一种减少窄间隙激光填丝焊气孔缺陷的方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接方法，尤其涉及一种减少窄间隙激光填丝焊气孔缺陷的方法。

背景技术

激光焊属于高能束焊，利用高能量密度热源对材料进行焊接的一项加工技术，其具有高效、高精度的焊接优势，可适用材料范围广，在装备结构轻量化制造中成为不可或缺的技术之一，这项新型技术成为各国制造业关注的热点之一。激光焊是薄板焊接最佳的焊接方法之一，今年来随着光谱技术的进步及设备峰值激光功率的提高，激光技术也开始被用于厚板窄间隙的焊接，从激光焊接领域发展起来的窄间隙激光填丝焊技术受到行业内的广泛关注。窄间隙焊及激光焊是本世纪两种最适合于焊接厚板结构的方法，在欧美及日本技术较为成熟，工业应用也较完备。

窄间隙激光填丝焊技术具有热输入低、坡口尺寸小、填充金属耗材少、焊接效率高等突出优点，可广泛应用在核电工程、装备制造、航空航天、石油运输、大型海洋平台等厚板结构焊接制造中。填充焊丝的加入可以添加合金元素来调控焊缝的成分与组织，从而提高接头的综合性能，同时改善了纯激光焊接对坡口间隙的适应性和容错性，减小了接头热影响区和焊接应力变形。但是，激光焊接过程也变得更为复杂，窄间隙激光填丝焊接常见问题主要是焊接缺陷和热变形，其中焊接缺陷以气孔和未熔合缺陷较为突出。国内外相关学者针对这些问题做了大量的研究工作，认为气孔成因复杂，主要是焊接熔透不完全以及凝固速度过快。研究发现为减少气孔的产生可增大光斑直径，但增大光斑也无法完全消除气孔，尤其是气孔敏感材料，问题更难解决。而磁场辅助激光焊接技术是近年来被提出的一种新的思路，其应用和发展前景非常广阔。磁场在激光焊接中的作用主要可分为两个方面，一是磁场通过控制高能高密度的光致等离子，提高激光利用率，增大焊接熔深；二是磁场通过改变熔池中液态金属的传热和传质机制，改善焊缝成形，提高焊接质量。但是，对于窄间隙的激光填丝大厚板的焊接，在焊接过程中施加常规的恒定磁场并不能有效解决气孔等缺陷。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种简便、有效的减少窄间隙激光填丝焊气孔缺陷的方法。

技术方案：本发明所述的减少铝合金窄间隙激光填丝焊气孔缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将待焊的母材试板经清洗、打磨后固定；

(2)在焊接机器人上设置离焦量及焊接速度；

(3)将可调式磁场装置与焊接机器人固定，并使得可调式磁场装置位于待焊工件上方；调整焊丝端部离试板底部的距离，控制光丝间距；

(4)设置激光器的功率及送丝速度，在激光器作用于待焊工件时，向待焊工件同时施加交变磁场，所述施加的交变磁场的频率为10～50Hz；对待焊工件进行焊接。

其中，步骤(4)中，所述施加的交变磁场的磁感应强度为20～180mT。

其中，步骤(4)中，所述激光器施加的功率为2～6kW。

其中，步骤(4)中，所述送丝速度为2～3m/min。

其中，步骤(3)中，所述光丝间距为0.5～3mm。

其中，步骤(3)中，所述焊丝端部离试板底部的距离为1～3mm。

其中，步骤(2)中，所述焊接速度0.2～1.5m/min。

其中，步骤(2)中，所述离焦量为正离焦；所述离焦量为0～5mm。

其中，步骤(3)中，所加载的交变磁场的磁头距待焊工件表面高度为5～12mm。

其中，步骤(4)中，在激光器和可调式磁场装置工作之前，对待焊工件距正反面坡口边缘10～20mm的区域进行清理。

有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、本发明对铝合金激光填丝焊焊接过程中施加辅助磁场作用，经交变磁场作用下的焊缝熔池液面波动小，焊缝成型美观，熔滴过渡为“铺展过渡”，窄间隙激光填丝焊气孔缺陷减少，简便、有效；2、附加磁场对熔池具有一定搅拌作用使熔池流动更加稳定；3、通过探伤检测，与未加磁场时的焊缝局部区域出现密集型气孔和侧壁未熔合缺陷相比下，施加交变磁场时的焊缝未发现焊接缺陷。

附图说明

图1为实施例1和对比例1有无磁场辅助窄间隙激光填丝焊焊缝射线探伤结果对比图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种基于交变磁场作用下减少窄间隙激光填丝焊气孔缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将可调式磁场设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)利用数字特斯拉计测量焊丝端部的磁场强度，强度为20mT，频率为10HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

对比例1

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min的激光焊接工艺参数。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝端部离焊缝端部外2mm处，无附加磁场，磁场强度为0mT，频率为0HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

图1中的(a)为实施例1的窄间隙激光填丝焊焊缝射线探伤结果，图1中的(b)为对比例1的窄间隙激光填丝焊焊缝射线探伤结果，由图1中的(a)、(b)可以看出，未施加交变磁场的焊缝存在气孔以及未熔合等缺陷，在施加交变磁场后，有效地消除了气孔及未熔合缺陷。通过对实施1和对比例1进行焊缝横截貌对比分析发现，对比例1在无磁场辅助作用下，尽管焊缝成形均匀对称，但是焊缝根部两侧出现了严重的侧壁未熔合问题，且有气孔。实施例1在附加磁场作用下所获得的坡口内填充焊缝均未出现侧壁未熔合的焊接缺陷，且气孔较少。表1给出了实施例1和对比例1的力学性能及焊缝成形情况。

表1

实施例2

一种基于交变磁场作用下减少窄间隙激光填丝焊气孔缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)利用数字特斯拉计测量焊丝端部的磁场强度，强度为50mT，频率为20HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

对比例2

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝端部离焊缝端部外2mm处，无附加磁场，磁场强度为0mT，频率为0HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

通过对实施例2和对比例2进行焊缝横截貌对比分析发现，当磁感应强度为50mT时，焊缝成型良好，组织成分对称，填充金属均匀铺展，无明显焊接缺陷，与不施加磁场辅助的焊接接头形成明显对比，改善了激光填丝焊的气孔难以溢出和侧壁未熔合的技术难题，扩展了激光焊接的应用。磁场强度从20mT增加到50mT的区间内，焊缝的熔宽呈现减小的趋势，而熔深不断增加。表2给出了实施例2和对比例2的力学性能及焊缝成形情况。

表2

实施例3

一种基于交变磁场作用下减少铝合金激光填丝焊气孔缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)利用数字特斯拉计测量焊丝端部的磁场强度，强度为80mT，频率为25HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

对比例3

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝端部离焊缝端部外2mm处，无附加磁场，磁场强度为0mT，频率为0HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

通过对实施例3和对比例3进行焊缝横截貌对比分析发现，当磁感应强度为80mT时，焊缝成型最佳，组织成分均匀对称，填充金属铺展饱满，无焊接缺陷，与不施加磁场辅助的焊接接头形成鲜明对比，改善了激光填丝焊的气孔难以溢出和侧壁未熔合的技术难题，与该激光焊接工艺参数匹配较好，扩展了激光焊接的应用。磁场强度从50mT增加到80mT的区间内，焊接接头的伸宽比增加，熔宽逐渐减小，熔深有所增加，增加激光填丝焊的焊接效率。表3给出了实施例3和对比例3的力学性能及焊缝成形情况。

表3

实施例4

一种基于交变磁场作用下减少铝合金激光填丝焊气孔缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)利用数字特斯拉计测量焊丝端部的磁场强度，强度为110mT，频率为35HZ。

步骤五，所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

对比例4

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝端部离焊缝端部外2mm处，无附加磁场，磁场强度为0mT，频率为0HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

通过对实施例4和对比例4进行焊缝横截貌对比分析发现，当磁感应强度为110mT时，焊缝成型最佳，组织成分均匀对称，填充金属铺展饱满，无焊接缺陷，与不施加磁场辅助的焊接接头形成鲜明对比，改善了激光填丝焊的气孔难以溢出和侧壁未熔合的技术难题，与该激光焊接工艺参数匹配较好，扩展了激光焊接的应用。磁场强度从80mT增加到110mT的区间内，焊接接头的伸宽比增加，熔宽逐渐减小，熔深有所增加，增加激光填丝焊的焊接效率。表4给出了实施例4和对比例4的力学性能及焊缝成形情况。

表4

实施例5

一种基于交变磁场作用下减少铝合金激光填丝焊气孔缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)利用数字特斯拉计测量焊丝端部的磁场强度，强度为140mT，频率为40HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

对比例5

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝端部离焊缝端部外2mm处，无附加磁场，磁场强度为0mT，频率为0HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

通过对实施例5和对比例5进行焊缝横截貌对比分析发现，当磁感应强度为140mT时，焊缝成型最佳，组织成分均匀对称，填充金属铺展饱满，无焊接缺陷，与不施加磁场辅助的焊接接头形成鲜明对比，改善了激光填丝焊的气孔难以溢出和侧壁未熔合的技术难题，与该激光焊接工艺参数匹配较好，扩展了激光焊接的应用。磁场强度从110mT增加到140mT的区间内，焊接接头的伸宽比增加，熔宽逐渐减小，熔深有所增加，增加激光填丝焊的焊接效率。表5给出了实施例5和对比例5的力学性能及焊缝成形情况。

表5

实施例6

一种基于交变磁场作用下消除铝合金激光填丝焊气孔缺陷的方法，包括以下步骤：

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)利用数字特斯拉计测量焊丝端部的磁场强度，强度为180mT，频率为50HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

对比例6

(1)将待焊的母材试板置于清洗溶液中，清洗时间为10min，清洗完成后将试板取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至试板表面出现明亮的金属色泽。

(2)将清洗打磨好的试板置于特定夹具中，通过对焊接机器人控制面板进行操控，调节离焦量为+5mm，设置好焊枪的移动轨迹，确定起焊点与止焊点，焊接速度0.5m/min。

(3)在待焊工件上方加载可调式磁场设备，并将该设备与焊接机构固定，使得焊接过程中，磁场辅助设备保持与激光器联动，通过调整交变磁场频率，控制磁场强度。焊丝端部离试板底部距离为2mm，控制光丝间距为1.5mm，确保焊丝伸长量为15mm。

(4)示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝端部离焊缝端部外2mm处，无附加磁场，磁场强度为0mT，频率为0HZ。

(5)所有相关仪器设备检查无误后，于电脑终端输入激光功率为3500W、送丝速度为2.5m/min，对待焊工件进行焊接。

通过对实施例6和对比例6进行焊缝横截貌对比分析发现，实施例6在附加磁场作用下所获得的坡口内填充焊缝均未出现侧壁未熔合、气孔等焊接缺陷，说明施加磁场辅助技术可以有效改善铝合金激光填丝焊的侧壁未熔合、气孔等焊接问题。当磁感应强度为180mT时，当磁感应强度增加至180mT时，坡口内部激光作用发生侧偏，焊缝上表面成型情况不利于下一道焊丝的填充铺展，分析认为，只是由于当磁感应强度过高时，导致激光小孔产生倾斜，偏离焊缝中心。表6给出了实施例6和对比例6的力学性能及焊缝成形情况。

表6

由于商业化的铝合金牌号较多，本发明仅选取6061-T6铝合金作为研究对象，对本发明的效果进行验证。

从上面的实施例和对比例对比可以看出，在相同的激光焊接工艺参数下，加载交变磁场辅助焊接的铝合金焊缝，可有效改善焊接接头侧壁未熔合、气孔等问题的产生，进一步扩展了激光填丝焊的应用范围，扩大了铝合金的焊接最佳工艺参数范围，从而综合力学性能有效提升。

在加载交变磁场辅助作用下焊接的焊缝形貌明显优于未加磁场辅助下的焊缝形貌，焊缝成型更加美观。

综合以上各实施例和对比例的分析可见：交变磁场的辅助作用可明显消除铝合金激光填丝焊侧壁存在的未熔合缺陷，附加磁场对熔池具有一定搅拌作用使熔池流动更加稳定，焊缝成型美观，熔滴过渡为“铺展过渡”。通过探伤检测，与未加磁场时的焊缝局部区域出现密集型气孔和侧壁未熔合缺陷相比下，加磁场时的焊缝未发现任何缺陷。从而提高焊接接头的综合力学性能，保障了激光焊接过程中的稳定性及高效性，进一步扩展了激光焊的应用领域。