本发明属于材料加工工程领域，具体涉及一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法。
背景技术：
铝合金由于其低密度，接近或超过优质钢的高强度，塑性好，优良的导电性、导热性和抗蚀性，在航空航天、汽车、高速列车以及船舶等工业制造中得到大量应用，是工业中应用较为广泛的工业金属结构材料。
激光焊是上世纪70年代发展而来的，并在80年代受到欧美国家的广泛关注，它是以高功率密度激光束作为热源进行焊接的一种高能束焊接方法。激光焊较之传统焊接方法具有能量密度高、焊接速度快、焊接热影响区小、深宽比大、焊缝晶粒细小、接头质量高等优点，在工程中被广泛应用。
振动焊接是在常规焊接过程中给焊件施加周期性的外力，使焊件随振随焊，达到降低焊接残余应力、改善焊接接头成形、优化接头组织、细化晶粒等目的，进而提高焊接接头性能的一种焊接方法。
激光焊接优点鲜明，但在铝合金焊接过程中依然存在一定的焊缝气孔、焊接残余应力、热裂纹和焊接变形等缺陷。又由于激光焊接头组织多为联生柱状树枝晶，熔池两侧枝晶在熔池中心相遇时，其结合性能较低；加之柱状晶本身性能存在各向异性，致使焊缝综合机械性能变差。因此，铝合金的激光焊接技术成为材料加工工程领域的研究热点之一。
基于铝合金激光焊接的上述缺陷形成以下专利：
1.一种铝合金激光焊接方法(专利公开号cn106181031a)通过在激光焊接头与待焊母材之间设置气旋式真空罩形成局部真空环境，解决铝合金激光自熔焊接过程中合金元素蒸发烧损，焊接接头强度大大降低问题的技术方案。
2.一种铝合金激光摆动焊接工艺方法(专利公开号cn107442935a)通过采用摆动激光束沿着平行于焊接方向的轴前进，摆动激光束在所述轴的两侧往复运动，形成一曲折的运动路径的方法，解决激光焊接过程中由氢及合金元素蒸汽形成的冶金气孔以及激光小孔不稳定坍塌而形成的工艺气孔严重超标等问题的技术方案。
3.一种减少铝合金焊接气孔的激光-电弧复合焊接方法(专利公开号cn106475684a)通过选用绞股焊丝代替普通的铝合金焊丝，使用激光-电弧复合热源，对铝合金进行焊接，能有效减少接气孔，减小焊缝缺陷的技术方案。
4.一种铝合金激光深熔焊接气孔的抑制方法(专利公开号cn106825912a)通过在待焊母材对接面预置与待焊截面尺寸大小相同的金属铌箔或铌层，增加熔池温度、改善熔池流动性、改善激光焊接过程稳定性，有效解决铝合金激光深熔焊接过程中的气孔难题的技术方案。
本发明基于铝合金激光焊接的上述缺陷，提供一种新的铝合金激光焊接方法，该方法通过在铝合金激光焊接过程引入高频振动辅助工艺，通过高频振动产生的机械振动作用，明显减少气孔，细化晶粒，降低焊缝残余应力，优化成形性，提高焊接件的力学性能。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，该方法降低焊接熔池的温度梯度，促进熔池中液态金属流动，进而减少气孔，细化焊缝晶粒，降低焊接残余应力，提高焊接接头的力学性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种高频振动辅助激光焊接铝合金的方法，包括以下步骤：经预处理的铝合金工件刚性固定在装配有电磁式激振器的工作平台上，在电磁激振器作用下，处于适合铝合金工件的共振频率和振动加速度时，保护气体环境中进行激光焊接。具体地，在电磁激振器作用下，确定铝合金工件、工作平台和电磁激振器的共振频率，及适合铝合金工件的共振加速度，并保持共振状态。
所述激光焊接的参数为：光纤激光器，激光功率3500w，焊接速度1.2m/min，离焦量为-15mm，光斑直径0.3mm，保护气体流量为20l/min，焊枪角度为90°。在该激光焊接参数作用下进行的激光焊接为激光深熔焊。
所述电磁式激振器的机械振动沿与工作平台和/或铝合金工件呈0°～90°夹角方向上传递至工作平台和铝合金工件。作为优选方案，所述电磁式激振器的机械振动沿与工作平台和铝合金焊件均呈90°夹角方向上传递至工作平台和铝合金工件。电磁式激振器的机械振动传递至工作平台和铝合金工件的方向可调性，可在铝合金工件上形成多平面方向、多角度方向的立体振动，以满足不同铝合金工件对外加振动的要求。
所述电磁式激振器的激励线圈电流为0～2.85a。
所述电磁激振器作用下，产生适合铝合金工件的共振频率和振动加速度的方法为：使用函数信号发生器和功率放大器产生控制信号；电磁式激振器根据控制信号产生机械振动，并将该机械振动传递至工作平台和铝合金工件，确定铝合金工件所需的振动频率范围；使用函数信号发生器在振动频率范围内进行扫频，找到铝合金工件、工作平台与电磁式激振器的共振频率；同时，使用测振仪监控铝合金工件的振动加速度，找到适合铝合金工件的振动加速度，产生电磁激振器作用下的共振状态。
作为本发明的一个优选实施例，经预处理的铝合金工件刚性固定在装配有电磁激振器的工作平台上；使用函数信号发生器和功率放大器产生控制信号；电磁式激振器根据控制信号产生机械振动，并将该机械振动沿垂直于工作平台和铝合金工件的方向传递至工作平台和铝合金工件，确定铝合金工件所需的振动频率范围；使用函数信号发生器在振动频率范围内进行扫频，找到铝合金工件、电磁激振器与工作平台的共振频率；同时，使用测振仪监控铝合金工件的振动加速度，找到适合铝合金工件的振动加速度；在确定共振频率和振动加速度后，保持铝合金工件、电磁激振器与工作平台的共振状态，保护气体环境中对铝合金工件进行激光焊接；
所述激光焊接参数为：光纤激光器，激光功率3500w，焊接速度1.2m/min，离焦量为-15mm，光斑直径0.3mm，保护气体流量为20l/min，焊枪角度为90°。
所述电磁激振器的参数为：励线圈电流为0～2.85a。
所述振动频率范围为0hz～1455hz，优选为100hz～1455hz，更优选为500hz～1200hz。
所述共振频率为505hz～1173hz，优选为923hz～1173hz，更优选为505hz、923hz或者1173hz，作为本发明较佳方案，为1173hz。
所述铝合金工件的预处理方法为：对铝合金工件表面依次进行打磨和清洁处理，打磨去除铝合金工件表面氧化层及污渍后，再用丙酮清洗，自然风干，保证铝合金待焊面的光亮、平整。
所述保护气体有氩气、氮气或者氩气和氮气的混合气，优选为氩气。
本发明高频振动辅助激光焊接铝合金方法能显著减少铝合金焊接接头中的气泡或气孔。
现对于现有技术，本发明的优点在于：
1.本发明通过在铝合金激光焊接过程中引入电磁式激振器的高频振动，使用电磁式激振器替代工业上普遍使用的离心式机械激振器，在提高振动频率的同时，减弱振动幅度；在电磁式激振器的高频振动作用下，搅拌熔池，增强熔池中液体金属流动，降低熔池的温度梯度，减少气孔生成，减小气孔体积，还利于熔池中气孔上浮，解决铝合金焊接过程中气孔对焊接质量的影响；还可有效破碎熔池柱状树枝晶，且熔池温度梯度的减弱，进一步阻碍柱状树枝晶等粗大晶粒的生成，从而细化焊缝组织晶粒；还可降低焊接残余应力；最终提高铝合金焊接接头的力学性能。
2.本发明使用的电磁式激振器的振动频率可高达千赫兹，与离心式机械激振器一般在60hz～100hz的最大振动频率相比，可提供振动频带宽、最高振动频率大、振动频率连续可调的高频振动。对于不同铝合金焊接工件，电磁式激振器可提供不同的振动频率，还可通过调节自身机械振动传递方向，在铝合金工件上形成多平面方向、多角度方向的立体振动，进一步满足不同铝合金工件对细化晶粒、减少气孔、降低残余应力的需求。
3.本发明方法还易于自动化控制、便于操作且效率高，具有广泛的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明用于铝合金的高频振动辅助激光焊接装置示意图。图中，1-焊接工作平台，2-电磁式激振器，3-夹具，4-待焊铝合金工件，5-气体通道，6-激光焊接组件，7-激光束，8-控制器。
图2为分别在0hz、505hz、923hz、1173hz共振频率下所得铝合金焊接接头截面气孔形貌与分布图，(a)为0hz共振频率下所得铝合金焊接接头截面气孔形貌与分布图，(b)为505hz共振频率下所得铝合金焊接接头截面气孔形貌与分布图，(c)为923hz共振频率下所得铝合金焊接接头截面气孔形貌与分布图，(d)为1173hz共振频率下所得铝合金焊接接头截面气孔形貌与分布图，(a)、(b)、(c)、(d)中箭头所指向的白色斑点为气孔。
图3为分别在0hz、505hz、923hz、1173hz条件下所得铝合金焊缝微观组织形貌图，(a)为0hz共振频率下所得铝合金焊焊接缝微观组织形貌图，(b)为505hz共振频率下所得铝合金焊接缝微观组织形貌图，(c)为923hz共振频率下所得铝合金焊接缝微观组织形貌图，(d)为1173hz共振频率下所得铝合金焊接缝微观组织形貌图。
图4为分别在0hz、505hz、1173hz条件下所得铝合金焊接接头显微硬度分布曲线图，al1为0hz共振频率下所得铝合金焊接接头显微硬度分布曲线图，为图4最下方位置的曲线；al2为505hz共振频率下所得铝合金焊接接头显微硬度分布曲线图，为图4中间位置的曲线；al4为1173hz共振频率下所得铝合金焊接接头显微硬度分布曲线图，为图4最上方位置的曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与效果易于了解，下面结合具体实施案例和附图，进一步阐述本发明。
如图1所示的用于铝合金的高频振动辅助激光焊接装置，包括水平放置的适于高频振动的焊接工作平台1，焊接工作平台1用于放置待焊铝合金工件4；焊接工作平台1上安装有电磁式激振器2、夹具3及控制器8，电磁式激振器2竖直固定在焊接工作平台1的下方，并位于焊接工作平台中心位置；夹具3用于固定待焊铝合金工件；控制器8包括函数信号发生器、功率放大器和测振仪等；在焊接工作平台1的上方安装有激光焊接组件6，激光焊接组件6包括用于输送惰性保护气体的气体通道5和用于对焊接件进行激光焊的激光束7。
电磁式激振器2产生的机械振动竖直传递至焊接工作平台1和铝合金工件4上，即电磁式激振器2产生的机械振动沿与焊接工作平台1和铝合金工件4均呈90°夹角的方向上传递至焊接工作平台1和铝合金工件4，在垂直于工作平台1和铝合金工件4的平面内形成上下往复的激振力。
在焊接工作平台1上对200(长)×150(宽)×5(厚)mm的铝合金板采用ipgyls-5000高功率光纤激光器进行高频振动辅助的激光自熔焊，其工艺步骤具体为：
使用夹具3将垫板和待焊5mm厚的铝合金板刚性固定于工作平台的正中央，垫板和铝板之间用钢块架起隔开，以防铝合金板与垫板焊连。对铝合金板的表面用100#粗砂纸进行打磨，去除表面氧化层及污渍，以防止焊接时熔池出现夹杂和气孔，最后用丙酮清洗，自然风干。
启动高频振动频台，使用函数信号发生器和功率放大器产生控制信号；电磁式激振器根据控制信号调整自身的激振力产生机械振动，并将机械振动传递至焊接工作平台与铝合金工件，大致确定待焊铝合金工件所需的振动频率范围；使用函数信号发生器在该振动频率范围内进行扫频，找到待焊铝合金工件、焊接工作平台和电磁式激振器的共振频率；
确定共振频率后，在待焊铝合金工件的共振状态下，调整函数信号发生器的输出电压幅值控制电磁式激振器的电压和电流，以改变电磁式激振器的输出功率；同时，使用测振仪对待焊铝合金工件的振动加速度进行监控，找到适合待焊铝合金工件的振动加速度；通过函数信号发生器的输出电压调控电磁式激振器的幅值和频率，易于进行自动化控制，降低成本。
振动加速度在高频振动范围内与振动幅度成正比，反映振动强度的大小。
在确定共振频率和共振加速度后，保持焊接工作平台及待焊铝合金工件的振动状态，同时启动机器人控制激光焊接的同步装置进行激光焊接，激光焊接工艺参数为：光纤激光功率为3500w，焊接速度为1.2m/min，离焦量为-15mm，光斑直径0.3mm，保护气体流量为20l/min，焊枪角度为90°。
共振激光焊接过程中，电磁式激振器的激励线圈电流为0～2.85a。
待激光焊接完成30s后，关闭机器人控制系统和高频振动频台，得到焊接接头成形较好、组织晶粒细化、气孔减少、焊接接头力学性能提高的铝合金工件。
为突出高频振动对铝合金激光焊接的改进作用，选取不同共振频率0hz、505hz、923hz、1173hz，分组进行考察，内容如下：
按照前述工艺步骤，在其它工艺步骤和工艺参数一致的前提下，通过施加不同共振频率0hz、505hz、923hz、1173hz，分组进行铝合金工件的振动辅助激光焊接，并对不同共振频率条件下所得铝合金焊接件进行焊接头气孔形貌、焊缝组织形貌及焊接头纤维硬度分布测试，结果如图2、图3和图4所示。
由图2铝合金焊接接头截面气孔形貌与分布图，可明显看出，随着振动频率的增加，铝合金焊接接头内的气孔逐渐减少，铝合金焊接接头内的气孔体积也随之减小。
由图3铝合金焊缝微观组织形貌图可明显看出，随着振动频率的增加，铝合金焊接缝的晶粒明显细化，且外加的振动频率越高，熔池的晶粒越细小。
由图4铝合金焊接接头显微硬度分布曲线图可明显看出，随着共振频率的增加，焊缝区的显微硬度显著上升，显微硬度值由无外加振动时的25.2hv提高到外加振动频率为1173hz时的29.3hv，平均提高约16.3％。
由上试验结果可知，铝合金激光焊接的过程中辅以高频振动，可细化焊缝组织晶粒，减少焊缝组织气孔，提高焊接接头的力学性能，提高铝合金焊接件的可靠性，满足铝合金焊接件的各种使用要求，提升铝合金焊接件的工业应用。
以上所述为本发明的较佳实例，但本发明不局限于该实施例所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护范围。