一种铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲tig焊方法
阅读说明：本技术 一种铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲tig焊方法 (Low-power laser-induced double-pulse TIG welding method for aluminum-based composite material ) 是由 巴现礼 牛济泰 高增 邱得超 张璐璐 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：一种铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法。本文涉及铝基复合材料的焊接领域,具体涉及一种铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法。是为了解决现有铝基复合材料焊接过程中存在的接头强度低、气孔等缺陷明显、高能耗以及焊接局限性的问题。本发明采用低功率脉冲激光和双脉冲TIG电弧作为复合热源,设置焊接路径,将复合热源作用在焊接夹具固定的铝基复合材料板材上。本发明用于焊接铝基复合材料,可以通过脉冲激光和双脉冲TIG电弧增强对焊接熔池的“震荡”和搅拌作用,促进熔池中气体的排除,能够大幅减少甚至避免接头焊缝中的气孔等缺陷的出现,同时还可以起到细化晶粒的作用。(A low-power laser-induced double-pulse TIG welding method for aluminum-based composite materials. The invention relates to the field of welding of aluminum-based composite materials, in particular to a low-power laser-induced double-pulse TIG (tungsten inert gas) welding method for an aluminum-based composite material. The method aims to solve the problems of low joint strength, obvious defects of air holes and the like, high energy consumption and welding limitation in the existing aluminum matrix composite welding process. The invention adopts low-power pulse laser and double-pulse TIG electric arc as composite heat sources, sets a welding path, and applies the composite heat sources on the aluminum-based composite material plate fixed by the welding fixture. The invention is used for welding aluminum matrix composite materials, can enhance the 'oscillation' and stirring effects on a welding molten pool through pulse laser and double-pulse TIG electric arc, promotes the elimination of gas in the molten pool, can greatly reduce or even avoid the defects of pores and the like in a joint welding line, and can play a role in refining grains.)
技术领域
本文涉及铝基复合材料的焊接领域，具体涉及一种铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法。
背景技术
铝基复合材料作为一种性能优异的新型材料，具有比普通金属材料更加优异的性能，如较高的比强度、比刚度、良好的稳定性、耐热性、耐磨性和蠕变强度等等，能够满足现代科技生产和发展对材料性能的苛刻要求。一直以来，铝基复合材料在航空航天、尖端武器、电子封装以及汽车制造等领域都具有非常广阔的应用前景。并且，我国的铝资源丰富，增强相颗粒的来源广泛，制备成本相对较低，使铝基复合材料成为众多的金属材料研究领域中最有发展潜力的材料之一，吸引了国内外无数专家学者的密切关注和深入探究。但是，由于基体铝合金与增强相之间的物理、化学性质等差异很大，形成工程构件时相互间的良好连接困难，导致这种工程材料的实际应用和产业化受到限制，因此焊接是影响其推广应用的一个关键问题。
常见的铝基复合材料的焊接方法有很多，如熔化焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊、钎焊、扩散焊等等。其中搅拌摩擦焊焊接铝基复合材料的搅拌头磨损较快、成本较高、且受到材料形状的限制。电阻点焊、钎焊和扩散焊因受特定焊接环境的影响而具有较大的局限性，且焊接强度不高。熔化焊中的TIG具有操作简便、可以焊接不规则形状和结构复杂的工程构件等优点，但是存在接头的强度较低、接头中容易形成气孔等焊接缺陷，且焊接时候的电能消耗较大，不能达到高品质焊接的效果等问题。
发明内容
本发明是为了解决现有铝基复合材料焊接过程中存在的接头强度低、气孔等缺陷明显、高能耗以及焊接局限性的问题，提供了一种铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法。
本发明一种铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法采用低功率脉冲激光和双脉冲TIG电弧作为复合热源，设置焊接路径，将复合热源作用在焊接夹具固定的铝基复合材料板材上，实现材料的良好焊接。
本发明的优点：
本发明一种铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法，相对于其他方法如《一种铝基复合材料的焊接方法》(申请号：CN201910062203.6)、《一种颗粒增强金属基复合材料激光填粉焊接方法》(申请号：CN201511027957.6)，本发明方法不需要开坡口、可以直接进行对接焊，简化了焊前加工处理、焊接操作过程等也更加简单，同时更加节能，具有简便、高效、节能环保的焊接特点。相对于《非连续增强铝基复合材料钨极氩弧焊焊缝原位增强方法》(申请号：CN200510010266.5)、《一种铝基复合材料的电阻点焊方法》(申请号：CN201410199882.9)等本发明方法引入的脉冲激光和双脉冲TIG电弧通过复合作用提升了脉冲对焊接熔池的震荡作用，降低了焊缝中的气孔等缺陷的产生，同时具有一定的细化晶粒的作用，促进接头强度的大幅度提高。
本发明所述的铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法，将低功率激光与双脉冲TIG电弧作复合热源直接作用在复合材料板材上，实现两块复合材料对焊，并且焊缝成型优良。该方法具有激光焊与TIG焊两种工艺的特点，能够起到“1+1>2”的焊接效果，复合后的高峰值功率脉冲激光循环性的作用在焊接熔池中，起到“震荡”和搅拌熔池的作用，从而促进熔池中气体的排除，能够大幅减少甚至避免接头焊缝中的气孔等缺陷的出现，接头强度十分高。同时，具有节能环保等优点，可以实现小能耗、高质量的焊接效果；焊接后对接头进行力学性能测试发现接头的抗拉强度最高可达209MPa。
附图说明
图1为本发明中激光枪与双脉冲TIG焊枪的相对位置示意图；其中1是激光枪，2是TIG焊枪，3是基板；
图2为实施例一得到的对焊后的铝基复合材料板材正面宏观形貌图；
图3为实施例一得到的对焊后的铝基复合材料板材反面宏观形貌图；
图4为实施例一得到的对焊后的铝基复合材料板材焊接接头的金相显微组织图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法采用低功率脉冲激光和双脉冲TIG电弧作为复合热源，设置焊接路径，将复合热源作用在焊接夹具固定的铝基复合材料板材上，实现材料的良好焊接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法是按以下步骤进行：
一、铝基复合材料的切割与打磨：按实际需要对铝基复合材料进行尺寸切割，然后采用角磨机对铝基复合材料的各个面打磨至出现亮色，得到待焊铝基复合材料件；
二、铝基复合材料的去膜：采用砂纸对待焊铝基复合材料件的对接面进行打磨，将打磨后的待焊铝基复合材料件先采用超声清洗15～20min，再采用酒精清洗10～15min，用吹风机将表面残留的酒精吹干，得到洁净的待焊铝基复合材料件；然后将洁净的待焊铝基复合材料件的对接面先采用质量分数为8％的NaOH溶液浸泡5～8min，再采用质量分数为30％的HNO3溶液浸泡2～5min，得到去膜后的待焊铝基复合材料件；
三、将两件去膜后的待焊铝基复合材料件以对接的方式放置在焊接夹具上固定，得到对接板材；采用低功率脉冲激光在前、双脉冲TIG电弧在后的方式，将低功率脉冲激光与双脉冲TIG电弧组成复合热源；激光枪垂直于基板，激光枪与TIG焊枪之间的夹角为α，钨极与基板之间的距离为D，激光枪和TIG焊枪均位于基板的上方；
四、分别设置低功率脉冲激光和双脉冲TIG电弧的工艺参数，设定焊接路径，控制焊接进程；在激光枪和TIG焊枪均关闭的状态下，调整焊接速度，再打开激光枪和TIG焊枪，让激光枪和TIG焊枪先沿着焊接路径运行一次，调整至运行的路径与对接板材的对接缝无偏差；
五、在对接板材上寻找起弧点，预通保护气，依次打开激光枪和TIG焊枪，按照设定的焊接路径进行焊接；
六、焊接结束后依次关闭激光枪、TIG焊枪和保护气，然后将激光枪和TIG焊枪提高100mm，将其移至预定位置，得到对焊后的铝基复合材料板材。
本实施方式步骤二打磨的目的是去除表面的油污和杂质。
本实施方式步骤二中超声清洗采用酒精和丙酮的1:1混合溶液。
本实施方式中采用的酒精为无水酒精。
本实施方式步骤三的目的是去除表面的氧化膜和可能存在的加工淬硬层。
本实施方式将低功率脉冲激光与脉冲TIG电弧组成复合焊接热源直接作用在铝基复合材料板材上，不需要开坡口，简化了焊前加工，节约了电能。同时脉冲激光可以与双脉冲TIG电弧起到“震荡”和搅拌焊接熔池的作用，促进熔池中气体的逸出，大幅度降低甚至避免接头中的气孔等缺陷，起到促进焊缝成型，提高接头强度和焊接效率的效果。因此该方法具有低能耗、高效率、高性能、能够满足高品质的焊接效果等特点。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三将两件去膜后的待焊铝基复合材料件以对接的方式放置在焊接夹具上固定时，对接处的中间位置放置厚度为0.1～1mm的Ti薄片或Ti合金薄片。其它与具体实施方式一或二相同。
本实施方式可以实现材料的原位增强焊接。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中所述激光枪与TIG焊枪之间的夹角α为30～50°。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中所述钨极与基板之间的距离D为1～10mm。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四所述低功率脉冲激光的工艺参数：激光功率为100～1000W，频率为20～40Hz，脉宽为2～8ms。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四所述双脉冲TIG电弧的工艺参数：焊接电流为80～220A，焊接速度为400～1500mm/min。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤五所述保护气为氩气、氦气或者氩气-氦气的混合气体，保护气流量在10～30L/min。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六中当铝基复合材料板材的厚度为4～10mm时，需进行双面焊，将第一次对焊后的复合材料板材从夹具上取下来，翻面后重新固定，并重复步骤三至六的操作。其它与具体实施方式一至八之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：铝基复合材料低功率激光诱导双脉冲TIG焊方法是按以下步骤进行：
一、铝基复合材料的切割与打磨：将SiC颗粒增强铝基复合材料切割成200mm×50mm×4mm规格，然后采用角磨机对铝基复合材料的各个面打磨至出现亮色，得到待焊铝基复合材料件；
二、铝基复合材料的去膜：采用砂纸对待焊铝基复合材料件的对接面进行打磨，将打磨后的待焊铝基复合材料件先采用超声清洗15min，再采用酒精清洗10min，用吹风机将表面残留的酒精吹干，得到洁净的待焊铝基复合材料件；然后将洁净的待焊铝基复合材料件的对接面先采用质量分数为8％的NaOH溶液浸泡5min，再采用质量分数为30％的HNO3溶液浸泡2min，得到去膜后的待焊铝基复合材料件；
三、将去膜后的待焊铝基复合材料件以对接的方式放置在焊接夹具上固定，得到对接板材；采用低功率脉冲激光在前、双脉冲TIG电弧在后的方式，将低功率脉冲激光与双脉冲TIG电弧组成复合热源；激光枪垂直于基板，激光枪与TIG焊枪之间的夹角α为45°，钨极与基板之间的距离D为1～10mm，激光枪和TIG焊枪均位于基板的上方；
四、分别设置低功率脉冲激光和双脉冲TIG电弧的工艺参数，激光枪的功率为454W，频率为30Hz，脉宽为5ms，TIG焊枪的电流为160A，焊接速度为800mm/min，设定焊接路径，控制焊接进程；在激光枪和TIG焊枪均关闭的状态下，调整焊接速度为500mm/min，让激光枪和TIG焊枪先沿着焊接路径运行一次，调整至运行的路径与对接板材的对接缝无偏差；
五、在对接板材上寻找起弧点，预通保护气，依次打开激光枪和TIG焊枪按照设定的焊接路径进行焊接；保护气为氩气，流量为15L/min；
六、焊接结束后依次关闭激光枪、TIG焊枪和保护气，然后将激光枪和TIG焊枪提高100mm，将其移至预定位置，将对焊后的复合材料板材从夹具上取下来，翻面后重新固定，并重复步骤三至六的操作，得到对焊后的铝基复合材料板材。
对焊接后的接头进行宏观形貌观察、力学性能测试和显微组织观察发现，接头焊缝的成型美观，最高抗拉强度可达182.68MPa，焊缝组织中几乎没有气孔等现象缺陷的出现。
实施例二：本实施例与实施例一的不同之处在于：步骤三将去膜后的待焊铝基复合材料件以对接的方式放置在焊接夹具上固定时，对接处的中间位置放置厚度为0.1～1mm的Ti薄片；步骤四激光枪的功率为505W，频率为30Hz，脉宽为5ms，TIG焊枪的电流为180A，焊接速度为800mm/min。其他与实施例一相同。
焊接后发现接头的宏观形貌美观，冶金结合良好，对接头进行力学性能测试发现接头的抗拉强度最高可达209MPa，显微组织中气孔等缺陷明显减少。
从图2和图3可以看出，采用激光-TIG电弧复合焊的方式对铝基复合材料进行焊接后，焊缝的正反面成型美观，两块板材的冶金结合良好，热影响区非常窄，几乎没有宏观上的未熔合、夹渣等缺陷。说明该方法焊接铝基复合材料的适应性良好，可以达到优质焊接的效果。从图4可以看出，接头焊缝的显微组织中没有气孔等缺陷，气孔率明显下降，焊缝区与熔合区结合紧实，并且组织中晶粒细小，致密，说明激光和脉冲起到了净化熔池、细化晶粒，提高力学性能的作用。