本發(fā)明涉及一種鋁合金激光深熔焊接氣孔的抑制方法，屬于鋁合金激光焊接領域。

背景技術：

由于鋁合金具有比強度高、耐腐蝕性好、塑性好、易于加工成型等優(yōu)點，在高速列車輕量化結(jié)構(gòu)設計中被大量使用于車體的生產(chǎn)制造。激光焊接鋁合金相比于傳統(tǒng)電弧焊接鋁合金，具有能量密度高，焊接速度快，變形小，接頭性能良好，越來越多地應用于實際生產(chǎn)當中。但是由于激光焊接熔池深寬比更大，熔池體積更小，焊接速度更高，熔池冷卻結(jié)晶速度更快，不利于氣泡的上浮溢出。因此氣孔缺陷仍然是鋁合金激光焊接過程中難以避免的難題。氣孔的存在不僅會降低焊接接頭的有效承載面積，而且會使局部造成應力集中，從而降低焊接接頭的強度和韌性，嚴重影響焊接接頭的服役壽命。因此，如何降低激光焊接鋁合金過程中的氣孔率至關重要。

激光焊接鋁合金過程中主要存在兩類氣孔，一類是氫氣孔，主要是空氣中的水分或是氧化膜上的水分高溫下反應產(chǎn)生氫，在冷卻過程中來不及逸出形成氣孔，這類氣孔多通過使用化學試劑進行表面清洗或機械打磨去除鋁合金表面氧化膜的物理方法來控制。但機械清理的方法的清理效果難以保證。

而另一類是冶金氣孔，主要是激光深熔焊接中產(chǎn)生的深熔小孔不穩(wěn)定造成的。特別是對于含有低熔點、低沸點的Mg、Zn等合金元素的5XXX、7XXX系列鋁合金，在焊接過程中大量合金元素的蒸發(fā)燒損容易導致小孔劇烈波動，造成小孔根部失穩(wěn)，從而產(chǎn)生大量工藝性氣孔。這類氣孔去除難度較大，且與工藝參數(shù)密切相關。有研究結(jié)果表明，采用雙焦點激光焊接、脈沖激光調(diào)制、焦點振動激光、外加電磁場輔助的激光焊接及激光-TIG雙面焊接等工藝方法可以控制鋁合金激光深熔焊接工藝氣孔，但這些工藝方法在實際應用中都存在很大的局限性，同時也并不能從根本上克服氣孔問題，且工藝復雜，適應性不足。迫切需要發(fā)展一種工序簡單、操作便捷，工藝適應性好，且有效的氣孔抑制方法。

技術實現(xiàn)要素：
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針對鋁合金激光焊接的氣孔難題，本發(fā)明提出了一種鋁合金激光深熔焊接氣孔的抑制方法，其特征在于：焊接前，在兩個待焊母材對接面之間預置與待焊截面尺寸大小相同的金屬鈮(Nb)箔或Nb層，激光束從工件正面垂直或沿焊縫方向傾斜入射于Nb箔位置，對工件進行激光自熔或填絲深熔焊接。利用鈮元素的吸氣和固氫作用，抑制焊接氫氣孔的形成，同時焊接過程中，高熔點的鈮可以增加熔池溫度，改善熔池的流動性，改善激光焊接過程穩(wěn)定性，抑制氣孔形成。

以上所述的一種鋁合金激光深熔焊接氣孔的抑制方法，其特征在于所加金屬Nb箔或Nb層的厚度不超過0.05mm，可以通過焊前在待焊母材對接界面中預置一定厚度的Nb箔，也可以用物理方法沉積或蒸鍍方法在待焊母材界面沉積一定厚度Nb層來實現(xiàn)。從成本以及制造難度的角度，建議Nb箔或Nb層為0.01-0.05，太薄難以制造成本過高。

以上所述的一種鋁合金激光深熔焊接氣孔的抑制方法，其特征在于所述激光束為CO₂激光、YAG激光、光纖激光或半導體激光；所述激光焊接為單純激光焊接也可以是激光-電弧復合焊接，且激光功率超過所焊母材的深熔閾值，形成深熔焊接。

本發(fā)明的基本原理是：金屬Nb能吸收氣體，可用作除氣劑，這是由于氫易溶于鈮中，氫化鈮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，焊縫中一定量鈮元素的存在能起到固定氫的作用，實現(xiàn)鋁合金深熔焊接時的氫氣孔形成的抑制。其次，冶金氣孔主要是由于鋁合金激光深熔焊接過程中深熔小孔處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，小孔塌陷而形成的孔洞。究其動力學因素，主要是由于其表面張力大于蒸氣壓力，不能維持穩(wěn)定產(chǎn)生塌陷，液態(tài)金屬來不及填充，從而形成氣孔。由于Nb的熔點遠高于鋁合金熔點，微量Nb的加入，可提高鋁合金熔池的溫度，改善了熔池的流動性，增加焊接過程的穩(wěn)定性，有效抑制工藝氣孔的產(chǎn)生。

另一方面，微量的Nb熔入鋁中，不形成復雜的脆性化合物，它通過誘導析出和控制冷卻速度，實現(xiàn)析出物彌散分布，實現(xiàn)接頭顯微組織的細晶強化和彌散強化，同時在焊縫中鈮能提高原子結(jié)合力，產(chǎn)生點陣畸變，降低堆垛層錯能，阻止位錯運動，并阻礙歪扭或畸變主晶格的恢復，實現(xiàn)焊接接頭強韌性的改善。

本發(fā)明所述的技術方案，可實現(xiàn)鋁合金激光焊接或激光-電弧復合焊接氣孔形成的有效抑制。同時鈮具有常溫延展性，不需要進行中間熱處理就可以實現(xiàn)大變形，可以根據(jù)待焊母材截面進行裁剪，具有工序簡單、操作方便的特點。通過對焊后試樣進行X射線無損探傷檢測以及對焊縫剖面進行金相顯微結(jié)果分析，均可以明顯的看出添加鈮箔對鋁合金焊縫氣孔的抑制效果。

基于預置金屬Nb箔或Nb層的鋁合金激光深熔焊接氣孔的抑制方法操作簡單，易于實施，在不改變焊縫基本性能的前提下，可有效抑制鋁合金激光深熔焊接過程中易產(chǎn)生氣孔缺陷的問題。本發(fā)明在高速列車鋁合金車體及航空航天大型鋁合金結(jié)構(gòu)熔化焊接領域具有較大的實際應用價值。

附圖說明

圖1：鋁合金激光深熔焊接氣孔的抑制方法布置示意圖；1、待焊母材；2、填充焊絲；3、激光束；4、電弧焊炬或保護氣噴嘴；5、Nb箔或Nb層。

圖2：同樣工藝參數(shù)條件下，A7N01鋁合金單激光焊接焊縫RT檢驗效果對比。(a)不添加鈮片(b)添加0.05mm厚的鈮片

圖3：同樣工藝參數(shù)條件下，A7N01鋁合金激光-電弧復合焊接焊縫RT檢驗效果對比。(a)不添加鈮片(b)添加0.05mm厚的鈮片

圖4：預置0.05mm鈮箔的A7N01鋁合金激光-電弧復合焊接焊縫成形。(a)焊縫正面(b)焊縫背面(c)焊縫橫截面

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

本實施例的技術方案示意圖如附圖1所示。將0.05mm厚的鈮箔5(純度為99.9％)預置在待焊母材1的對接界面中，光纖激光3從工件正面垂直入射于鈮箔位置，保護氣通過噴嘴4進行熔池保護，沿圖中焊接方向?qū)ぜM行焊接，焊接時也可以通過送絲咀2填加焊絲。

實施例1：實施例中待焊母材1為4mm厚的A7N01-T4鋁合金，試驗選用IPG公司的YLS-6000摻鐿光纖激光器，波長為1060～1070nm，光纖傳輸芯徑為200μm，輸出耦合準直鏡的焦距為200mm，聚焦鏡焦距為250mm，光斑直徑約為0.25。焊接時焦點位于母材表面，激光功率6kW，焊接速度4m/min。保護氣體為Ar氣，正面和背面保護氣流量均為10L/min。將0.05mm厚，4mm寬的鈮箔預置于相同長寬截面的待焊母材1之間，用夾具裝夾于試驗臺，進行單激光深熔焊接。圖2為相同工藝參數(shù)條件下，預置Nb箔和未放置Nb箔的焊縫RT檢驗結(jié)果對比。從圖中可以看出，通過添加鈮片的方法進行的單激光焊接得到了無氣孔缺陷的鋁合金焊縫。

實施例2：在實施例1的基礎上可以輔加TIG電弧焊炬4進行激光-電弧復合焊接。電弧電源為Magic Wave 3000job數(shù)字焊機，TIG參數(shù)選用帶圓角的矩形方波，頻率為60Hz，占空比為64％，基值電流為0。鎢極選用直徑為2.4mm鈰鎢極(2％Ce2O3)，鎢極干伸長度為3～5mm，鎢極尖端距工件表面距離約為2.5mm。填充焊絲為直徑1.2mm的ER5356焊絲，通過填絲裝置2接入焊絲，通入背面保護氣流量為10L/min的Ar氣保護。將0.05mm厚，4mm寬的鈮箔預置于相同長寬截面的待焊母材1之間，進行激光-電弧復合填絲深熔焊接。圖3為激光-電弧復合焊接時，預置Nb箔和未放置Nb箔的焊縫RT檢驗結(jié)果對比。從圖中可以看出，通過添加鈮片的方法進行的激光-電弧復合焊接得到了無氣孔缺陷的鋁合金焊縫。圖4為填加Nb箔的激光-電弧復合焊接焊縫成形照片。從圖中可以看出，焊縫表面光亮，魚鱗紋均勻光滑，焊縫成形良好，同時可以通過控制鈮箔厚度進行顯微組織調(diào)控。

以上實施例均證明通過加入鈮箔的方式可實現(xiàn)對鋁合金激光焊接或激光-電弧復合焊接氣孔形成的有效抑制。