一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法

技术领域

本发明涉及增材制造及焊接技术领域，尤其涉及一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法。

背景技术

铝合金由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能优异等特点，在航空航天领域得到了广泛的应用。区别于传统的铸造或锻造等方式成形后再“减材”的加工方法，激光选区熔化增材制造技术具有“材料”和“结构”同时成形的技术特点。此外在结构成形方面，具有可以实现传统加工方法无法实现的特殊复杂结构成形的技术优势，如轻质点阵夹芯结构、空间曲面多孔结构、复杂型腔流道结构等。

由于激光选区熔化增材制造技术具有特殊复杂构件高效率、低成本、批量化制造的技术优势，在航空航天领域得到越来越多的关注及研究应用。

虽然激光选区熔化增材制造技术具有复杂结构一体化成形的技术特点，但在某些应用场合下仍面临结构件的焊接连接需求。因此，在激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件在航空航天领域得到越来越广泛应用背景下，如何实现激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件后续的高质量连接，成为一个亟需解决的问题。

国外针对激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接，焊接接头内部存在严重的气孔缺陷问题。因此激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接问题前期未得到有效解决。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法，用以解决现有激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件焊接时，焊接接头内部存在严重的气孔缺陷的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法，包括以下步骤：

步骤1、将待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件在焊前进行退火热处理；退火温度为270℃-300℃，退火时间为1.5h-2.5h；

步骤2、将待焊接头以对接的形式进行装配；

待焊接头的厚度δ为2mm~4mm；当待焊接头采用锁底对接时，锁底宽度为3mm-5mm；装配间隙≤0.1mm，装配阶差≤0.15δ；

步骤3、对待焊接头进行定位焊；

当对待焊接接头进行定位焊时，焊接方式采用激光摆动焊接；激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接；

定位焊时的焊接工艺参数为：激光光源的摆动幅度为2mm-3mm，摆动频率为300Hz-350Hz；激光束入射角度为80°-85°，激光功率为3000W-5500W，焊接速度为1500～1800mm/min，光斑直径为0.2～0.3mm，离焦量为+5mm；

步骤4、定位焊后，对待焊接头进行正式焊接；

当对待焊接接头进行正式焊接时，焊接方式采用激光摆动焊接；激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接；

正式焊接时，摆动幅度为2mm-3mm，摆动频率为300Hz-350 Hz，激光束入射角度为80°-85°，激光功率为3000W-5500W，焊接速度为1500～1800mm/min，为光斑直径0.2～0.3mm以及离焦量为+5mm。

进一步地，在步骤1中，进行退火热处理后，对待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件进行焊前清理。

进一步地，在步骤1中，焊前清理过程包括：酸洗去除表面氧化膜，然后将待焊区域打磨至露出本体金属颜色。

进一步地，在步骤1中，焊前清理过程还包括：打磨后，用无水乙醇将激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的待焊接头擦洗干净。

进一步地，在步骤3中，定位焊时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

进一步地，在步骤4中，正式焊接时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

进一步地，在步骤3中，定位焊的焊接长度为250mm-300mm。

进一步地，在步骤4中，正式焊接后，利用X射线检测焊缝内部质量。

进一步地，在步骤2中，对接方式为锁底对接或者为直接对接。

进一步地，在步骤3和步骤4中，采用光纤激光器进行激光摆动焊接。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

（1）本发明能够实现激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形，并能获得良好的成形内部质量及表面质量。

（2）本发明能够实现激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的高质量焊接成形，该铝合金结构件能够应用于后续需装配焊接的结构，从而拓宽激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的应用范围。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1为本发明提供的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金的激光焊接摆动轨迹；

图2为本发明提供的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金的锁底对接接头形式；

图3为本发明提供的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金的直接对接接头形式；

图4为激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法，如图4所示，该焊接成形方法包括以下步骤：

步骤1、将待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件在焊前进行退火热处理；其中，退火温度为270℃-300℃，退火时间为1.5h-2.5h，以去除热应力；

在上述步骤1中，进行退火热处理后，对待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件进行焊前清理，焊前清理过程包括：酸洗去除表面氧化膜，然后将待焊区域打磨至露出本体金属颜色，保证无尖角毛刺，然后用无水乙醇将激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的待焊接头擦洗干净。

步骤2、将待焊接头以对接的形式进行装配，如图2和图3所示，对接方式为直接对接或锁底对接；

上述步骤2中，待焊接头的厚度δ为2mm~4mm；本发明将待焊接头的厚度控制在2mm-4mm范围内的目的是为了避免产生大量气孔，保证焊接接头处的焊接质量；若待焊接头的厚度大于4mm，则会致使气孔缺陷超标，从而导致无法实现有效焊接。

需要说明的是，上述步骤2中，当待焊接头的对接方式采用锁底对接时，锁底宽度为3mm-5mm；将锁底宽度控制在3mm-5mm范围内是因为锁底宽度厚度太窄，起不到定位及支撑熔池的作用，而太宽不方便装配且浪费材料。

在上述步骤2中，装配间隙≤0.1mm，装配阶差≤0.15δ。当装配阶差大于0.15δ，则无法实现有效焊接。

步骤3、对待焊接头进行定位焊，定位焊的焊接长度为250mm-300mm；

在上述步骤3中，当对待焊接接头进行定位焊时，焊接方式采用激光摆动焊接；如图1所示，激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接。

在上述步骤3中，定位焊时的焊接工艺参数为：激光光源的摆动幅度为2mm-3mm，配合摆动频率为300Hz-350Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进焊接，激光束入射角度为80°-85°，激光功率为3000W-5500W，焊接速度为1500～1800mm/min，光斑直径为0.2～0.3mm，离焦量为+5mm。

定位焊接时，严格控制摆动幅度和摆动频率在上述范围内，从而抑制焊接接头内部气孔的产生，避免焊接接头内部气孔超标的现象发生。严格控制激光束入射角度、激光功率、焊接速度、光斑直径以及离焦量在上述范围内，从而保证能够获得良好的成形内部质量及表面质量，避免出现热输入过小或过大导致的熔合不良或反透严重现象，影响焊接接头的成形质量。

需要说明的是，定位焊时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

步骤4、定位焊后，对待焊接头进行正式焊接；

在上述步骤4中，正式焊接的焊接方式及焊接工艺参数与定位焊接相同；具体为：当对待焊接接头进行正式焊接时，焊接方式采用激光摆动焊接；如图1所示，激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接。

正式焊接时，采用摆动幅度2mm-3mm、配合摆动频率300Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接，从而抑制焊接接头内部气孔的产生，避免焊接接头内部气孔超标的现象发生。同时配合激光束入射角度为80°-85°，激光功率为3000W-5500W，焊接速度为1500～1800mm/min，为光斑直径0.2～0.3mm以及离焦量为+5mm的焊接工艺参数，从而保证能够获得良好的成形内部质量及表面质量，避免出现热输入过小或过大导致的熔合不良或反透严重现象，影响焊接接头的成形质量。

需要说明的是，正式焊接时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

在上述步骤4中，采用光纤激光器进行激光焊接。

在上述步骤4中，焊接后无需进行焊后热处理；焊后焊接接头成形良好，无咬边、裂纹、未熔合等缺陷。利用X射线检测焊缝内部质量，满足QJ 20660标准中规定的1级接头要求。

与现有技术相比，本发明通过在定位焊以正式焊接时均采用激光摆动焊接，从而避免了焊接接头内的气孔超标，实现了激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件高质量焊接。

实施例1

本实施例提供了一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法，具体包括一下过程：

步骤1、将待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件在焊前进行退火热处理；其中，退火温度为270℃℃，退火时间为1.5h，以去除热应力；

在上述步骤1中，进行退火热处理后，对待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件进行焊前清理，焊前清理过程包括：酸洗去除表面氧化膜，然后将待焊区域打磨至露出本体金属颜色，保证无尖角毛刺，然后用无水乙醇将激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的待焊接头擦洗干净。

步骤2、将待焊接头以对接的形式进行装配，如图2和图3所示，对接方式为直接对接或锁底对接；其中，待焊接头的厚度δ为2mm，焊接接头的对接方式采用锁底对接时，锁底宽度为3mm，装配间隙为0.1mm，装配阶差为0.15δ。

步骤3、对待焊接头进行定位焊，定位焊的焊接长度为250mm；

定位焊时，焊接方式采用激光摆动焊接；如图1所示，激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接。

定位焊接时，采用摆动幅度2mm、配合摆动频率300Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接，从而抑制焊接接头内部气孔的产生，避免焊接接头内部气孔超标的现象发生。同时配合激光束入射角度为80°，激光功率为3000W，焊接速度为1500mm/min，光斑直径为0.2mm以及离焦量为+5mm的焊接工艺参数，从而保证能够获得良好的成形内部质量及表面质量，避免出现热输入过小或过大导致的熔合不良或反透严重现象，影响焊接接头的成形质量。

需要说明的是，定位焊时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

步骤4、定位焊后，对待焊接头进行正式焊接，正式焊接的焊接方式及焊接工艺参数与定位焊接相同；具体为：当对待焊接接头进行正式焊接时，焊接方式采用激光摆动焊接；如图1所示，激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接。

正式焊接时的焊接工艺参数为：激光光源的摆动幅度为2mm，配合摆动频率为300Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进焊接，激光束入射角度为80°，激光功率为3000W，焊接速度为1500，光斑直径为0.2mm，离焦量为+5mm。

正式焊接时，采用摆动幅度2mm-3mm、配合摆动频率300Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接，从而抑制焊接接头内部气孔的产生，避免焊接接头内部气孔超标的现象发生。同时配合激光束入射角度为80°，激光功率为3000W，焊接速度为1500mm/min，为光斑直径0.2以及离焦量为+5mm的焊接工艺参数，从而保证能够获得良好的成形内部质量及表面质量，避免出现热输入过小或过大导致的熔合不良或反透严重现象，影响焊接接头的成形质量。

需要说明的是，正式焊接时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

焊后接头成形良好，无咬边、裂纹、未熔合等缺陷。X射线检测焊缝内部质量满足QJ20660标准中规定的1级接头要求。

实施例2

本发明提供了一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法，如图4所示，该焊接成形方法包括以下步骤：

步骤1、将待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件在焊前进行退火热处理；其中，退火温度为280℃℃，退火时间为2.0h，以去除热应力；

在上述步骤1中，进行退火热处理后，对待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件进行焊前清理，焊前清理过程包括：酸洗去除表面氧化膜，然后将待焊区域打磨至露出本体金属颜色，保证无尖角毛刺，然后用无水乙醇将激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的待焊接头擦洗干净。

步骤2、将待焊接头以对接的形式进行装配，如图2和图3所示，对接方式为直接对接或锁底对接；当焊接接头的对接方式采用锁底对接时，锁底宽度为4mm。待焊接头的厚度δ为3mm，装配间隙0.09mm，装配阶差0.14δ。

步骤3、对待焊接头进行定位焊，定位焊的焊接长度为280mm；

在上述步骤3中，当对待焊接接头进行定位焊时，焊接方式采用激光摆动焊接；如图1所示，激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接。

在上述步骤3中，定位焊时的焊接工艺参数为：激光光源的摆动幅度为2.2mm，配合摆动频率为320Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进焊接，激光束入射角度为83°，激光功率为4500W，焊接速度为1600mm/min，光斑直径为0.25mm，离焦量为+5mm。

定位焊接时，采用摆动幅度2.2mm、配合摆动频率320Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接，从而抑制焊接接头内部气孔的产生，避免焊接接头内部气孔超标的现象发生。同时配合激光束入射角度为83°，激光功率为4500W，焊接速度为1600mm/min，为光斑直径0.25mm以及离焦量为+5mm的焊接工艺参数，从而保证能够获得良好的成形内部质量及表面质量，避免出现热输入过小或过大导致的熔合不良或反透严重现象，影响焊接接头的成形质量。

需要说明的是，定位焊时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

步骤4、定位焊后，对待焊接头进行正式焊接；

在上述步骤4中，正式焊接的焊接方式及焊接工艺参数与定位焊接相同；具体为：当对待焊接接头进行正式焊接时，焊接方式采用激光摆动焊接；如图1所示，激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接。

在上述步骤4中，正式焊接时的焊接工艺参数为：激光光源的摆动幅度为2.2mm，配合摆动频率为320Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进焊接，激光束入射角度为83°，激光功率为4500W，焊接速度为1600mm/min，光斑直径为0.25mm，离焦量为+5mm。

正式焊接时，采用摆动幅度2.2mm、配合摆动频率320Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接，从而抑制焊接接头内部气孔的产生，避免焊接接头内部气孔超标的现象发生。同时配合激光束入射角度为83°，激光功率为4500W，焊接速度为1600mm/min，为光斑直径0.25mm以及离焦量为+5mm的焊接工艺参数，从而保证能够获得良好的成形内部质量及表面质量，避免出现热输入过小或过大导致的熔合不良或反透严重现象，影响焊接接头的成形质量。

需要说明的是，正式焊接时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

焊后接头成形良好，无咬边、裂纹、未熔合等缺陷。X射线检测焊缝内部质量满足QJ20660标准中规定的1级接头要求。

实施例3

本发明提供了一种激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的焊接成形方法，如图4所示，该成形方法包括以下步骤：

步骤1、将待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件在焊前进行退火热处理；其中，退火温度为300℃，退火时间为2.5h，以去除热应力；

在上述步骤1中，进行退火热处理后，对待焊接的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件进行焊前清理，焊前清理过程包括：酸洗去除表面氧化膜，然后将待焊区域打磨至露出本体金属颜色，保证无尖角毛刺，然后用无水乙醇将激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的待焊接头擦洗干净。

步骤2、将待焊接头以对接的形式进行装配，如图2和图3所示，对接方式为直接对接或锁底对接；

上述步骤2中，待焊接头的厚度δ为4mm；本发明将待焊接头的厚度控制在4mm范围内的目的是为了避免产生大量气孔，保证焊接接头处的焊接质量。

需要说明的是，上述步骤2中，当焊接接头的对接方式采用锁底对接时，锁底宽度为5mm。待焊接头的焊接深度为5mm，装配间隙0.07mm，装配阶差为0.10δ。

步骤3、对待焊接头进行定位焊，定位焊的焊接长度为300mm；

在上述步骤3中，当对待焊接接头进行定位焊时，焊接方式采用激光摆动焊接；如图1所示，激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接。

在上述步骤3中，定位焊时的焊接工艺参数为：激光光源的摆动幅度为2mm，配合摆动频率为350Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进焊接，激光束入射角度为85°，激光功率为5500W，焊接速度为1800mm/min，光斑直径为0.3mm，离焦量为+5mm。

定位焊接时，采用摆动幅度2mm、配合摆动频率350Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接，从而抑制焊接接头内部气孔的产生，避免焊接接头内部气孔超标的现象发生。同时配合激光束入射角度为80°-85°，激光功率为5500W，焊接速度为1800mm/min，为光斑直径0.3mm以及离焦量为+5mm的焊接工艺参数，从而保证能够获得良好的成形内部质量及表面质量，避免出现热输入过小或过大导致的熔合不良或反透严重现象，影响焊接接头的成形质量。

需要说明的是，定位焊时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

步骤4、定位焊后，对待焊接头进行正式焊接；

在上述步骤4中，正式焊接的焊接方式及焊接工艺参数与定位焊接相同；具体为：当对待焊接接头进行正式焊接时，焊接方式采用激光摆动焊接；如图1所示，激光摆动焊接时，激光光源行走轨迹为“∞”字形摆动，沿待焊接头的焊缝保持焊接速度为Vx，在垂直待焊接头的方向上，以焊缝为对称中心，以“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接。

在上述步骤4中，正式焊接时的焊接工艺参数为：激光光源的摆动幅度为2mm，配合摆动频率为350Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进焊接，激光束入射角度为85°，激光功率为5500W，焊接速度为1800mm/min，光斑直径为0.3mm，离焦量为+5mm。

正式焊接时，采用摆动幅度2mm、配合摆动频率350Hz的“∞”字形轨迹螺旋式前进进行焊接，从而抑制焊接接头内部气孔的产生，避免焊接接头内部气孔超标的现象发生。同时配合激光束入射角度为80°-85°，激光功率为5500W，焊接速度为1800mm/min，为光斑直径0.3mm以及离焦量为+5mm的焊接工艺参数，从而保证能够获得良好的成形内部质量及表面质量，避免出现热输入过小或过大导致的熔合不良或反透严重现象，影响焊接接头的成形质量。

需要说明的是，正式焊接时，采用纯度大于等于99 .99％的高纯氩气进行气体保护。

将实施例1、实施例2和实施例3得到的激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金焊接件直接制作拉伸试样1，然后再按照实施例1、实施例2和实施例3的方法再分别制备3份激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件，并进行退火热处理，然后制作拉伸试样2，抗拉强度测试结果如表1所示：

表1 激光选区熔化成形AlSi10Mg铝合金结构件的抗拉强度数据表

结果表明，采用本发明提供的焊接方法，焊接接头力学性能可以达到母材的85%以上，焊无需进行退火热处理。

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露的技术范围内，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。