一种铝合金激光焦点旋转填丝焊接方法与流程

本发明涉及一种铝合金激光焦点旋转填丝焊接方法，属于激光焊接技术领域。

背景技术：

激光焊接相较于传统弧焊，具有能量密度高、焊接速度快、加工柔性好、焊后结构变形小等突出优势，尤其是随着近年来大功率光纤激光器的快速发展普及，光纤激光焊接技术在工业领域获得广泛的应用，尤其应用于铝合金这类对激光反射率较高的金属材料。但是由于铝合金密度低、合金元素易烧损、导热系数较大等材料特性，导致激光自熔焊过程中，仍然存在氢气孔不易消除、裂纹倾向大以及较严重的接头软化等问题。由于聚焦光斑较小，因此激光焊接还存在着间隙适应性较差的问题。而采用激光填丝焊的方式，不但可以显著提高间隙冗余度，同时引入新元素，调控焊接冶金行为，抑制焊接裂纹并改善焊缝成形，降低接头软化行为，提高接头力学性能，因此铝合金激光填丝焊接方式被广泛应用。

虽然激光填丝焊相较激光自熔焊已经有了诸多改善，但是填丝焊也存在着一定的局限性。在填丝焊接过程中，焊丝熔化过渡行为较为复杂，不同的光丝匹配关系导致不同的加热机制和熔入特征，进而影响焊接过程稳定性及焊后质量，焊丝的熔化过渡行为难以主动调控。此外，由于焊丝的熔入，干扰了原有的熔池凝固行为，导致氢气泡的逸出行为也受到一定的干扰。而针对铝合金激光自熔焊明显的接头软化问题，通过填加焊丝引入新的合金元素，在熔池中基于异质成核机理，达到改善接头冶金行为，提高焊缝力学性能的效果。相关研究表明，铝合金填丝后的接头力学性能仍低于母材，存在进一步工艺改善空间。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述的现有问题提供一种铝合金激光焦点旋转填丝焊接方法。通过焦点的高频运动，使焦点运动由一维运动扩展为二维运动，由此提高激光与焊丝的匹配冗余度，并通过激光的作用位置高频周期性变化，主动调控焊丝熔化及过渡行为。同时，焦点以旋转的方式运动，一方面改变了激光光束的能量分布，增强小孔稳定性，稳定焊接过程；另一方面对熔池产生明显搅拌作用，有利于氢气泡的逸出。除此以外，焦点旋转可以细化晶粒，进而增强接头力学性能。因此，通过焦点高频旋转，有利于进一步提高激光填丝焊接的过程稳定性，实现减少焊接气孔、提高焊缝的接头性能的有益目的。

所述的激光焦点旋转填丝焊接方法，其特征在于：激光焦点在工件表面上按一定半径和频率做匀速圆周运动，焊丝工作末端位置A相对激光焦点匀速圆周运动中心与工件表面交接的作用点O具有一定的距离，即焊丝的工作末端位于焦点匀速圆周运动的半径内，使得激光焦点在每个匀速圆周运动旋转周期内旋转时，激光焦点均能交替作用到焊丝工作末端和工件表面，激光焦点匀速圆周运动时焊丝的过渡形式为液桥过渡；同时激光焦点匀速圆周运动和焊丝工作末端沿整体的焊接方向不断前进。

所述的激光焦点旋转填丝焊接方法，其特征在于：焊丝工作末端位置A相对激光焦点匀速圆周运动中心与工件表面交接的作用点O的距离为0～1.2mm，焦点旋转半径0.2～0.8mm。

所述的激光焦点旋转填丝焊接方法，焦点匀速圆周运动的旋转频率50～300Hz。

本发明包含以下有益效果：本发明相通过激光焦点高频周期性作用于焊丝和熔池，实现主动调控焊丝熔化过渡行为及熔池流动凝固行为的作用，到达有效抑制气孔、改善焊缝形貌、细化焊缝晶粒、提高接头强度的效果。

附图说明

图1为铝合金激光焦点旋转填丝焊接方法示意图。

图中：1.旋转楔形透镜，2.聚焦透镜，3.激光光束，4.保护气喷嘴，5焊丝，6.送丝喷嘴，7.焊缝，8.工件

图2为实施例1中采用激光填丝焊与激光焦点旋转填丝焊方法的：焊缝形貌图、接头横截面金相图、焊缝中心组织和焊缝抗拉强度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

实施例1焊接工艺参数如下表所示，其中，P为激光功率，F为焦点旋转频率，r为焦点旋转半径，Wx为光丝间距，v为焊接速度，w为填丝速度。

实施例1所用材料为2060铝锂合金，试样规格为100mm×60mm×2mm，焊前用NaOH溶液去除表面氧化膜，30％HNO3溶液中和残留碱液。选用1.2mm 4047Al-Si焊丝。采用旁轴氩气保护(由旁轴喷嘴4输出)，保护气流量为25L/min。焊缝类型为对接焊缝。

从焊缝表面宏观形貌(如图2)可以看出，对于实施例1，在其他工艺参数相同条件下，激光焦点旋转填丝焊接的焊缝表面三角形鱼鳞纹消除明显，焊缝成形明显优于激光填丝焊。同时，焊接过程产生的飞溅明显减少，接头中氢气孔得到了有效抑制。采用激光焦点旋转填丝焊接的接头，其焊缝中心晶粒明显得到细化，晶粒尺寸减小。对两种接头进行力学性能测试，激光焦点旋转填丝焊接试样抗拉强度(Rm)达到了388Mpa，较激光填丝焊接试样的抗拉强度(Rm)得到13.4％的提高。

本发明可采用的焦点旋转装置设备包括如下：楔形透镜1、聚焦透镜2、工件8、激光器、焊丝5；自上而下依次为激光器、楔形透镜、聚焦透镜、工件，激光器发出平行激光光束，平行激光光束垂直楔形透镜的上表面，然后通过楔形透镜的斜下表面直达聚焦透镜，通过聚焦透镜的聚焦和焦点偏移达到工件表面，在焊接过程中，进行匀速旋转楔形透镜，进而使得焦点在工件表面做匀速圆周运动，焊丝的工作末端位于焦点匀速圆周运动的半径内；同时激光器、楔形透镜、聚焦透镜、焊丝一起相对工件表面焊缝作相对运动即整体按照焊接方向进行移动，或者工件相对移动。

本方法采用楔形透镜使激光束发生偏折，最终实现了激光焦点的匀速旋转(该焦点旋转方法参照本课题组已获授权的发明专利“一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接方法”，专利号：201510907271X.)。焊丝5经过送丝喷嘴6输出，氩气由保护气喷嘴4输出，两者对称分布于激光焦点两侧。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。