一种镁合金激光-超声双面焊接的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种儀合金薄板激光-超声双面焊接的方法，属于材料加工工程领 域。
【背景技术】
[0002] 儀合金作为最轻的金属结构材料，广泛地应用于航空航天、汽车制造、电子通信和 国防军事等领域。随着科学技术的发展，儀合金在各领域的应用会越来越广泛，因此，发展 高效、高质的连接技术成为目前急需解决的关键问题之一。目前儀合金焊接的方法主要有： 鹤极惰性气体保护焊、烙化极惰性气体保护焊、揽拌摩擦焊、激光焊、电子束焊等。
[0003] 采用传统的弧焊方法（TIG、MIG焊等）焊接儀合金时，由于儀合金与氧、氮亲和力 强，焊后易形成夹渣和脆性相；儀合金烙点低，导热快，线胀系数大，导致热影响区宽且易于 过热，晶体容易长大，易产生较大的应力和焊接变形；另外，由于儀与一些合金元素如化、 A1、Ni等易形成低烙点共晶体，运些低烙点共晶体偏析于晶界，增大结晶溫度范围，在应力 作用下极易形成热裂纹。运些焊接缺陷都是由儀合金的特有性质引起的，因此很难消除，但 相关研究表明，可W通过调节焊接参数、改善焊接工艺来减少上述焊接缺陷的生成，但由于 参数调节困难、工艺繁琐，弧焊方法在儀合金焊接方面的应用受到限制。采用揽拌摩擦焊虽 然能够取得良好的焊接效果，但根据相关的文献，目前其焊接仍然存在焊缝底部未焊合等 缺陷，且其自动化程度较低，不适用于工业批量生产。
[0004] 目前激光焊（LBW)是应用于儀合金的高效焊接方法之一。激光焊接具有能量密度 高、焊接速度快、焊接精度高、焊缝深宽比大、热影响区小、焊接变形小W及适应性强易实现 自动化焊接等特点，因此采用激光焊方法焊接儀合金时可得到极小的烙化区和热影响区， 降低焊缝中的内应力，并能净化焊缝，减少夹渣、气孔和裂纹等缺陷。因此随着科学技术的 发展，该技术在儀合金焊接方面将会得到更广泛的应用。 阳〇化]目前，采用激光焊接的方法进行儀合金焊接时主要存在W下一些问题：
[0006] (1)儀合金密度低，液态时溶解大量的氨。在冷却结晶过程中氨的溶解度睹降而析 出，且激光焊接速度高，烙池冷却速度快，使得析出的氨气来不及从在窄而深的焊缝中排出 而形成气孔。除此之外，在激光焊接过程中，由于匙孔不稳定而导致巧塌也是形成儀合金焊 接气孔的原因之一；
[0007] (2)儀合金线膨胀系数大，虽然采用激光焊方法焊接儀合金时产生的变形小，降低 了焊缝中的热应力。但儀与其他元素易形成低烙点共晶偏析于晶界，增大了产生热裂纹的 倾向，焊接接头容易在脆性溫度区间内产生热裂纹，因此热裂纹仍是儀合金激光焊中的主 要问题；
[0008] (3)儀合金热导率大，采用大功率热源、高焊速焊接儀合金时，易造成焊缝和近缝 区金属过热，晶粒长大导致晶粒粗化；
[0009] (4)儀合金氧化性极强，在焊接过程中极易与空气中的氧、氮等形成氧化儀、氮化 儀等杂质，运些杂质被卷入烙体中不易排出形成夹渣；
[0010] (5)儀合金表面张力小，焊接时易产生焊缝金属下塌。
[0011] 近年来，超声波辅助焊接的技术得到了广泛的发展。超声辅助焊接技术是在焊接 过程中将高能量的超声波作用于焊接烙池，利用超声的声流和空化效应，有效地降低了烙 融儀合金中的氨含量，降低焊缝中的气孔率；根据超声破碎理论和过冷生核理论，焊接过程 中超声波的加入可W细化焊缝晶粒，提高焊接接头的力学性能；另外超声波的高频振动还 对烙池起到一定的揽拌作用，有利于氧化物的上浮排出，从而减少了焊缝中的夹渣。用超声 波辅助激光焊接，可W有效地改善儀合金焊接时存在的问题。专利200710144908公开了一 种超声波辅助激光针（烙）焊的方法，采用超声辅助焊缝金属的润湿性得到了极大地改善， 但是该方法中对于焊缝的气孔和裂纹的控制仍有待提高。专利201310061962公开了一种 超声辅助激光修复的方法，解决了晶粒粗大的问题，但该方法是利用超声导入装置将超声 波直接从工件下方导入，降低了超声波的能量利用率。
【发明内容】
[0012] 本发明为了解决上述存在的问题，而提出了一种儀合金激光-超声双面焊接的方 法。
[0013] 本发明的儀合金激光-超声双面焊的方法是指将激光与超声焊接的方法W复合 的形式应用于儀合金焊接中，得到满足要求的焊缝。其示意图如图1所示，该方法是将传统 的激光焊与超声波焊结合得到的方法。将两块儀合金薄板固定在工装夹具上使其满足焊接 要求。激光束位于两平板接缝处上部，保证激光束垂直照射于焊缝正中位置。超声波由超 声发生装置产生，该装置一般由超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头等组成，超声波发 生器及声学系统把具有超声频率的振荡电流转换成相同或相近频率的纵向或横向弹性机 械振动能，再把该振动放大到一定程度，作用在待焊位置。本发明方法采用的是非接触式超 声波辅助焊接，超声波发生装置的超声变幅杆位于焊缝背面，与激光束和焊缝在同一竖直 平面内并指向焊接烙池，超声变幅杆与激光束轴线夹角为a。焊接过程中超声变幅杆与焊 缝不接触，超声波从焊缝背面施加在激光焊接所产生的烙池处，通过激光束和超声波变幅 杆同步移动来完成焊接。
[0014] 本发明的一种儀合金激光-超声双面焊接的方法，它是按照W下步骤进行的：
[0015] 步骤一：焊前将待焊接工件用砂纸打磨去除表面氧化膜，并在丙酬中用超声波进 行清洗；
[0016] 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，放置于工作台上；
[0017] 步骤将超声波发生装置固定于激光头上，保持激光束垂直入射，使焦点位于待 焊位置；超声波变幅杆位于焊缝背面，端部对准激光焊接所产生的烙池位置，并保持与激光 束轴线夹角a为30°~60°，且激光束、超声变幅杆和焊缝位于同一竖直平面内；
[0018] 步骤四：设定焊接工艺参数：
[0019] 1)激光焊：激光功率为IkW~5kW，离焦量为-3~+3mm，焊接速度为0.5~3m/ min，采用Ar气保护，Ar气流量为f5L/min~35L/min;
[0020] 2)超声波焊：超声波采用纵波，频率为20~40化，振幅为5~50ym，并在焊接过 程中调整振动频率，使其避开儀合金液态烙池的共振频率区间；
[0021] 步骤五：打开激光器和超声波发生装置电源开始焊接，由焊接机器人集成系统控 制焊接过程，首先超声波发生器先产生超声波作用在待焊位置，2~3s后激光器发出激光， 实现激光-超声双面焊接，最后保持激光头与超声波发生器同步运动完成整个焊接过程。
[0022] 在儀合金焊接中，采用激光-超声双面焊接的方法，相比于传统的儀合金焊接具 有W下几点优势：1.相比于传统鹤极氣弧焊（TIG焊），激光-超声双面焊接方法的焊接速 度较快，传统鹤极氣弧焊（TIG焊）焊接速度一般小于Im/min，激光-超声双面焊接方法 的焊接速度可达到3m/min，大幅度提高了儀合金焊接效率，减少了焊接接头中易产生的气 孔、夹杂、热裂纹W及焊不透等缺陷，使接头达到使用要求；
[0023] 2.相比于单激光焊接，本发明的激光-超声双面焊方法在焊缝处施加超声波，其 空化作用能有效地去除液态儀合金中的氨，显著降低了儀合金接头中的气孔率，相比于单 激光焊接，其气孔率可减少50%W上；超声波高频振动效应作用于烙池壁及匙孔壁，有助 于烙池中的烙融金属对空腔的填充，对烙池中液态金属也有一定的揽拌作用，有利于气泡、 氧化物的上浮，从而减少了焊缝中的气孔、夹渣等缺陷的产生，达到机械消除缺陷的效果； 另外加入超声波后，使焊缝晶粒得到细化，改善了单激光焊晶粒粗大的现象，由细晶强化作 用所带来的焊缝抗拉强度可提升50MPW上；
[0024] 3.相比于单侧超声辅助激光焊接，激光-超声双面焊方法中超声波施加于焊缝背 面，在激光、超声双热源的作用下，烙池中溫度梯度小，焊接过程中产生的焊接变形W及焊 缝中热应力较小，从而有效地降低了焊接接头在脆性溫度区间内产生热裂纹的倾向，使焊 缝的力学性能得到提高，抗拉强度，测弯性能均相比于单侧超声辅助激光焊接提高20 %W 上。
【附图说明】
[00巧]图1为本发明的激光-超声双面焊接原理示意图；
[00%] 图2为实施例1对2mm厚的AZ3IB儀合金板对接接头焊接时的焊缝正面形貌电镜 图；
[0027] 图3为实施例1对2mm厚的AZ3IB儀合金板对接接头焊接时的焊缝横截面微观形 貌电镜图；
[0028] 图4为实施例2采用单激光焊接的方法进行2mm厚的AZ31B儀合金板对接接头焊 接时的焊缝正面形貌电镜图；
[0029] 图5为实施例2采用单激光焊接的方法进行2mm厚的AZ31B儀合金板对接接头焊 接时的焊缝横截面微观形貌电镜图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0030] 一：本实施方式的一种儀合金激光-超声双面焊接的方法，它是按 照W下步骤进行的：
[0031] 步骤一：焊前将待焊接工件用砂纸打磨去除表面氧化膜，并在丙酬中用超声波进 行清洗；
[0032] 步