铝合金焊接气孔的激光-电弧复合焊接方法(专利公开号CN106475684A)通过选用绞股焊丝代替普通的铝合金焊丝，使用激光-电弧复合热源，对铝合金进行焊接，能有效减少接气孔，减小焊缝缺陷的技术方案。4.一种铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法(专利公开号CN106825912A)通过在待焊母材对接面预置与待焊截面尺寸大小相同的金属铌箔或铌层，增加熔池温度、改善熔池流动性、改善激光焊接过程稳定性，有效解决铝合金激光深熔焊接过程中的气孔难题的技术方案。本专利技术基于铝合金激光焊接的上述缺陷，提供一种新的铝合金激光焊接方法，该方法通过在铝合金激光焊接过程引入高频振动辅助工艺，通过高频振动产生的机械振动作用，明显减少气孔，细化晶粒，降低焊缝残余应力，优化成形性，提高焊接件的力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，该方法降低焊接熔池的温度梯度，促进熔池中液态金属流动，进而减少气孔，细化焊缝晶粒，降低焊接残余应力，提高焊接接头的力学性能。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，包括以下步骤：经预处理的铝合金工件刚性固定在装配有电磁式激振器的工作平台上，在电磁激振器作用下，处于适合铝合金工件的共振频率和振动加速度时，保护气体环境中进行激光焊接。具体地，在电磁激振器作用下，确定铝合金工件、工作平台和电磁激振器的共振频率，及适合铝合金工件的共振加速度，并保持共振状态。所述激光焊接的参数为：光纤激光器，激光功率3500W，焊接速度1.2m/min，离焦量为-15mm，光斑直径0.3mm，保护气体流量为20L/min，焊枪角度为90°。在该激光焊接参数作用下进行的激光焊接为激光深熔焊。所述电磁式激振器的机械振动沿与工作平台和/或铝合金工件呈0°～90°夹角方向上传递至工作平台和铝合金工件。作为优选方案，所述电磁式激振器的机械振动沿与工作平台和铝合金焊件均呈90°夹角方向上传递至工作平台和铝合金工件。电磁式激振器的机械振动传递至工作平台和铝合金工件的方向可调性，可在铝合金工件上形成多平面方向、多角度方向的立体振动，以满足不同铝合金工件对外加振动的要求。所述电磁式激振器的激励线圈电流为0～2.85A。所述电磁激振器作用下，产生适合铝合金工件的共振频率和振动加速度的方法为：使用函数信号发生器和功率放大器产生控制信号；电磁式激振器根据控制信号产生机械振动，并将该机械振动传递至工作平台和铝合金工件，确定铝合金工件所需的振动频率范围；使用函数信号发生器在振动频率范围内进行扫频，找到铝合金工件、工作平台与电磁式激振器的共振频率；同时，使用测振仪监控铝合金工件的振动加速度，找到适合铝合金工件的振动加速度，产生电磁激振器作用下的共振状态。作为本专利技术的一个优选实施例，经预处理的铝合金工件刚性固定在装配有电磁激振器的工作平台上；使用函数信号发生器和功率放大器产生控制信号；电磁式激振器根据控制信号产生机械振动，并将该机械振动沿垂直于工作平台和铝合金工件的方向传递至工作平台和铝合金工件，确定铝合金工件所需的振动频率范围；使用函数信号发生器在振动频率范围内进行扫频，找到铝合金工件、电磁激振器与工作平台的共振频率；同时，使用测振仪监控铝合金工件的振动加速度，找到适合铝合金工件的振动加速度；在确定共振频率和振动加速度后，保持铝合金工件、电磁激振器与工作平台的共振状态，保护气体环境中对铝合金工件进行激光焊接；所述激光焊接参数为：光纤激光器，激光功率3500W，焊接速度1.2m/min，离焦量为-15mm，光斑直径0.3mm，保护气体流量为20L/min，焊枪角度为90°。所述电磁激振器的参数为：励线圈电流为0～2.85A。所述振动频率范围为0Hz～1455Hz，优选为100Hz～1455Hz，更优选为500Hz～1200Hz。所述共振频率为505Hz～1173Hz，优选为923Hz～1173Hz，更优选为505Hz、923Hz或者1173Hz，作为本专利技术较佳方案，为1173Hz。所述铝合金工件的预处理方法为：对铝合金工件表面依次进行打磨和清洁处理，打磨去除铝合金工件表面氧化层及污渍后，再用丙酮清洗，自然风干，保证铝合金待焊面的光亮、平整。所述保护气体有氩气、氮气或者氩气和氮气的混合气，优选为氩气。本专利技术高频振动辅助激光焊接铝合金方法能显著减少铝合金焊接接头中的气泡或气孔。现对于现有技术，本专利技术的优点在于：1.本专利技术通过在铝合金激光焊接过程中引入电磁式激振器的高频振动，使用电磁式激振器替代工业上普遍使用的离心式机械激振器，在提高振动频率的同时，减弱振动幅度；在电磁式激振器的高频振动作用下，搅拌熔池，增强熔池中液体金属流动，降低熔池的温度梯度，减少气孔生成，减小气孔体积，还利于熔池中气孔上浮，解决铝合金焊接过程中气孔对焊接质量的影响；还可有效破碎熔池柱状树枝晶，且熔池温度梯度的减弱，进一步阻碍柱状树枝晶等粗大晶粒的生成，从而细化焊缝组织晶粒；还可降低焊接残余应力；最终提高铝合金焊接接头的力学性能。2.本专利技术使用的电磁式激振器的振动频率可高达千赫兹，与离心式机械激振器一般在60Hz～100Hz的最大振动频率相比，可提供振动频带宽、最高振动频率大、振动频率连续可调的高频振动。对于不同铝合金焊接工件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：经预处理的铝合金工件刚性固定在装配有电磁式激振器的工作平台上，在电磁激振器作用下，处于适合铝合金工件的共振频率和振动加速度时，保护气体环境中进行激光焊接。

【技术特征摘要】
1.一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：经预处理的铝合金工件刚性固定在装配有电磁式激振器的工作平台上，在电磁激振器作用下，处于适合铝合金工件的共振频率和振动加速度时，保护气体环境中进行激光焊接。2.根据权利要求1所述的高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，其特征在于，所述激光焊接的参数为：光纤激光器，激光功率3500W，焊接速度1.2m/min，离焦量为-15mm，光斑直径0.3mm，保护气体流量为20L/min，焊枪角度为90°。3.根据权利要求1所述的高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，其特征在于，所述电磁式激振器的机械振动沿与工作平台和/或铝合金焊件呈0°～90°夹角方向上传递至工作平台和铝合金工件。4.根据权利要求1所述的高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，其特征在于，所述电磁式激振器的激励线圈电流为0～2.85A。5.根据权利要求1所述的高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，其特征在于，产生适合铝合金工件的共振频率和振动加速度的共振状态的方法为：使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢庆华，蔡遵武，张培磊，闫华，李崇桂，张成，张巍，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31