专利名称：一种激光填丝焊接连接2xxx与7xxx异种铝合金的方法
技术领域：
本发明是一种通过填充焊丝连接2XXX和7XXX系列异种铝合金的激光焊接方法， 适用于2XXX和7XXX系列异种铝合金的连接领域。
背景技术：
交通运输工具的制造一方面要考虑对性能的要求，另一方面要考虑制造及使用过程对经济性的要求。为达到上述目的，需要在保证交通工具性能的条件下不断减轻自身重量。2XXX和7XXX铝合金是两种可热处理高强铝合金，以其低密度、高比强度等特点广泛应用于航空航天领域，也是现代高速列车、轻型汽车和轿车等的替代材料。由于两种铝合金的广泛应用，不可避免的出现二者之间的连接问题。传统上航空铝合金的连接方法主要是铆接，这样增加了结构的重量。2XXX和7XXX系列异种铝合金的连接主要采用粘接，但是粘接的强度较低。焊接是解决这个问题的首选方法。传统焊接方法对于焊接铝合金有着极大的局限性。电弧焊方法由于热输入量较大，2XXX和7XXX两种铝合金焊接过程中焊缝及热影响区都会出现严重软化现象，往往认为 2XXX系列铝合金使用传统电弧焊可焊性不高，7XXX系列铝合金则不被推荐采用电弧焊。搅拌摩擦焊在对2XXX、6XXX、7XXX系列铝合金及各种铝合金之间的焊接都获得了较好的焊接效果，但是存在搅拌区软化、顶锻压力大、装卡要求高、难以进行三维柔性加工以及焊接速度慢等缺点而限制了其在很多方面的应用。真空电子束焊获得的焊缝质量虽然较电弧焊强度大幅度提高，但由于真空电子束焊成本高、耗时及真空室空间有限等原因，难以得到广泛应用。激光焊接技术与传统焊接技术相比优势在于，焊接热输入量可控、热影响区小、焊接速度快、焊接效率高、焊接变形小、光束的可达性好，是其他传统热源不能比拟的。激光深熔焊接过程中由于深熔小孔的存在使得激光焊接能量密度高、加热冷却速度快、能获得较窄的焊缝，使其成为一种适合铝合金焊接的方法。且激光焊接能进行复杂的柔性三维加工， 易于实现自动化，具有广泛的商业应用前景。在焊接过程中添加填充焊丝不仅起到稳定焊接过程的作用，还在待焊材料之间起到很好的桥联作用，有利于异种金属之间的连接，而且可以通过调整焊丝成分有效的控制焊接接头的成分、抑制热裂纹的产生、提高焊接接头的性能。这些技术特点为2XXX及7XXX系列异种铝合金之间的连接提供了可能。在激光深熔焊接过程中，激光功率密度超过材料深熔阈值产生深熔小孔，将有利于材料对激光的吸收，然而小孔并非一直稳定存在，它将在等离子体等因素作用下产生不稳定现象从而导致焊接过程失稳，造成焊缝成形的恶化。激光焊接铝合金时，由于Al的蒸发压力较高，因此铝合金激光焊接过程普遍存在不稳定的现象。而且由于氢气在液态铝合金和固态铝合金中溶解度的较大差异，在铝合金焊缝中容易形成氢气孔。焊接过程不稳定和气孔是铝合金焊接的共性问题。2XXX系列合金激光焊接除具有铝合金焊接的特点外，还需要解决热裂纹和焊缝软化问题；而7XXX系列铝合金由于合金中存在着低沸点的Mg、Zn 等蒸发性元素，激光焊接时将导致小孔的不稳定、焊缝软化，使焊接质量下降。因而2XXX及7XXX系列异种铝合金的连接具有很大的难度。在激光焊接过程中添加填充焊丝将会降低激光与材料相互作用区的温度、降低焊接过程的不稳定性，还可以调整焊缝金属的成分，改善热裂倾向，提高焊缝强度。本发明将利用激光填丝焊接方法稳定焊接过程，解决2XXX及7XXX高强铝合金激光焊接过程中的热裂和气孔等问题，再通过调节光丝间距、送丝速度、光束偏移量等焊接参数，进一步稳定焊接过程，从而实现2XXX及7XXX系列异种铝合金的激光填丝焊接连接。
发明内容
为了解决上述2XXX及7XXX异种铝合金焊接中存在的问题，本发明提供了一种实现2XXX及7XXX异种铝合金的激光填丝焊接连接方法。该方法采用千瓦级激光器作为热源， 在激光焊接过程中添加焊丝为连接金属，一方面降低激光与材料相互作用区的温度来稳定焊接过程。另一方面通过调节光丝间距、送丝速度、光束偏移量等焊接参数，进一步稳定焊接过程，不仅实现了两种铝合金之间的连接，解决了热裂和气孔问题，焊缝强度也达到了较高的水平。本发明的技术方案参见图1-3，激光填丝连接2XXX及7XXX系列异种铝合金的方法，其特征在于首先将待焊材料表面清洗，然后将待焊的两种铝合金板装配成图中的对接接头，(激光焊接时对对接接头的要求较高。要求待焊端面平直，对接接头两个待焊端面之间的缝隙小于激光焦点处直径的30%。)其中激光束3、送丝喷嘴5与保护气喷嘴4固定在同一平面内，送丝喷嘴5与保护气喷嘴4分别位于激光束3的两侧，激光束3以入射角(激光束3与垂直方向的夹角即为入射角度12，在0-15°之间)入射至钢板表面，铝合金焊丝与母材20 1表面之间的夹角(即送丝角度10)在45-60°之间，保护气喷嘴与母材7075 2表面之间的夹角(即保护气角度11)在45-55°之间；铝合金焊丝落丝点与激光焦点的间距即为光丝间距13，焊接时保证激光焦点与铝合金焊丝的落丝点以及保护气体的送入点一致，即光丝间距为0 ；激光焦点到对接铝合金焊缝的垂直距离为激光偏移量14 (偏移量一般在0. 2-0. 7mm之间)，为了保证2XXX和7XXX系列异种铝合金焊接过程的稳定性，一般使激光束的焦点位于2XXX铝合金板1上。除保证上述参数外在焊接的过程中还需调节激光功率、焊接速度和送丝速度来准确控制焊接热输入量，实现2XXX系列和7XXX系列异种铝合金的连接。激光焊接过程中，激光3同时作用在填充焊丝和待焊铝合金板(1和2~)上，由于激光较高的能量密度，在激光与材料的交互作用区内焊丝熔化，铝合金板熔化并出现焊接等离子体7、深熔小孔，发生了大量的物理、化学变化，随着激光的运动，新的深熔小孔不断地、 稳定地形成，熔化的焊丝不断的填充进入熔池，而离开激光束的液态熔池温度不断降低，凝固形成焊缝6。如此过程不断进行实现材料之间的冶金结合。焊接过程需保证铝合金焊丝的送入方向与焊接方向9相反，焊接过程采用氦气做保护气体。所述的异种铝合金激光填丝连接方法中，激光光源可以为C02、Nd:YAG、半导体或者光纤激光的任意一种，光束的横截面分布需是高斯分布，且光束质量较好的激光器。送入焊接区的焊丝应为AlSi或者AlCu焊丝，直径在0.8-1. 2mm之间。两种待焊的铝合金板分别为2XXX系列和7XXX系列铝合金。本发明的基本原理是
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在焊接时将两种铝合金板装配成对接形式，通过调节激光焦点、铝合金焊丝落丝点与两种铝合金板的对接缝之间的位置关系，使激光束、焊丝和被焊铝合金板三者在合理的相对位置上，再采用合理的焊接参数如激光功率、焊接速度和送丝速度等，使熔化的AlSi 或者AlCu填充焊丝和铝合金板形成过渡性良好的联接接头。激光填丝焊接连接2XXX系列和7XXX系列异种铝合金时，首先将待焊材料表面清洗，装配成对接接头，其中激光束3、送丝喷嘴5与保护气喷嘴4固定在同一平面内，送丝喷嘴5与保护气喷嘴4分别位于激光束3的两侧，入射角12在0-15°之间，激光束3以一定的入射角12入射至待焊材料表面(1和幻，送丝角度10在45-60°之间，保护气角度11为 45-55°之间。上述条件是激光添丝焊接的基本条件。为了保证激光焊接2XXX和7XXX系列异种铝合金过程的稳定性，需要保证光丝间距13为0 ；激光束的焦点位于2XXX铝合金板上1上，激光偏移量14在0. 2-0. 7mm之间。激光焊接过程中，激光3同时作用在填充焊丝和待焊铝合金板(1和2)上，由于激光较高的能量密度，在交互作用区内焊丝熔化，铝合金板熔化并出现焊接等离子体7、深熔小孔，发生了大量的物理、化学变化，随着激光的运动，深熔小孔不断地、稳定地形成，熔化的焊丝不断的填充进入熔池，而离开激光束的液态熔池温度不断降低，凝固成焊缝6。激光焊接2XXX和7XXX系列异种铝合金时，需要使光丝间距为0mm。因为这时焊丝与熔池的接触位置恰为激光束作用点，熔化的焊丝-熔滴将会在激光与材料的相互作用区内在各种力的作用下，与熔池间发生平稳的接触过渡。焊接过程中熔池基本保持稳定，能够获得均勻的焊缝成形。光丝间距较大时，由于激光的大部分能量作用在母材金属上，使母材上能量过高增加了焊接过程的不稳定性，提高了焊接过程中形成凹坑等缺陷的几率。为了保证焊接过程的稳定性，激光焊接2XXX和7XXX系列异种铝合金时，一般使激光束的焦点不是位于焊缝的中心处，而是位于2XXX铝合金板上，与焊缝中心的距离即偏移量一般在0. 2-0. 7之间。因为激光焊接2XXX系列合金的主要问题是热裂纹和气孔，焊接过程比较稳定，为了稳定焊接过程激光焦点的位置偏移在2XXX系列合金上。如果偏移量过大，焊缝金属的凝固中心严重偏离焊缝中心，凝固金属不能覆盖7XXX系列的端口，造成焊缝质量下降。如果激光束的焦点位于焊缝的中心处或者向7XXX系列偏移，7XXX系列铝合金激光焊接过程的不稳定性将影响2XXX和7XXX系列异种铝合金的连接质量。除上述参数外在焊接的过程中还需调节激光功率、焊接速度和送丝速度来准确控制焊接热输入量，实现2XXX系列和7XXX系列异种铝合金的连接。焊接过程中采用的工作气体是氦气，工作气体的送进方向与焊接方向一致。激光添丝的焊接过程是一个熔化焊过程，焊缝经历了熔化、快速凝固的过程，造成了焊缝中组织与强化相发生变化，在高温作用下部分易蒸发金属元素损失，焊接热影响区在热作用下组织及强化相也会发生变化，造成了焊缝性能与母材之间出现差别。在焊接的过程中添加Al-Si和Al-Cu焊丝，不仅可以向焊缝中补充损失的易蒸发元素，也可以生成强化相如θ (Al2Cu)相、Mg2S相等，从而改善焊接接头的机械性能。
图1为激光填丝焊接连接2XXX及7XXX异种铝合金实验示意图
图2为激光填丝焊接连接2XXX及7XXX异种铝合金截面图
图3激光偏移量示意4为激光填丝焊接连接2XXX及7XXX异种铝合金焊缝形貌(a)和横截面(b)图5为填充2319焊丝焊缝拉伸曲线图6为填充4043焊丝焊缝拉伸曲线图7为填充2319及4043焊丝焊缝断裂特征图8为填充2319焊丝的焊缝断口形貌图9为填充4043焊丝的焊缝断口形貌图中，1-2XXX母材；2-7XXX母材；3_激光束；4_保护气喷嘴；5_送丝嘴；6_焊缝； 7-焊接等离子体；8-焊接方向；9-焊接小孔；10-送丝角；11-保护气角度；12-入射角； 13-光丝间距；14-激光偏移量；
具体实施例方式方式1:使用直径为1. 2mm的AlCu焊丝(焊丝牌号为2319)作为填充材料焊接连接20M 和7075异种铝合金时，首先将待焊材料20M和7075表面清洗，装配成图1的对接接头，其中激光束3、送丝喷嘴5与保护气喷嘴4固定在同一平面内，送丝喷嘴5与保护气喷嘴4分别位于激光束3的两侧(送丝角和保护气体角度分别为45°和55° )，激光束3以入射角 12(10° )入射至待焊材料表面(1和幻，光丝间距13为0，激光束的焦点位于2XXX铝合金板上1上，激光偏移量14在0. 5mm,激光焊接的参数为激光功率3500W，焊接速度4m/min，送丝速度3. 5m/min，在上述条件下进行激光添丝焊接。获得的焊缝和横截面图为图4。方式2 使用直径为1. 2mm的AlCu焊丝(焊丝牌号为2319)作为填充材料焊接连接20M 和7075异种铝合金时，首先将待焊材料20M和7075表面清洗，装配成图1的对接接头，其中激光束3、送丝喷嘴5与保护气喷嘴4固定在同一平面内，送丝喷嘴5与保护气喷嘴4分别位于激光束3的两侧(送丝角和保护气体角度分别为45°和55° )，激光束3以入射角 12(10° )入射至待焊材料表面(1和幻，光丝间距13为0，激光束的焦点位于2XXX铝合金板上1上，激光偏移量14在0. 5mm,激光焊接的参数为激光功率3500W，焊接速度4m/min，送丝速度3. 5m/min，在上述条件下进行激光添丝焊接。把上述焊件加工成拉伸试样，采用2319焊丝的焊缝平均抗拉强度339. 5MPa，采用 4043焊丝的焊缝平均抗拉强度为308. 6。采用2319与4043焊丝焊缝的拉伸曲线图非常相似，图5和6分别为两种焊丝拉伸曲线图。激光焊缝狭窄，本实验中焊缝宽度不到2mm，而且热影响区也非常小，焊缝及热影响区之外的材料保持了原母材良好的强度和韧性，由于焊缝强度小于母材，所以在拉伸曲线上很难体现出焊缝部分的延伸率。两组断口位置具有较大的差别，采用2319焊丝的焊缝俯视图(图7a)显示焊缝断口整齐，从焊缝截面图(图7b)看上半部断裂发生在熔合区或热影响区附近，基本位于丁字形焊缝接头头部，焊缝中下部断裂发生在焊缝中心，这样的断裂贯穿整个焊缝断口。采用 4043焊丝的焊缝从俯视图(图7ac)看断裂位置极不规则，焊缝截面图(图7d)中断裂斜穿整个焊缝截面，焊缝各部分断裂差异明显，部分地区断裂发生于熔合线处形成类似采用 2319焊丝的焊缝断口。
图8为填充2319焊丝焊缝拉伸断口形貌图，部分地区分布着具有明显韧性断裂特征的韧窝，部分地区分布可以看见在解理断裂模式下产生的山脊状断口，因此这是一种韧性断裂与解理断裂模式混合存在的断口。填充4043焊丝焊缝拉伸断口形貌如图9所示，断口分布着大小较为均勻的韧窝， 是一种韧性断裂形成的断口。
权利要求
1.一种激光填丝连接2XXX及7XXX系列异种铝合金的方法，其特征在于待焊材料表面清洗后，首先将待焊的两种铝合金板装配成对接接头；其中激光束、送丝喷嘴与保护气喷嘴固定在同一平面内，送丝喷嘴与保护气喷嘴分别位于激光束的两侧，激光束入射至钢板表面，入射角即为激光束与竖直方向的夹角，在0-15°之间；铝合金焊丝与母材表面之间的夹角即为送丝角度，在45-60°之间；保护气喷嘴与母材表面之间的夹角即为保护气角度，在45-55°之间；铝合金焊丝落丝点与激光焦点的间距即为光丝间距，焊接时保证激光焦点与铝合金焊丝的落丝点以及保护气体的送入点一致，即光丝间距为0 ；激光焦点到对接铝合金焊缝的垂直距离为激光偏移量在0. 2-0. 7mm之间；激光束的焦点位于2XXX铝合金板1上；在焊接的过程中还需调节激光功率的范围为3. 0-3. 5kW，焊接速度的范围为 3. 0-5. Om/min，送丝速度的范围为2. 5-4. Om/min ；焊接过程需保证铝合金焊丝的送入方向与焊接方向相反，焊接过程采用氦气做保护气体；送入焊接区的焊丝为AlSi或者AlCu焊丝，直径在0. 8-1. 2mm之间。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于激光光源为C02、Nd:YAG或者光纤激光的任意一种。
全文摘要
一种激光填丝焊接连接2XXX与7XXX异种铝合金的方法，适用于2XXX和7XXX系列异种铝合金的连接领域。本发明首先将待焊的两种铝合金板装配成对接形式，通过调节激光焦点、铝合金焊丝落丝点与两种铝合金板的对接缝之间的位置关系，使激光束、焊丝和被焊铝合金板三者在合理的相对位置上，再采用合理的焊接参数如激光功率、焊接速度和送丝速度等，在焊接过程中使用AlCu或者AlSi焊丝作为填充材料，以调整焊缝的成分，提高接头的性能。本发明解决了2XXX及7XXX系列异种铝合金的连接难，熔化焊时焊缝软化，有热裂倾向的问题。
文档编号B23K26/32GK102357734SQ201110282638
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者张冬云, 李志波, 高双欣 申请人:北京工业大学