專利名稱：中厚航天高強鋁合金板的激光-tig電弧復合焊接工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及焊接工程技術領域的一種復合熱源的高效節(jié)能焊接技術，具 體是一種針對中厚(4-8mm)航天高強鋁合金板的激光-TIG電弧復合焊接工 藝。
背景技術：
自從上世紀五十年代起，大型航天焊接結構采用鋁銅(Al-Cu)系高強鋁 合金材料，其中銅作為鋁合金中的固熔沉淀強化元素，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晶時晶粒長大的作用。由于 航天高強鋁合金高反射率、大線膨脹系數(shù)和導熱率、易產生難熔氧化膜和高 氣孔率等焊接性差的特點，近四十年來，其結構的拼焊依然廣泛采用填絲TIG 焊接工藝，而對該工藝固有的"低效、耗能、對材料損傷大、力學性能較低" 等缺點一直未能根本解決。
1980年，英國倫敦帝國理工學院的W. M Steen教授在雜志《Journal of Applied Physics》第51巻11期上，發(fā)表文章《Arc augmented laser processing of materials》提出并進行試驗研究的一種新型焊接技術——激光+電弧復合焊接 方法，即通過激光與電弧這兩種具有完全不同物理性質和能量傳輸機制的熱 源相互作用、相互加強而形成一種作用在同一焊接區(qū)域的高能效熱源。激光-電弧復合焊接技術綜合了激光和電弧各自的優(yōu)點，具有激光焊接的高速性和 電弧焊接良好的橋聯(lián)性，通過激光與電弧的相互耦合的作用，焊接過程更加 穩(wěn)定，并且焊縫成型顯著改善。經(jīng)過國內外學者以及工程技術人員的研究和 推廣，這種焊接方法、機理等都得到了一定程度的認識。
但到目前為止，激光-電弧復合焊接技術都是采用C02、 YAG激光與連續(xù) 的TIG、 MIG/MAG (熔化極氣體保護焊)、PAW (等離子弧焊)等通過旁軸 或同軸方式相結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，而對于中厚度的航天高強鋁合金材料還沒有實現(xiàn)激光-TIG電弧 復合的焊接方法。并且C02氣體激光器產生的激光波長為10.6um (微米)，
3雖然光束質量好，但是對于高強鋁合金具有很低的吸收率；而YAG激光器對 于高強鋁合金的吸收率稍高，但是其光束質量很差，因此若要實現(xiàn)中厚度的 航天高強鋁合金材料焊接，兩種激光器所需能量都非常高，十分耗能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出了一種焊接中厚度航天高強鋁合金的方法，該方 法通過光纖激光器產生的激光束與直流脈沖TIG電弧的復合，不僅提高了激 光能量的利用率，而且顯著提高了焊接速度，減少了航天高強鋁合金焊接接 頭的冶金性損傷。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案。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，共同形成一個熔池，焊接時，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10(K300Hz。
所述光纖激光器內部鏡面保護氣體為氬氣，氣體流量為30L/min，所述 TIG電弧，其保護氣體為氦氣，氣體流量為10 15L/min，工件背面保護氣體 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，是由于相對于C02、 YAG激光器類型，在吸收率方面，光纖激光器產生的波長在1070 1080nm(納 米)范圍內，從而有利于高強鋁合金的吸收，并且是co2氣體激光器吸收率 的2倍；在電光轉換效率方面，光纖激光器是Nd: YAG的5倍，是C02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。
所述激光束功率要能達到深熔焊的條件，其大小主要取決于工件的厚度和焊接速度；其與豎直方向有一定傾斜角度，則不會由于鋁合金的高反射率 而造成激光器的損壞；并且其焦點與工件之間的距離形式是正離焦，將有助 于焊縫成形美觀，且不易造成焊縫坍陷。
所述TIG電弧的鎢極尖端與工件表面之間的垂直距離，要滿足兩個熱源 的復合作用，當過小時，焊槍過于接近工件，電弧長度過短，容易造成電極 與熔池的接觸，鎢極被燒損和產生夾鎢缺陷；TIG焊槍鎢極尖端與工件表面 之間的垂直距離過大時，電弧燃燒不穩(wěn)，不易于激光進行耦合。
所述TIG電弧的鎢極尖端與激光束到工件表面的作用點之間的水平距 離，要滿足兩個熱源的復合作用，當兩者間距過小時會導致激光束對焊槍外 層陶瓷套嘴的燒毀；當TIG焊槍鎢極尖端與激光束作用點之間的水平距離過 大時，則由于激光與電弧的距離過遠而無法形成復合，激光對電弧起不到引 導和約束的作用，電弧也無法稀釋和調制激光。
所述TIG電弧的鎢極尖端與工件水平方向的傾斜角度，有利于電弧對激 光的調制和耦合作用。
所述TIG電弧采用直流脈沖正接方式，不僅解決了與連續(xù)電流的復合時， 電弧等離子體對激光能量吸收和散射作用而造成的穩(wěn)定性差問題，例如電弧 竄高或者膨脹等現(xiàn)象，而且更有利于電弧對激光能量的調制作用，從而顯著 增強航天高強鋁合金板對激光能量的吸收作用。其電流基值、峰值和脈沖頻 率取決于工件的厚度。厚度越大，速度越快，電流基值、電流峰值都應該相 應的增加，從而保證激光-電弧能夠更好的進行耦合。
在本發(fā)明中，進行焊接前，先要對高強鋁合金材料進行機械或化學清理， 從而減小氣孔，以及由于表面油污等雜質造成的不好的焊接質量。然后，引 燃TIG電弧，最后打開激光，使得激光照射工件表面形成的光致等離子體與 電弧等離子體進行耦合，有效增大高強鋁合金對激光能量的吸收作用，產生 小孔效應，進行深熔焊接。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點-
本發(fā)明采用了光束質量極好、吸收率很高、安裝維護方面的光纖激光器 產生的激光束與直流脈沖電弧進行復合，不僅提高了激光能量的利用率，而且顯著提高了焊接速度，減少了航天高強鋁合金焊接接頭的冶金性損傷。
相對于中厚航天高強鋁合金板傳統(tǒng)TIG電弧焊接工藝，本發(fā)明方法在實 現(xiàn)同樣熔透情況下，能達到較高綜合力學性能的焊縫深寬比，并有效地提高 了生產效率。
該方法顯著提高激光能量的吸收率，增強激光的"小孔"效應，以較低 的激光功率實現(xiàn)中厚航天高強鋁合金板的對接焊接。
試驗證明該方法將焊接速度提高到傳統(tǒng)TIG焊接的10倍(以上)，而
且能將高強鋁合金板對接焊縫的深寬比控制在l: l之內，減小了焊縫熱影響
區(qū)范圍和固溶強化的損傷，達到了良好的綜合力學性能，極大地改善了傳統(tǒng) 的焊接工藝導致的"過時效"對焊接接頭性能的不利影響，也明顯減少了由 單一激光的鋁合金焊接接頭氣孔率高的缺點。不僅高效、節(jié)能，即此工藝方
法下的熱輸入(激光熱輸入為80 200J/mm (焦耳/毫米)，TIG電弧熱輸入 54~56J/mm)低于單獨TIG電弧的熱輸入(2400-3OOOJ/mm)和單獨激光熱輸入 (130 300J/mm)，而且有利于提高中厚度(4-8mm)航天高強鋁合金板對接焊 接工藝水平。


圖1是本發(fā)明具體實施方式
的光纖激光束與TIG直流脈沖電弧復合焊接工藝 示意圖
圖中1、 TIG電弧的鎢極，2、光纖激光束，3、工件，a、光纖激光束2 與豎直方向的傾斜角度，P、 TIG電弧的鎢極1的尖端與工件3水平方向的 傾斜角度，h、 TIG電弧的鎢極1的尖端與工件3表面之間的垂直距離，d、 TIG電弧的鉤極1的尖端與光纖激光束2到工件3表面的作用點之間的水平 距離。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實例進行詳細說明，本實例在本發(fā)明技術方法 的前提下進行實施，給出了詳細的實施方法和具體的操作過程，但本發(fā)明的 保護范圍不限于下述實例。
本實例用于焊接尺寸(試板)為200mmxl50mmx8mm (長X寬X厚)的航天高強鋁銅系鋁合金，焊接的接頭形式為對接、不開坡口、接頭間隙> 0.2mm (毫米)。
如圖1所示，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，共同形成一個熔池，光纖激光束2在前 方，非熔化極TIG電弧在后方。激光焦點與工件之間的距離形式是正離焦， 其離焦量為+2mm。其中，TIG電弧的鎢極1的尖端與工件3水平方向的傾斜 角度P為50。；光纖激光束2與豎直方向的傾斜角度a為15° ; TIG電弧的 鎢極1的尖端與工件3表面之間的垂直距離h為4.5mm; TIG電弧的鉤極1 的尖端與光纖激光束2到工件3表面的作用點之間的水平距離d為5mm。
焊接速度為1.2m/min (米/分鐘)，激光功率為3860W (瓦)，激光的熱輸 入為193J/mm (焦耳/毫米)，TIG電弧采用直流脈沖正接方式，其基值電流為 30A (安培)，峰值電流為120A，頻率為100Hz (赫茲)，占空比為50%。
光纖激光器內部鏡面保護氣體為氬氣，氣體流量為30L/min (升/分鐘)， TIG電弧，其保護氣體為氦氣，氣體流量為15L/min，工件背面保護氣體為氬 氣，氣體流量為3L/min。
在上述參數(shù)下，先對航天高強鋁合金板焊前進行機械或者化學清理。然 后引燃直流脈沖TIG電弧，最后打開激光，使得激光照射工件表面形成的光 致等離子體與電弧進行耦合，發(fā)生交互作用，增大高強鋁合金對激光能量的 吸收作用，產生小孔效應，進行深熔焊接。
權利要求
1、一種中厚航天高強鋁合金板的激光-TIG電弧復合焊接工藝，其特征在于將非熔化極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中厚度工件上同一焊接位置，共同形成一個熔池，焊接時，激光束在前方，非熔化極TIG電弧在后方，激光束的焦點與工件之間的距離形式是正離焦，距離為0～+2mm，激光束與豎直方向的傾斜角度為15°～17°，TIG電弧的鎢極尖端與工件表面之間的垂直距離為3～5mm，所述TIG電弧的鎢極尖端與激光束到工件表面的作用點之間的水平距離為3～5mm，所述TIG電弧的鎢極尖端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。
2、 根據(jù)權利要求1所述的中厚航天高強鋁合金板的激光-TIG電弧復合焊接 工藝，其特征在于所述激光束的功率為2800~4000W。
3、 根據(jù)權利要求1所述的中厚航天高強鋁合金板的激光-TIG電弧復合焊接 工藝，其特征在于所述TIG電弧采用直流脈沖正接方式。
4、 根據(jù)權利要求1所述的中厚航天高強鋁合金板的激光-TIG電弧復合焊接 工藝，其特征在于:所述TIG電弧的基值電流為30 40A，峰值電流為70~120A， 脈沖頻率為100~300Hz。
5、 根據(jù)權利要求1所述的中厚航天高強鋁合金板的激光-TIG電弧復合焊接 工藝，其特征在于所述光纖激光器的內部鏡面保護氣體為氬氣，氣體流量 為30L/min;所述TIG電弧的保護氣體為氦氣，氣體流量為10~15L/min，工 件背面保護氣體為氬氣，氣體流量為2~4L/min。
全文摘要
本發(fā)明是中厚航天高強鋁合金板的激光-TIG電弧復合焊接工藝，屬于焊接工程技術領域。本發(fā)明將非熔化極TIG電弧與由光纖激光束沿著焊接方向聚集在工件上同一焊接位置，共同形成一個熔池，焊接時激光束在前方，非熔化極TIG電弧在后方，激光束的焦點與工件之間的距離形式是正離焦，激光束與豎直方向的傾角為15°～17°，TIG電弧的鎢極尖端與工件表面之間的垂直距離為3～5mm，TIG電弧的鎢極尖端與激光束到工件表面的作用點之間的水平距離為3～5mm，TIG電弧的鎢極尖端與工件水平方向的傾角為45°～55°。本發(fā)明不僅提高了激光能量的利用率，而且顯著提高了焊接速度，減少了航天高強鋁合金焊接接頭的冶金性損傷。
文檔編號B23K28/00GK101670495SQ20091009374
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權日2009年9月28日
發(fā)明者冉國偉, 宋永倫, 楊曉紅, 林江波, 肖天驕, 閆志鴻 申請人:北京工業(yè)大學