一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法技术

本发明专利技术提供了一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，它包括如下步骤：(一)对等厚度的待焊接铝板和钢板分别开Y型坡口和V型坡口，对Y型坡口、V型坡口及铝板和钢板的上下表面进行深度清理；(二)将待焊接铝板和钢板置于焊接夹具上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；(三)调整主光束和辅助光束的位置，设置光束功率；(四)设定工艺参数，且焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变。该焊接方法采用激光填丝可以提高铝合金的吸收率，稳定焊接过程，阻止了裂纹形成的条件，改进了焊缝的力学性能，且该焊接方法可以有效调节焊接接头温度场分布，有利于控制界面反应，同时解决了侧壁未熔合的缺陷，提高了焊接接头的强度。

A laser wire filling welding method for medium and heavy plate aluminum / steel dissimilar metal

【技术实现步骤摘要】
一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法
本专利技术涉及的是一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，属于异种金属激光加工

技术介绍
近年来，在国内外工业生产中，采用铝/钢双金属焊接结构的产品越来越多，尤其在航空、汽车、电工、化工、国防等工业部门被广泛采用。然而中厚板具有较高的强度，能承受高负载重量、撞击和压力，其主要应用于船体的外壳和内部防水壁、制造大口径的输油和输气的管道及水利发电站闸门等领域中。此外，铝及铝合金的密度小、比强度高，且具有良好的导电性、导热性和耐蚀性，为了充分发挥材料的固有性能和节省材料，将铝/钢焊接成为一种金属结构，具有独特的优势和良好的经济效益。因此，中厚板铝/钢异种金属的连接具有十分重要的意义。铝和钢异种金属熔焊时主要采用氩弧焊、电子束焊以及气焊等焊接方法；铝和钢异种金属压焊时主要采用摩擦焊、超声波焊、扩散焊和冷压焊等方法进行焊接。以上这些焊接方法均有一个共同的缺点，即焊件的形状和尺寸受到一定的限制。激光焊接作为一种激光加工技术得到了日益广泛的应用和不断的开发与研究。随着工业激光器的出现，在某些领域中，激光焊接已经成为了一些传统的焊接方法的替代技术。目前对于中厚板铝/钢异种金属对接接头焊接方法的研究相对较少。在申请公布号为CN110899974A、申请公布日为2020.03.24的专利技术专利申请中公开了一种中厚板装甲钢激光摆动焊接方法，该焊接方法解决了实际生产中面临的大间隙和错边导致的成形不良问题，但该方法主要针对钢的对接焊，并不适用于中厚板铝/钢异种金属焊接。在授权公告号为CN110560902B、授权公告日为2021.02.12的专利技术专利中公开了中厚板T型接头角焊缝的摆动激光填丝焊接方法，该方法主要针对中厚板T型接头角焊缝，对中厚板铝/钢异种金属对接接头并不适用。在申请公布号为CN110091067A、申请公布日为2019.08.06的专利技术专利申请中公开了一种用于焊接中厚板的激光和K-TIG复合焊接方法，该焊接方法的中厚板材料为不锈钢、Invar钢、碳钢的任意一种，也不适用于中厚板铝/钢异种金属的焊接。激光填丝焊接作为推进激光焊接产业化的一种方案，可以焊接间隙较大的对接板和大厚板，还可以调节异种金属的焊缝化学成分，对焊后裂纹的抑制有明显的效果。此外，由于铝合金对激光的反射率较大，接头软化，焊接过程易于产生热裂纹等，这些问题限制了采用激光焊接方法对铝/钢异种金属进行连接。因此，现有技术的焊接方法难以满足中厚板铝/钢异种金属的焊接需求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术的焊接方法难以满足中厚板铝/钢异种金属的焊接需求，而提供一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，该焊接方法采用激光填丝可以提高铝合金的吸收率，稳定焊接过程，阻止了裂纹形成的条件，改进了焊缝的力学性能，且该焊接方法可以有效调节焊接接头温度场分布，有利于控制界面反应，同时解决了侧壁未熔合的缺陷，提高了焊接接头的强度。本方案是通过如下技术措施来实现的：一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，它包括如下步骤：(一)对等厚度的待焊接铝板和钢板分别开Y型坡口和V型坡口，对Y型坡口、V型坡口及铝板和钢板的上下表面进行深度清理；(二)将待焊接铝板和钢板置于焊接夹具上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；(三)调整主光束和辅助光束的位置，设置光束功率：将两个不同能量和光斑形状的光纤激光器和半导体激光器作为焊接热源，所述光纤激光器的功率为2～6kW，所述半导体激光器的功率为2～4kW；其中，将光纤激光器发出的激光聚焦为圆形光斑作为主光束辐照于铝板侧的Y型坡口位置，并熔化填丝金属使之填充坡口，所述圆形光斑的直径为0.3～2.0mm；将半导体激光器发出的激光整形为矩形光斑作为辅助光束辐照于钢板侧的V型坡口斜面，对钢板坡口斜面进行预热，促进铺展在钢板边缘的熔融态金属液体的流动性，使填丝金属顺利地向铝板和钢板之间的间隙里润湿铺展，所述矩形光斑的宽度为2～4mm、长度为3～6mm；所述主光束和辅助光束的离焦量为-4～+4mm；所述主光束和辅助光束沿焊接方向交叉式排列，所述辅助光束在前、主光束在后，所述主光束和辅助光束的入射方向均与铝板和钢板的上表面垂直；(四)设定工艺参数，且焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变：采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，所述保护气体的气体流量为15～20L/min；焊接速度为1.5～6.0m/min；送丝角度α3为30°～60°，所述主光束和辅助光束均沿着焊接方向以相同的速度移动，送丝速度与焊接速度的比值K的取值范围为8～12；由于待焊接的钢板和铝板的厚度可变，主光束的功率设定需满足数学模型公式：P＝(d1×v)/K1式中：P—设定主光束功率，单位Kw；d1—钢板和铝板的厚度，单位mm；v—焊接速度，单位mm/min；K1—比例系数，取值范围为2～10,保证铝板和填丝金属发生熔化；根据上述公式计算出设定主光束功率P，再进行激光焊接。优选的，所述钢板和铝板的厚度d1为3～10mm，所述铝板侧Y型坡口的角度α1的取值范围为45°～60°，所述Y型坡口的底部剩余板厚d2为d1的50％；所述钢板侧V型坡口的角度α2的取值范围为45°～60°；所述铝板与钢板底部之间的预留间隙W为0.5～1.0mm。优选的，所述填丝金属为AlSi12近共晶合金焊丝，所述填丝金属的直径为1.2～6.0mm。优选的，所述保护气体包括正面和背面两个方向的保护气体，其中，正面的保护气体采用侧吹、沿焊道吹送和同轴气体保护的方式对焊接熔池进行保护；在光纤激光器和半导体激光器的焊头上均设有侧吹和同轴方向的保护气体；在焊接夹具上设有沿焊道吹送保护气体的通道；其中，侧吹的保护气体用于驱散等离子体；沿焊道吹送的保护气体用于保护已凝固但温度仍然较高的焊缝金属不被氧化，同时防止氧化夹杂物导致的气孔和飞溅；同轴的保护气体用于防止飞溅物损伤激光器镜片。优选的，所述步骤(一)中，对Y型坡口、V型坡口及铝板和钢板的上下表面进行深度清理的步骤为：依次采用800目、1500目和2000目的砂纸分别对铝板和钢板的坡口表面进行打磨，对打磨完成后的铝板先碱洗后酸洗，并用酒精擦拭，再烘干；对打磨完成的钢板用丙酮进行擦拭，再烘干。优选的，所述钢板和铝板的厚度d1为6mm，所述Y型坡口的底部剩余板厚d2为3mm。优选的，所述光纤激光器的功率为4kW，所述圆形光斑的直径为1.2mm；所述半导体激光器的功率为3kW，所述矩形光斑的宽度为3mm、长度为4mm。优选的，所述主光束和辅助光束的离焦量为0mm。优选的，所述焊接速度为3.2m/min，所述送丝角度α3为45°。优选的，所述填丝金属的直径为3.2mm。本专利技术的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法中，将不同能量和光斑形状的光纤激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：它包括如下步骤：/n(一)对等厚度的待焊接铝板(1)和钢板(2)分别开Y型坡口和V型坡口，对Y型坡口、V型坡口及铝板(1)和钢板(2)的上下表面进行深度清理；/n(二)将待焊接铝板(1)和钢板(2)置于焊接夹具上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；/n(三)调整主光束(8)和辅助光束(9)的位置，设置光束功率：将两个不同能量和光斑形状的光纤激光器和半导体激光器作为焊接热源，所述光纤激光器的功率为2～6kW，所述半导体激光器的功率为2～4kW；其中，将光纤激光器发出的激光聚焦为圆形光斑(3)作为主光束(8)辐照于铝板(1)侧的Y型坡口位置，并熔化填丝金属(5)使之填充坡口，所述圆形光斑(3)的直径为0.3～2.0mm；将半导体激光器发出的激光整形为矩形光斑(4)作为辅助光束(9)辐照于钢板(2)侧的V型坡口斜面，对钢板(2)坡口斜面进行预热，促进铺展在钢板(2)边缘的熔融态金属液体的流动性，使填丝金属(5)顺利地向铝板(1)和钢板(2)之间的间隙里润湿铺展，所述矩形光斑(4)的宽度为2～4mm、长度为3～6mm；所述主光束(8)和辅助光束(9)的离焦量为-4～+4mm；所述主光束(8)和辅助光束(9)沿焊接方向(7)交叉式排列，所述辅助光束(9)在前、主光束(8)在后，所述主光束(8)和辅助光束(9)的入射方向均与铝板(1)和钢板(2)的上表面垂直；/n(四)设定工艺参数，且焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变：采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，所述保护气体的气体流量为15～20L/min；焊接速度为1.5～6.0m/min；送丝角度α...

【技术特征摘要】
1.一种中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：它包括如下步骤：
(一)对等厚度的待焊接铝板(1)和钢板(2)分别开Y型坡口和V型坡口，对Y型坡口、V型坡口及铝板(1)和钢板(2)的上下表面进行深度清理；
(二)将待焊接铝板(1)和钢板(2)置于焊接夹具上进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；
(三)调整主光束(8)和辅助光束(9)的位置，设置光束功率：将两个不同能量和光斑形状的光纤激光器和半导体激光器作为焊接热源，所述光纤激光器的功率为2～6kW，所述半导体激光器的功率为2～4kW；其中，将光纤激光器发出的激光聚焦为圆形光斑(3)作为主光束(8)辐照于铝板(1)侧的Y型坡口位置，并熔化填丝金属(5)使之填充坡口，所述圆形光斑(3)的直径为0.3～2.0mm；将半导体激光器发出的激光整形为矩形光斑(4)作为辅助光束(9)辐照于钢板(2)侧的V型坡口斜面，对钢板(2)坡口斜面进行预热，促进铺展在钢板(2)边缘的熔融态金属液体的流动性，使填丝金属(5)顺利地向铝板(1)和钢板(2)之间的间隙里润湿铺展，所述矩形光斑(4)的宽度为2～4mm、长度为3～6mm；所述主光束(8)和辅助光束(9)的离焦量为-4～+4mm；所述主光束(8)和辅助光束(9)沿焊接方向(7)交叉式排列，所述辅助光束(9)在前、主光束(8)在后，所述主光束(8)和辅助光束(9)的入射方向均与铝板(1)和钢板(2)的上表面垂直；
(四)设定工艺参数，且焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变：采用纯度为99.99％的氩气作为保护气体，所述保护气体的气体流量为15～20L/min；焊接速度为1.5～6.0m/min；送丝角度α3为30°～60°，所述主光束(8)和辅助光束(9)均沿着焊接方向(7)以相同的速度移动，送丝速度与焊接速度的比值K的取值范围为8～12；
由于待焊接的钢板(2)和铝板(1)的厚度可变，主光束(8)的功率设定需满足数学模型公式：
P＝(d1×v)/K1
式中：
P—设定主光束功率，单位Kw；
d1—钢板和铝板的厚度，单位mm；
v—焊接速度，单位mm/min；
K1—比例系数，取值范围为2～10,保证铝板(1)和填丝金属(5)发生熔化；
根据上述公式计算出设定主光束功率P，再进行激光焊接。


2.根据权利要求1所述的中厚板铝/钢异种金属激光填丝焊接方法，其特征是：所述钢板和铝板的厚度d1为3～10mm，所述铝板侧Y型坡口的角度α1的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文权，杜明，陈达智，张新戈，李建华，牛加飞，吴大振，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22