一种消除镁合金焊接气孔的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种消除镁合金焊接气孔的方法，属于材料加工工程领域。
【背景技术】
[0002] 镁合金作为最轻的金属结构材料，具有很高的比强度、比刚度、以及弹性模量低、 电磁屏蔽能力强等优点，和轻质美观等优越性能，是21世纪的绿色环保材料。镁合金是实际 应用中最轻质的金属工程结构材料。近年来，镁合金在世界范围内的年增长率高达20%，应 用前景十分可观。目前，镁合金由于在实现轻量化、降低能源消耗、减少环境污染等方面具 有显著作用，在国防军工、汽车、航空航天、电子、机械等工业领域以及家庭用品和运动器材 等领域正得到日益广泛应用。
[0003] 目前针对镁合金焊接应用的焊接方法主要有钨极惰性气体保护焊(TIG)、熔化极 惰性气体保护焊(MIG)、搅拌摩擦焊(FSW)、摩擦焊(FW)、激光焊(LBW)、电子束焊(EBW)和电 阻点焊(RSW)等。其中钨极氩弧焊、激光焊等具有巨大的发展潜力和应用前景。但由于镁合 金的自身特性使镁合金在焊接过程中会产生一系列的困难，如压铸镁合金，焊接气孔主要 来自于母材在压铸过程中形成的弥散分布的显微气缩孔，材料中存在的大量原始气体在焊 接工艺条件下膨胀、长大、合并以及上浮，对焊缝气孔的抑制产生不利的影响。焊缝中存在 的气孔会减少承载面积，并发展成为裂纹源，显著降低焊缝力学性能。
[0004] 目前，采用传统方法进行镁合金薄板焊接存在以下一些问题：
[0005] (1)钨极惰性气体保护焊的焊接速度小，效率低，且镁合金TIG焊接过程中容易形 成气孔，由于镁合金的传热较快，冷却速度大，气泡溢出和上浮时间短，于是残留在焊缝中 形成缺陷；
[0006] (2)激光焊焊接速度快，效率高，但由于其匙特性导致在焊接过程中还可能生成工 艺类气孔，由于其冷却速度较快，熔池范围小，气泡难以溢出。
[0007] 目前超声辅助焊接主要集中于在母材上施加超声振动，用以细化晶粒（如专利 200410009170.2);另外一方面的应用则是与电弧进行耦合，使电弧收缩，达到加大熔深的 目的（如专利200710144659.4)。但这两种应用对气孔作用较弱，不能明显消除镁合金TIG焊 尤其是激光-TIG复合焊的气孔。
【发明内容】
[0008] 本发明为了解决上述存在的问题，而提出了一种消除镁合金焊接气孔的方法一超 声辅助激光与超声辅助TIG复合焊接方法。
[0009] 本发明旨在焊接镁合金薄板（S8mm)，采用超声辅助激光与TIG复合焊接的方法， 即在焊接时，同时将激光头、TIG焊枪与超声进行复合，并进行单层焊接得到符合要求的焊 缝，其示意图如图1所示。在对接无间隙的两镁合金薄板上进行焊接，激光束及TIG焊枪位于 两平板接缝处，为避免镁合金反射激光，将激光进行一定角度倾斜(5°~15°)。通过超声换 能器将超声电源输出的电信号转换成机械振动，最后通过超声变幅杆分别传递给激光工作 头与TIG焊枪，从而实现对激光和电弧的振动。变幅杆振动模式为纵振，由图1可知激光振动 方向垂直焊接方向而电弧振动方向平行于焊接方向。钨极顶端相对激光束焦点位置保持不 变，电弧与激光垂直于焊接方向横向振动，激光的振动使匙孔开口扩大，减少匙孔坍塌型气 孔的产生，电弧位于后方加热及振动，使得熔池冷却速度减小并对熔池进行搅拌，促进气孔 破碎及溢出，通过激光及焊枪的移动或工件的移动皆可完成焊接。
[0010] 本发明的一种消除镁合金焊接气孔的方法，它是按照以下步骤进行的：
[0011] 步骤一:将待焊接工件的待焊接部位两侧表面进行打磨或清洗；
[0012] 步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，将激光头与TIG焊枪 采用夹具分别固定，并与超声变幅杆连接；
[0013] 步骤三:设置工艺参数:离焦量为-3~+3mm，激光功率为3000~5000W，电弧电流为 50~100A，激光电弧间距为3~6mm，焊接速度为1~3m/min;
[0014] 辅助激光超声振动频率为10kHz~1MHz，振动幅度为Ιμπι~20μπι;
[0015] 辅助TIG超声振动频率为10kHz~1MHz，振动幅度为Ιμπι~20μπι;保护气采用Ar气， 流量为20~40L/min;
[0016] 步骤四：在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先TIG电 弧起弧，然后电弧稳定1~2S后激光器控制发出激光，然后施加超声振动，最后控制机器人 使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。
[0017] 本发明相比于传统镁合金焊接主要有以下几点优势：
[0018] 1、相比于传统电弧焊等，显著提高效率，大幅度提高焊接速度，超声辅助电弧焊焊 接速度一般小于lm/min，本发明的焊接速度可达到3m/min，降低了生产成本。减少热输入， 且由于超声振动的加入，可以防止更多的气孔在焊缝内聚集并长大；
[0019] 2、相比于单激光焊接，通过超声TIG的辅助，延长熔池冷却时间，振动并搅拌熔池 促进气泡溢出，从而抑制气孔缺陷，提高了焊缝的力学性能，其抗拉强度可提高20%以上， 达到母材抗拉强度的80%以上。
[0020] 3、相比于超声辅助电弧焊，可有效提高焊接效率并消除气孔。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明超声TIG辅助激光焊接主视图的示意图；
[0022] 图2为本发明超声TIG辅助激光焊接俯视图的示意图；
[0023]图3为实施例1的焊缝正面宏观电镜图；
[0024] 图4为实施例1的焊缝纵剖图电镜图；
[0025] 图5为实施例2的焊缝正面宏观电镜图；
[0026] 图6为实施例2的焊缝纵剖图电镜图；
[0027] 图7为实施例3的焊缝正面宏观电镜图；
[0028] 图8为实施例3的焊缝纵剖图电镜图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0029] 一:本实施方式的一种消除镁合金焊接气孔的方法，它是按照以下 步骤进行的：
[0030] 步骤一:将待焊接工件的待焊接部位两侧表面进行打磨或清洗；
[0031] 步骤二:将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，将激光头与TIG焊枪 采用夹具分别固定，并与超声变幅杆连接；
[0032] 步骤三:设置工艺参数:离焦量为-3~+3mm，激光功率为3000~5000W，电弧电流为 50~100A，激光电弧间距为3~6mm，焊接速度为1~3m/min，辅助激光超声振动频率为10kHz ~1MHz，振动幅度为Ιμπι~20μηι;
[0033] 辅助TIG超声振动频率为10kHz~1MHz，振动幅度为Ιμπι~20μπι;保护气采用Ar气， 流量为20~40L/min;
[0034] 步骤四：在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先TIG电 弧起弧，然后电弧稳定1~2s后激光器控制发出激光，然后施加超声振动，最后控制机器人 使得激光工作头和TIG焊枪共同运动完成焊接过程。
【具体实施方式】 [0035] 二:本实施方式与一不同的是:激光焊接的激光器为 C02气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或光纤激光器。其它与一相 同。
[0036]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤三中的工艺参数： 离焦量为-3~+ 3mm，激光功率为3500~5000W，电弧电流为70~100A，激光电弧间距为3~ 5mm，焊接速度为1~3m/min，辅助激光超声振动频率为10kHz~1MHz，振动幅度为5μηι~20μ m；
[0037] 辅助TIG超声振动频率为10kHz~1MHz，振动幅度为5μπι~20μπι;保护气采用Ar气， 流量为20~40L/min。
[0038] 其它与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0039] 四：本实施方式与一不同的是:步骤三中的工艺参数： 离焦量为-3~+ 3mm，激光功率为4000~5000W，电弧电流为80~100A，激光电弧间距为3~ 5mm，焊接速度为1~2m/min，辅助激光超声振动频率为10 kHz~1MHz，振动幅度为ΙΟμπι~20μ m；
[0040] 辅助TIG超声振动频率为10kHz~1MHz，振动幅度为ΙΟμπι~20μπι;保护气采用Ar气， 流量为20~40L/min。
[0041] 其它与【具体实施方式】一相同。
[0042]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤三中的工艺参数： 离焦量为-3~+ 3mm，激光功率为4500~5000W，电弧电流为90~100A，激光电弧间距为3~ 4mm，焊接速度为1~2m/min，辅助激光超声振动频率为10 kHz~1MHz，振动幅度为15μηι~20μ m；
[0043] 辅助TIG超声振动频率为10kHz~1MHz，振动幅度为15μπι~20μπι;保护气采用Ar气， 流量为20~40L/min。
[0044] 其它与【具体实施方式】一相同。
【具体实