[發(fā)明專利]中厚航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接工藝

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910093745.6
• 申請(qǐng)日: 2009-09-28
• 公開（公告）號(hào): CN101670495A
• 公開（公告）日: 2010-03-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋永倫;楊曉紅;閆志鴻;冉國(guó)偉;肖天驕;林江波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K28/02
• 分類號(hào): B23K28/02
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 張 慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及焊接工程技術(shù)領(lǐng)域的一種復(fù)合熱源的高效節(jié)能焊接技術(shù)，具 體是一種針對(duì)中厚(4-8mm)航天高強(qiáng)鋁合金板的激光-TIG電弧復(fù)合焊接工 藝。

背景技術(shù)

自從上世紀(jì)五十年代起，大型航天焊接結(jié)構(gòu)采用鋁銅(Al-Cu)系高強(qiáng)鋁 合金材料，其中銅作為鋁合金中的固熔沉淀強(qiáng)化元素，其他微量元素以金屬 間化合物形式分散存在，主要起控制和抑制再結(jié)晶時(shí)晶粒長(zhǎng)大的作用。由于 航天高強(qiáng)鋁合金高反射率、大線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率、易產(chǎn)生難熔氧化膜和高 氣孔率等焊接性差的特點(diǎn)，近四十年來(lái)，其結(jié)構(gòu)的拼焊依然廣泛采用填絲TIG 焊接工藝，而對(duì)該工藝固有的“低效、耗能、對(duì)材料損傷大、力學(xué)性能較低” 等缺點(diǎn)一直未能根本解決。

1980年，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的W.M?Steen教授在雜志《Journal?of Applied?Physics》第51卷11期上，發(fā)表文章《Arc?augmented?laser?processing?of materials》提出并進(jìn)行試驗(yàn)研究的一種新型焊接技術(shù)——激光+電弧復(fù)合焊接 方法，即通過(guò)激光與電弧這兩種具有完全不同物理性質(zhì)和能量傳輸機(jī)制的熱 源相互作用、相互加強(qiáng)而形成一種作用在同一焊接區(qū)域的高能效熱源。激光- 電弧復(fù)合焊接技術(shù)綜合了激光和電弧各自的優(yōu)點(diǎn)，具有激光焊接的高速性和 電弧焊接良好的橋聯(lián)性，通過(guò)激光與電弧的相互耦合的作用，焊接過(guò)程更加 穩(wěn)定，并且焊縫成型顯著改善。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及工程技術(shù)人員的研究和 推廣，這種焊接方法、機(jī)理等都得到了一定程度的認(rèn)識(shí)。

但到目前為止，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)都是采用CO₂、YAG激光與連續(xù) 的TIG、MIG/MAG(熔化極氣體保護(hù)焊)、PAW(等離子弧焊)等通過(guò)旁軸 或同軸方式相結(jié)合的方法焊接不同厚度的合金鋼，以及薄板的鋁鎂系合金和 鎂鋁合金等，而對(duì)于中厚度的航天高強(qiáng)鋁合金材料還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)激光-TIG電弧 復(fù)合的焊接方法。并且CO₂氣體激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為10.6μm(微米)， 雖然光束質(zhì)量好，但是對(duì)于高強(qiáng)鋁合金具有很低的吸收率；而YAG激光器對(duì) 于高強(qiáng)鋁合金的吸收率稍高，但是其光束質(zhì)量很差，因此若要實(shí)現(xiàn)中厚度的 航天高強(qiáng)鋁合金材料焊接，兩種激光器所需能量都非常高，十分耗能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出了一種焊接中厚度航天高強(qiáng)鋁合金的方法，該方 法通過(guò)光纖激光器產(chǎn)生的激光束與直流脈沖TIG電弧的復(fù)合，不僅提高了激 光能量的利用率，而且顯著提高了焊接速度，減少了航天高強(qiáng)鋁合金焊接接 頭的冶金性損傷。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本發(fā)明將非熔化極TIG 電弧與由光纖激光器發(fā)出的激光束沿著焊接方向聚集在工件上同一焊接位 置，共同形成一個(gè)熔池，焊接時(shí)，沿著焊接方向，激光束在前方，非熔化極 TIG電弧在后方，并且激光束和非熔化極TIG電弧都與工件有一定的傾斜角 度。所述TIG電弧的鎢極尖端與工件表面之間的垂直距離，為3～5mm(毫米)， 與激光束到工件表面的作用點(diǎn)之間的水平距離，為3～5mm，與工件水平方向 的傾斜角度，為45°～55°。所述的激光束的熱輸入為80～200J/mm(焦耳每毫 米)，其功率為2800～4000W(瓦)，其與豎直方向的傾斜角度為15°～17°，其 焦點(diǎn)與工件之間的距離形式是正離焦，距離為0～+2mm。

所述TIG電弧采用直流脈沖正接方式，其基值電流為30～40A，峰值電流 為70～120A，脈沖頻率為100～300Hz。

所述光纖激光器內(nèi)部鏡面保護(hù)氣體為氬氣，氣體流量為30L/min，所述 TIG電弧，其保護(hù)氣體為氦氣，氣體流量為10～15L/min，工件背面保護(hù)氣體 為氬氣，氣體流量為2～4L/min。

本發(fā)明的基本原理是：所述激光束采用光纖激光器，是由于相對(duì)于CO₂、 YAG激光器類型，在吸收率方面，光纖激光器產(chǎn)生的波長(zhǎng)在1070～1080nm(納 米)范圍內(nèi)，從而有利于高強(qiáng)鋁合金的吸收，并且是CO₂氣體激光器吸收率 的2倍；在電光轉(zhuǎn)換效率方面，光纖激光器是Nd:YAG的5倍，是CO₂氣體 激光器的3倍，因此，采用光纖激光器將更加高效和節(jié)能。