一種鎂合金激光-超聲雙面焊接的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種儀合金薄板激光-超聲雙面焊接的方法，屬于材料加工工程領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 儀合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車制造、電子通信和 國防軍事等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，儀合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛，因此，發(fā)展 高效、高質(zhì)的連接技術(shù)成為目前急需解決的關(guān)鍵問題之一。目前儀合金焊接的方法主要有： 鶴極惰性氣體保護焊、烙化極惰性氣體保護焊、攬拌摩擦焊、激光焊、電子束焊等。
[0003] 采用傳統(tǒng)的弧焊方法（TIG、MIG焊等）焊接儀合金時，由于儀合金與氧、氮親和力 強，焊后易形成夾渣和脆性相；儀合金烙點低，導(dǎo)熱快，線脹系數(shù)大，導(dǎo)致熱影響區(qū)寬且易于 過熱，晶體容易長大，易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和焊接變形；另外，由于儀與一些合金元素如化、 A1、Ni等易形成低烙點共晶體，運些低烙點共晶體偏析于晶界，增大結(jié)晶溫度范圍，在應(yīng)力 作用下極易形成熱裂紋。運些焊接缺陷都是由儀合金的特有性質(zhì)引起的，因此很難消除，但 相關(guān)研究表明，可W通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)、改善焊接工藝來減少上述焊接缺陷的生成，但由于 參數(shù)調(diào)節(jié)困難、工藝繁瑣，弧焊方法在儀合金焊接方面的應(yīng)用受到限制。采用攬拌摩擦焊雖 然能夠取得良好的焊接效果，但根據(jù)相關(guān)的文獻，目前其焊接仍然存在焊縫底部未焊合等 缺陷，且其自動化程度較低，不適用于工業(yè)批量生產(chǎn)。
[0004] 目前激光焊（LBW)是應(yīng)用于儀合金的高效焊接方法之一。激光焊接具有能量密度 高、焊接速度快、焊接精度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接變形小W及適應(yīng)性強易實現(xiàn) 自動化焊接等特點，因此采用激光焊方法焊接儀合金時可得到極小的烙化區(qū)和熱影響區(qū)， 降低焊縫中的內(nèi)應(yīng)力，并能凈化焊縫，減少夾渣、氣孔和裂紋等缺陷。因此隨著科學(xué)技術(shù)的 發(fā)展，該技術(shù)在儀合金焊接方面將會得到更廣泛的應(yīng)用。 陽〇化]目前，采用激光焊接的方法進行儀合金焊接時主要存在W下一些問題：
[0006] (1)儀合金密度低，液態(tài)時溶解大量的氨。在冷卻結(jié)晶過程中氨的溶解度睹降而析 出，且激光焊接速度高，烙池冷卻速度快，使得析出的氨氣來不及從在窄而深的焊縫中排出 而形成氣孔。除此之外，在激光焊接過程中，由于匙孔不穩(wěn)定而導(dǎo)致巧塌也是形成儀合金焊 接氣孔的原因之一；
[0007] (2)儀合金線膨脹系數(shù)大，雖然采用激光焊方法焊接儀合金時產(chǎn)生的變形小，降低 了焊縫中的熱應(yīng)力。但儀與其他元素易形成低烙點共晶偏析于晶界，增大了產(chǎn)生熱裂紋的 傾向，焊接接頭容易在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋，因此熱裂紋仍是儀合金激光焊中的主 要問題；
[0008] (3)儀合金熱導(dǎo)率大，采用大功率熱源、高焊速焊接儀合金時，易造成焊縫和近縫 區(qū)金屬過熱，晶粒長大導(dǎo)致晶粒粗化；
[0009] (4)儀合金氧化性極強，在焊接過程中極易與空氣中的氧、氮等形成氧化儀、氮化 儀等雜質(zhì)，運些雜質(zhì)被卷入烙體中不易排出形成夾渣；
[0010] (5)儀合金表面張力小，焊接時易產(chǎn)生焊縫金屬下塌。
[0011] 近年來，超聲波輔助焊接的技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展。超聲輔助焊接技術(shù)是在焊接 過程中將高能量的超聲波作用于焊接烙池，利用超聲的聲流和空化效應(yīng)，有效地降低了烙 融儀合金中的氨含量，降低焊縫中的氣孔率；根據(jù)超聲破碎理論和過冷生核理論，焊接過程 中超聲波的加入可W細化焊縫晶粒，提高焊接接頭的力學(xué)性能；另外超聲波的高頻振動還 對烙池起到一定的攬拌作用，有利于氧化物的上浮排出，從而減少了焊縫中的夾渣。用超聲 波輔助激光焊接，可W有效地改善儀合金焊接時存在的問題。專利200710144908公開了一 種超聲波輔助激光針（烙）焊的方法，采用超聲輔助焊縫金屬的潤濕性得到了極大地改善， 但是該方法中對于焊縫的氣孔和裂紋的控制仍有待提高。專利201310061962公開了一種 超聲輔助激光修復(fù)的方法，解決了晶粒粗大的問題，但該方法是利用超聲導(dǎo)入裝置將超聲 波直接從工件下方導(dǎo)入，降低了超聲波的能量利用率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明為了解決上述存在的問題，而提出了一種儀合金激光-超聲雙面焊接的方 法。
[0013] 本發(fā)明的儀合金激光-超聲雙面焊的方法是指將激光與超聲焊接的方法W復(fù)合 的形式應(yīng)用于儀合金焊接中，得到滿足要求的焊縫。其示意圖如圖1所示，該方法是將傳統(tǒng) 的激光焊與超聲波焊結(jié)合得到的方法。將兩塊儀合金薄板固定在工裝夾具上使其滿足焊接 要求。激光束位于兩平板接縫處上部，保證激光束垂直照射于焊縫正中位置。超聲波由超 聲發(fā)生裝置產(chǎn)生，該裝置一般由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿和工具頭等組成，超聲波發(fā) 生器及聲學(xué)系統(tǒng)把具有超聲頻率的振蕩電流轉(zhuǎn)換成相同或相近頻率的縱向或橫向彈性機 械振動能，再把該振動放大到一定程度，作用在待焊位置。本發(fā)明方法采用的是非接觸式超 聲波輔助焊接，超聲波發(fā)生裝置的超聲變幅桿位于焊縫背面，與激光束和焊縫在同一豎直 平面內(nèi)并指向焊接烙池，超聲變幅桿與激光束軸線夾角為a。焊接過程中超聲變幅桿與焊 縫不接觸，超聲波從焊縫背面施加在激光焊接所產(chǎn)生的烙池處，通過激光束和超聲波變幅 桿同步移動來完成焊接。
[0014] 本發(fā)明的一種儀合金激光-超聲雙面焊接的方法，它是按照W下步驟進行的：
[0015] 步驟一：焊前將待焊接工件用砂紙打磨去除表面氧化膜，并在丙酬中用超聲波進 行清洗；
[0016] 步驟二：將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上，放置于工作臺上；
[0017] 步驟將超聲波發(fā)生裝置固定于激光頭上，保持激光束垂直入射，使焦點位于待 焊位置；超聲波變幅桿位于焊縫背面，端部對準激光焊接所產(chǎn)生的烙池位置，并保持與激光 束軸線夾角a為30°~60°，且激光束、超聲變幅桿和焊縫位于同一豎直平面內(nèi)；
[0018] 步驟四：設(shè)定焊接工藝參數(shù)：
[0019] 1)激光焊：激光功率為IkW~5kW，離焦量為-3~+3mm，焊接速度為0.5~3m/ min，采用Ar氣保護，Ar氣流量為f5L/min~35L/min;
[0020] 2)超聲波焊：超聲波采用縱波，頻率為20~40化，振幅為5~50ym，并在焊接過 程中調(diào)整振動頻率，使其避開儀合金液態(tài)烙池的共振頻率區(qū)間；
[0021] 步驟五：打開激光器和超聲波發(fā)生裝置電源開始焊接，由焊接機器人集成系統(tǒng)控 制焊接過程，首先超聲波發(fā)生器先產(chǎn)生超聲波作用在待焊位置，2~3s后激光器發(fā)出激光， 實現(xiàn)激光-超聲雙面焊接，最后保持激光頭與超聲波發(fā)生器同步運動完成整個焊接過程。
[0022] 在儀合金焊接中，采用激光-超聲雙面焊接的方法，相比于傳統(tǒng)的儀合金焊接具 有W下幾點優(yōu)勢：1.相比于傳統(tǒng)鶴極氣弧焊（TIG焊），激光-超聲雙面焊接方法的焊接速 度較快，傳統(tǒng)鶴極氣弧焊（TIG焊）焊接速度一般小于Im/min，激光-超聲雙面焊接方法 的焊接速度可達到3m/min，大幅度提高了儀合金焊接效率，減少了焊接接頭中易產(chǎn)生的氣 孔、夾雜、熱裂紋W及焊不透等缺陷，使接頭達到使用要求；
[0023] 2.相比于單激光焊接，本發(fā)明的激光-超聲雙面焊方法在焊縫處施加超聲波，其 空化作用能有效地去除液態(tài)儀合金中的氨，顯著降低了儀合金接頭中的氣孔率，相比于單 激光焊接，其氣孔率可減少50%W上；超聲波高頻振動效應(yīng)作用于烙池壁及匙孔壁，有助 于烙池中的烙融金屬對空腔的填充，對烙池中液態(tài)金屬也有一定的攬拌作用，有利于氣泡、 氧化物的上浮，從而減少了焊縫中的氣孔、夾渣等缺陷的產(chǎn)生，達到機械消除缺陷的效果； 另外加入超聲波后，使焊縫晶粒得到細化，改善了單激光焊晶粒粗大的現(xiàn)象，由細晶強化作 用所帶來的焊縫抗拉強度可提升50MPW上；
[0024] 3.相比于單側(cè)超聲輔助激光焊接，激光-超聲雙面焊方法中超聲波施加于焊縫背 面，在激光、超聲雙熱源的作用下，烙池中溫度梯度小，焊接過程中產(chǎn)生的焊接變形W及焊 縫中熱應(yīng)力較小，從而有效地降低了焊接接頭在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋的傾向，使焊 縫的力學(xué)性能得到提高，抗拉強度，測彎性能均相比于單側(cè)超聲輔助激光焊接提高20 %W 上。
【附圖說明】
[00巧]圖1為本發(fā)明的激光-超聲雙面焊接原理示意圖；
[00%] 圖2為實施例1對2mm厚的AZ3IB儀合金板對接接頭焊接時的焊縫正面形貌電鏡 圖；
[0027] 圖3為實施例1對2mm厚的AZ3IB儀合金板對接接頭焊接時的焊縫橫截面微觀形 貌電鏡圖；
[0028] 圖4為實施例2采用單激光焊接的方法進行2mm厚的AZ31B儀合金板對接接頭焊 接時的焊縫正面形貌電鏡圖；
[0029] 圖5為實施例2采用單激光焊接的方法進行2mm厚的AZ31B儀合金板對接接頭焊 接時的焊縫橫截面微觀形貌電鏡圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0030] 一：本實施方式的一種儀合金激光-超聲雙面焊接的方法，它是按 照W下步驟進行的：
[0031] 步驟一：焊前將待焊接工件用砂紙打磨去除表面氧化膜，并在丙酬中用超聲波進 行清洗；
[0032] 步