一种中厚度异种铝合金材料的激光焊接方法与流程

本发明属于铝合金激光焊接技术领域，涉及一种针对中厚度异种5a06/zl114a铝合金材料的激光焊接方法。

背景技术：

随着航天工业的发展，飞行器对远航程、高隐身能力、高速度等技战指标要求日益提高。油箱舱等飞行器重要结构件由传统的“铸造+焊接”向轻量化程度更高的“钣金+焊接”结构形式发展，结构件也有规则形状逐渐向复杂的异型结构转变。铝合金因具有较低的密度、较好的比强度、优异的耐腐蚀性和焊接性而成为航天领域一种重要的结构材料。其中，5a06铝合金和zl114a铝合金材料得到广泛的应用。5a06铝合金是al-mg系防锈铝，具有较高的强度、良好的腐蚀稳定性和焊接性等特点。zl114a铝合金为可热处理强化的al-si-mg系铸造铝合金，合金具有较好的力学性能，良好的耐腐蚀和焊接性能。

在航空航天产品实际生产中，为了满足不同的使用要求，将5a06和zl114a铝合金连接在一起的需要越来越多，从而实现在不损害构件整体性能的条件下减少加工成本，这就涉及到异种铝合金材料的焊接。目前，对于6～8mm中厚度5a06/zl114a铝合金材料的焊接方法主要有氩弧焊、激光焊、电子束焊接等方法为主。这些方法均存在一些不足之处。氩弧焊是钛合金最常用的方法，是连接薄板和打底焊一种很适合的方法，但其热输入大，焊接速度慢、焊接变形量大、焊缝组织粗大；焊缝易产生气孔及钨等焊接缺陷。电子束焊接具有焊接速度块、焊接热输入小、焊缝内部质量高等优点，但由于电子束焊接必须在真空环境下进行，难以实现自动化，焊接效率较低，焊接成本高。激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、深宽比大、适应性强、易于实现自动化等优点，可以满足未来航空航天产品结构复杂多样的需求。

目前国内外对于铝合金激光焊接主要集中在1mm-5mm薄板焊接方面，而对6～8mm中厚度异种铝合金的激光焊接研究很少。随着接头厚度的增加，激光焊接功率相应提高，接头内部的mg强化相元素挥发严重，焊缝内部气孔及力学性能降低问题凸显。缺乏中厚度异种铝合金控制激光焊缝裂纹、气孔等缺陷的激光焊接工艺方法，开发一种有效的中厚度异种铝合金材料激光焊接方法是十分迫切的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种更加有效的中厚度异种5a06/zl114a铝合金材料的激光焊接方法，所形成的焊缝具有良好的外观质量和内部质量，焊缝接头连续、均匀，内部无裂纹和未焊透等缺陷，焊接质量达到qj20660《铝合金激光焊接技术要求》标准中i级焊缝要求，焊缝的力学性能优异。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种中厚度异种铝合金材料的激光焊接方法，所述异种铝合金材料为型号5a06和型号zl114a铝合金板，焊接方法包括以下步骤：

(1)待焊铝合金工件预处理；

(2)将5a06和zl114a异种铝合金待焊接工件的对接或锁底对接接头固定并激光焊接工作台上，所述5a06和zl114a异种铝合金接头厚度为6～8mm；

(3)采用激光对所述待焊接工件的对接接头进行定位焊，定位焊的参数为：离焦量+3mm，激光功率4000-5500w，焊接速度0.04m/min，保护气体流量25-35l/min，摆动扫描频率200-300hz，扫描幅度2-3mm；

(4)采用激光对所述对接接头进行正式焊接，正式焊接的参数为：离焦量+3mm，激光功率6800-7000w，保护气体流量25-35l/min，摆动扫描频率200-300hz，扫描幅度1-2mm；

进一步的，步骤(1)中预处理过程为将待焊铝合金工件进行酸洗、烘干，并使用钢丝刷工、将接头部位进行仔细打磨清理，直至合金表面露出银白色金属光泽，后使用酒精擦拭干净；

进一步的，步骤(2)中，5a06和zl114a异种铝合金板材对接时阶差不大于10％母材壁厚；

进一步的，步骤(2)中，合金板材固定后焊缝的最大间隙不超过0.2mm；

进一步的，步骤(3)中，定位焊长度为20～30mm，定位焊间距为50～70mm；

进一步的，步骤(4)中，在进行正式焊时，激光光斑偏置zl114a合金板一侧0.3-0.5mm。

进一步的，步骤(3)中，扫描方式“∞”字形

进一步的，步骤(4)中，扫描方式“∞”字形。

进一步的，上述一种中厚度异种铝合金材料的激光焊接方法，还包括焊后清理步骤，对焊缝表面进行打磨清理，去除表面的污染物与氧化层。

进一步的，步骤(1)中，锁底对接时5a06铝合金设置于锁底。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用激光焊接实现了6～8mm中厚度异种铝合金材料的焊接，焊缝要求符合qj20660《铝合金激光焊接技术要求》标准中i级焊缝要求，焊缝综合力学性能优良，抗拉性能超过zl114a铝合金母材强度的80％以上。

(2)本发明采用摆动大功率激光束进行焊接，可有效避免焊缝内部裂纹、气孔缺陷的出现，焊接形成的焊缝过渡圆滑。

(3)本发明通过大量的实验确定了激光焊接过程中，定位焊和正式焊步骤各项参数的最优范围，在此参数范围内可使焊缝符合qj20660《铝合金激光焊接技术要求》标准中i级焊缝要求。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的5a06/zl114a异种铝合金件直接对接示意图；

图2为本发明实施例1提供的5a06/zl114a异种铝合金件锁底对接示意图；

图3为本发明实施例1提供的“∞”字形扫描方式示意图；

图4为本发明实施例1中6mm厚度5a06/zl114a异种铝合金激光焊缝表面形貌图；

图5为本发明实施例2中6mm厚度5a06/zl114a异种铝合金激光焊缝表面形貌图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种中厚度异种铝合金材料的激光焊接方法，所述异种铝合金材料为型号5a06的铝合金板以及型号zl114a的铝合金板，所述焊接方法包括以下步骤：

(1)待焊铝合金工件预处理；

(2)将5a06和zl114a异种铝合金待焊接工件的对接或锁底对接接头固定并激光焊接工作台上，直接对接示意图如图1所示，锁底对接示意图如图2所示，所述5a06和zl114a异种铝合金接头厚度为6～8mm；

(3)采用激光对所述待焊接工件的对接接头进行定位焊，定位焊的参数为：离焦量+3mm，激光功率4000-5500w，焊接速度0.04m/min，保护气体流量25-35l/min，摆动扫描频率200-300hz，扫描幅度2-3mm；

(4)采用激光对所述对接接头进行正式焊接，正式焊接的参数为：离焦量+3mm，激光功率6800-7000w，保护气体流量25-35l/min，摆动扫描频率200-300hz，扫描幅度1-2mm；

进一步的，步骤(1)中预处理过程为将待焊铝合金工件进行酸洗、烘干，并使用钢丝刷工、将接头部位进行仔细打磨清理，直至合金表面露出银白色金属光泽，后使用酒精擦拭干净；

进一步的，步骤(2)中，5a06和zl114a异种铝合金板材对接时阶差不大于10％母材壁厚；

进一步的，步骤(2)中，合金板材固定后焊缝的最大间隙不超过0.2mm；

进一步的，步骤(3)中，定位焊长度为20～30mm，定位焊间距为50～70mm；

进一步的，步骤(4)中，在进行正式焊时，激光光斑偏置zl114a合金板一侧0.3-0.5mm。

进一步的，步骤(3)中为有效减少焊缝内部气孔率，扫描方式“∞”字形，扫描频率为250hz；如图3所示，图中1为焊缝，2为焊接方向，3为激光“∞”字形扫描方式。

进一步的，步骤(4)中，扫描方式“∞”字形。

进一步的，上述一种中厚度异种铝合金材料的激光焊接方法，还包括焊后清理步骤，对焊缝表面进行打磨清理，去除表面的污染物与氧化层。

进一步的，步骤(1)中，锁底对接时5a06铝合金设置于锁底。

优选的是，所述中厚度异种铝合金材料的激光焊接方法中，步骤(3)中和步骤(4)中，保护气体流量30l/min；

进一步的，所述中厚度异种铝合金材料的激光焊接方法中，步骤(3)中，激光功率为5000w，扫描幅度2mm；

本发明步骤采用的5a06合金材料的化学成分按重量百分比计为：mg-6.28％，mn-0.58％，ti-0.16％，fe-0.17％，al余量；所采用的zl114合金材料的化学成分按重量百分比计为：si-(6.5-7.5)％，mg-(0.25-0.45)％，ti-(0.08-0.2)％，al余量；

实施例1

6mm厚度异种5a06/zl114a铝合金材料激光焊接。如附图2所示，接头结构形式为锁底对接形式，5a06铝合金设置于锁底，zl114a铝合金设置在锁底上侧。

(1)焊前清理，对5a06和/zl114a异种铝合金板进行酸洗、烘干，并使用钢丝刷工、将接头部位进行仔细打磨清理，直至合金表面露出银白色金属光泽，后使用酒精擦拭干净；

(2)装配，将铝合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度；将装配好的5a06和/zl114a铝合金合金板放置在激光焊接工作台上，并加紧固定良好；

(3)沿焊缝对工件进行均匀激光定位焊，每段长度25mm，间距50mm。焊接参数为：离焦量+3mm，激光功率5000w，焊接速度0.04m/min，保护气体流量30l/min，摆动扫描频率250hz，扫描幅度2mm，扫描方式“∞”字形；

(4)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：离焦量+3mm，激光功率6800w，保护气体流量30l/min，摆动扫描频率250hz，扫描幅度1mm，扫描方式“∞”字形；焊接过程激光光斑偏置zl114a合金板一侧0.3mm。

(5)焊后清理。

利用上述焊接方法得到的对接焊缝表面平整美观。如附图4所示，焊缝成形质量较好，无裂纹、夹杂物等缺陷。焊缝质量符合qj20660《铝合金激光焊接技术要求》标准中i级焊缝。接头极限抗拉强度达到258mpa，超过zl114a合金母材抗拉强度的90％以上，断后延伸率为6.2％。

实施例2

6mm厚度异种5a06/zl114a铝合金材料激光焊接。如附图2所示，接头结构形式为锁底对接形式。

(1)焊前清理，对5a06和/zl114a异种铝合金板进行除油、酸洗、烘干、打磨刮削处理；

(2)装配，将钛合金板固定牢固，保证焊缝的最大对接间隙不大于0.15mm，阶差不大于10％母材厚度，将装配好的5a06和/zl114a铝合金合金板放置在激光焊接工作台上，并加紧固定良好；

(3)沿焊缝对工件进行均匀激光定位焊，每段长度30mm，间距70mm。焊接参数为：离焦量+3mm，激光功率5000w，焊接速度0.04m/min，保护气体流量30l/min，摆动扫描频率250hz，扫描幅度2mm，扫描方式“∞”字形。

5)对工件进行正式焊接，正式焊接的焊接参数：离焦量+3mm，激光功率7000w，保护气体流量30l/min，摆动扫描频率250hz，扫描幅度2mm，扫描方式“∞”字形；焊接过程激光光斑偏置zl114a合金板一侧0.5mm。

6)焊后清理。

利用上述焊接方法得到的对接焊缝表面平整美观。如附图5所示，焊缝成形质量较好，无裂纹、夹杂物等缺陷。焊缝质量符合qj20660《铝合金激光焊接技术要求》标准中i级焊缝。接头极限抗拉强度达到252mpa，超过zl114a合金母材抗拉强度的90％以上，断后延伸率为5.8％。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。