[发明专利]激光高频交流脉冲TIG复合焊接工艺

说明书

技术领域

 本发明涉及一种激光高频复合焊接工艺，尤其涉及一种激光高频交流脉冲TIG复合焊接工艺。

背景技术

2A14与2219铝合金是我国航天产品主要结构材料，其焊接工艺与方法作为航天制造的核心技术之一，随着产品性能及要求的不断提高和材料技术的发展，需要不断突破和完善。

目前，2A14与2219铝合金大型结构仍大多采用传统的TIG焊接工艺，部分结构焊缝采用更为先进的搅拌摩擦焊、变极性等离子焊、真空电子束焊等特种焊接工艺。然而由于产品结构与焊接位置的限制，仍有大量焊缝需采用传统的熔焊工艺（如目前普遍使用的变极性TIG焊），接头抗应力腐蚀性能较差、焊接效率低（常需多层焊接，部分焊缝背部需人工修整或封底焊接）等较大局限，产品长期性能较差，难以满足型号产品长寿命、高可靠性的研制发展需求。

激光焊接具有焊接速度高、焊缝深宽比大、热影响区小、变形小、易于自动化等特点，在工业，尤其在汽车领域得到了广泛的应用。然而在采用激光焊接航天高强铝合金（如2A14、2219等）具有较大局限性：如材料对激光的反射率高、接头性能差、焊接质量不稳定等。因此，在《航天高强铝合金激光＋TIG复合焊接技术及接头力学性能的优化》创新基金项目研究过程中，结合高频脉冲TIG焊工艺成果，提出了采用小功率激光辅助高频TIG复合焊接的思路，并成功开发了2A14与2219铝合金小功率激光高频交流脉冲TIG复合焊接工艺，有效的把激光和高频效应结合到一起。经过综合对比，焊缝成形美观，接头力学性能优于单纯的激光TIG复合焊接，与变极性TIG焊相比有大幅提高，具有较好的技术继承性和产品适用性，为型号产品焊接工艺和方法的选择提供了一种新的思路。

华中科技大学2003101116581号专利（专利权已于2008年2月终止）公开了一种用激光和高频感应两种热源相结合进行焊接的装置及其焊接方法，在激光焊接过程中辅以高频感应热源，通过感应加热线圈进行局部感应加热，提高了焊缝周围区域温度，在不影响母材组织性能的前提下，减小了焊缝与周围区域的温度梯度，使凝固和随后的固态冷却过程变得缓慢，改善焊接后的微观组织，提高焊缝综合性能，减少或消除气孔和裂纹的生成，尤其是可改善高碳钢、高合金钢等难焊材料的焊接性。

本发明与其相比主要区别如下：

（1）本发明以高频TIG焊接热源为主，激光为辅，所需激光功率不高，易于实现且更为稳定，尤其适用于要求较高的航天铝合金结构件焊接；而2003101116581号专利以激光为焊接热源，高频感应热源仅作为辅助加热，并非本发明所述的高频焊接效应。

（2）本发明涉及的高频TIG焊接电源通过电流传感器进行同步，集成在焊接电源之中，提供高频脉冲电流，频率高且各相关参数连续可调，不需要感应加热线圈等装置进行感应加热，也不需要温控反馈调节，结构更加简单，更易于实现各类空间焊缝的焊接。

（3）本发明是一种激光电弧复合焊接，激光辅助采用电弧旁轴复合方式，易于实现焊接送丝，尤其适用于需加填焊丝以改善焊缝组织性能的焊缝结构；2003101116581号专利为激光热源焊接，其装置还包括感应加热线圈等，加填焊丝难度很大。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光高频交流脉冲TIG复合焊接工艺，能够细化焊缝组织，能够显著减少或消除熔合区的气孔，有效提高高强铝合金焊接接头的力学性能和抗应力腐蚀性能，非常具有实用性。

本发明的技术方案是：一种激光高频交流脉冲TIG复合焊接工艺，具体步骤包括：首先构建激光高频交流脉冲TIG复合焊接系统，所述激光高频交流脉冲TIG复合焊接系统包括半导体激光器、高频脉冲耦合器、变极性TIG电源、保护气体、送丝机构、TIG焊枪和激光焊头，所述高频脉冲耦合器与变极性TIG电源并联，通过电流传感器同步；

将TIG电弧与半导体激光束沿着焊接方向聚集在被焊工件上同一焊接位置，共同形成一个熔池，焊接时，TIG电弧在前方，半导体激光束在后方，TIG电弧钨极尖端与竖直方向的倾斜角度α为10o～40o，半导体激光束与竖直方向的倾斜角度β为10o～30o，TIG电弧钨极尖端与被焊工件表面之间的垂直距离H为2～4mm，TIG电弧钨极尖端与半导体激光束到被焊工件表面的作用点之间的水平距离D为2～5mm。

作为优选，所述半导体激光器的功率为500～800W。

作为优选，所述高频脉冲耦合器的高频脉冲频率为20 kHz，高频脉冲电流幅值50A～150A，占空比0.4-0.6。