本发明属于材料加工工程领域，具体涉及一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法。
背景技术：
在飞机、汽车和机车车辆等制造业中，为了减轻运载工具的自重，提高运载能力，越来越多地采用轻金属合金与薄壁型轻量化结构。以钛合金、铝合金为主的轻合金已经广泛应用于航空航天等领域的结构件制造中，以满足现代飞行器对关键结构件轻量化与高性能的发展需求。航空航天轻合金薄壁结构件制造过程中，通常涉及壁板与桁条的连接，采用焊接代替传统的铆接工艺后减重效果显著。近年来，随着激光器的快速发展，激光焊接大量应用于铝合金结构件的连接。采用双激光束双侧同步焊接技术，实现航天飞行器铝锂合金蒙皮桁条结构件的连接，是当前亟待解决的问题。然而由于铝合金特性及t型接头结构特点，无论传统焊接还是先进的激光焊接都遇到了焊缝气孔、裂纹、变形等依靠单独焊接方式难以解决的问题。由于长桁和蒙皮由铝合金轧制而成，而由于铝合金具有较大的凝固温度区间和线膨胀系数，以及激光焊接时急冷急热的特点，造成在激光焊接时容易出现焊接热裂纹缺陷，从而大幅降低焊缝的承载及力学性能。
为了在双侧激光同步焊接过程中合理调控焊缝组织从而抑制热裂纹等缺陷，通常采用随焊碾压、预置应力以及焊后进行修补等方式，如专利cn201610378627.x提出了一种抑制t型结构件焊接热裂纹的装置及方法，通过对蒙皮预拉伸而减小与长桁焊接时产生的应力场，降低焊缝开裂的可能。专利cn201610633577.5则提出了一种减少t型接头焊接热裂纹的双激光束焊接方法，在熔池两侧进行同步碾压对焊接应力场进行释放，减少焊缝热裂纹。但该类消除应力场的方法受到结构件尺寸、桁条形式和分布等限制，其应用普适性较差，且由于应力场强度不断变化，仅从减小应力场的角度无法确保裂纹的抑制。而焊后修补等方式容易造成接头重复软化，性能严重降低，也可能出现新的热裂纹缺陷，因此需要对焊缝本身的成分进行调控，减小其开裂倾向。
技术实现要素：
本发明旨在针对铝合金t型接头双侧激光焊接存在的热裂纹问题，提出一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法。
本发明的一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
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，桁条垂直于蒙皮表面，采用双侧激光填丝-cmt相结合的方式焊接，上方预紧力不小于50n，焊丝1倾角α为15～35°，激光倾角β为5～10°，焊枪倾角γ为30～50°，复合焊接头倾角θ为15～40°；所述的焊枪上设置有焊丝2；
步骤三:双侧激光采用相同参数，激光离焦量为﹣5～﹢5mm，激光功率为1000～7000w，焊接速度为4～12m/min，送丝速度为100～750mm/min，光丝间距为3～8mm，电弧电流为50～140a，电弧电压为8～30v，保护气采用ar气或ar/he混合气体，流量为20～60l/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后电弧起弧和送丝机送进焊丝，最后控制机器人使得复合焊接头同步运动完成焊接过程；
其中焊丝1成分为li:0.9-1.1％,cu:3.5-4.5％,mg:0.32-0.44％,ag:0.3-0.4％,fe:＜0.1％,si:0.1-2％,er:0.4-1.2％,zr:0.43-0.85％,al:余量；
焊丝2为cmt电弧焊枪所用焊丝，成分为si:12-15％,fe:＜0.2％,mn:0.02-0.04％,zn:＜0.1％,mg:0.01-0.03％,sc:0.2-0.8％，al:余量。
进一步地，步骤二中所述的上方预紧力不小于50n，焊丝1倾角α为20～30°，激光倾角β为5～8°，焊枪倾角γ为35～40°，复合焊接头倾角θ为20～40°。
进一步地，步骤二中所述的上方预紧力不小于50n，焊丝1倾角α为15～30°，激光倾角β为5～8°，焊枪倾角γ为35～45°，复合焊接头倾角θ为25～40°。
进一步地，步骤三中所述的激光离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为2000～5000w，焊接速度为6～10m/min，送丝速度为200～500mm/min，光丝间距为4～6mm，电弧电流为50～100a，电弧电压为10～20v，保护气采用ar气或ar/he混合气体，流量为30～50l/min。
进一步地，步骤三中所述的激光离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为3000～6000w，焊接速度为5～8m/min，送丝速度为300～600mm/min，光丝间距为5～7mm，电弧电流为70～90a，电弧电压为15～25v，保护气采用ar气或ar/he混合气体，流量为35～45l/min。
进一步地，步骤三中所述的激光离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为3000～4000w，焊接速度为7～8m/min，送丝速度为300～400mm/min，光丝间距为5～8mm，电弧电流为80～120a，电弧电压为15～25v，保护气采用ar气或ar/he混合气体，流量为40～50l/min。
进一步地，焊丝1成分为li:1.0％,cu:3.8-4.2％,mg:0.36-0.42％,ag:0.4％,fe:＜0.1％,si:0.1-0.2％,er:0.5-0.6％,zr:0.46-0.5％,al:余量；
焊丝2成分为si:12-13％,fe:＜0.2％,mn:0.03-0.04％,zn:＜0.1％,mg:0.02-0.03％,sc:0.4-0.6％，al:余量。
进一步地，激光器为co2气体激光器、yag固体激光器或半导体激光器。
本发明采用双侧激光填丝-cmt复合焊接的方式，如图1所示，从前到后依次为焊丝1，激光束，cmt焊枪(焊丝2)。其中焊丝1成分为li:0.9-1.1％,cu:3.5-4.5％,mg:0.32-0.44％,ag:0.3-0.4％,fe:＜0.1％,si:0.1-2％,er:0.4-1.2％,zr:0.43-0.85％,al:余量。焊丝2成分为si:12-15％,fe:＜0.2％,mn:0.02-0.04％,zn:＜0.1％,mg:0.01-0.03％,sc:0.2-0.8％,al:余量。焊丝1中的er、zr等元素可以细化晶粒且由于密度略大于铝，容易随熔池流动进入熔池底部，减小熔池底部(t型接头中心位置)与两侧成分差异，防止因成分差异导致裂纹由焊缝中心产生并扩展。er,zr复合添加会产生al3(er,zr)形核质点，相比al3zr以及al3er等尺寸更小，er与zr的相互促进作用，在添加更少量的稀土合金元素时，产生更好的效果，促进等轴晶形成，抑制热裂纹。焊丝2中的si元素可以抑制铝合金焊接裂纹产生，对裂纹源进行修补，但其含量过高会导致焊缝强度下降，因此用作外部补充层焊接，sc元素密度与母材较为接近，可用作外层强化元素，避免因si含量过高造成的性能恶化和晶粒粗大等问题。在本发明中，激光与电弧之间的间距(光丝间距)保持在3-8mm，其作用包括：1.延长熔池形态，降低冷却速度，降低残余应力强度，减少开裂倾向。2.避免激光与电弧距离过近(常规焊接中cmt电弧与激光距离一般在3mm以内)导致的焊丝2成分与焊丝1成分大量混合，导致焊缝内部强度显著降低。
本发明主要利用焊丝1的成分增强焊缝内部一致性、提高焊缝强度，在后侧熔池凝固前沿利用焊丝2的成分抑制裂纹。焊缝内热裂纹一般由低熔点共晶物形成的液膜和焊接残余应力场共同导致，而焊丝2通过增加低熔点成本比例，以及添加其他抑制裂纹元素，在凝固末期抑制由于液膜补充不足导致的开裂，进而抑制显微裂纹和整个焊缝横向及纵向的贯穿裂纹等。但同时要控制焊丝2和焊丝1的成分有限混合，在焊接方向上，焊丝2成分主要位于后侧凝固前沿。在深度方向上，焊丝2的成分主要分布于熔池上层，而少量渗透于熔池下半部分激光作用区，以达到既抑制裂纹又不损害强度的目的。同时，由于焊丝2的填充层超过一般所需焊缝余高的高度，一方面增大截面积提高了接头整体负荷能力，另一方面，可以在有需要的时候将其部分去除，达到减重和释放应力场的目的。
本发明相比于其他双侧焊接方式主要有以下几点优势：
1、使用了特殊设计的焊丝成分，激光区焊缝中心与边缘成分差异较小，在er、zr元素的作用下起到细化晶粒、抑制裂纹、提高强度等作用，在电弧区采用高含量的si元素抑制裂纹萌生，防止形成裂纹缺陷，尤其是贯穿裂纹等。
2、相比于预置应力或变形等方法，本发明从焊缝成分上进行改良，减小裂纹形成倾向，并更适用于各种生产条件，也可同时结合预置应力等方法进行焊接。并且，本发明可在保证熔池整体流动趋势的前提下，采用摆动激光、脉冲/交流cmt等热源进行进一步的消除气孔、减小热输入等改进。
3、电弧填充层具有优良的止裂作用，除了在凝固期间抑制裂纹，也可抑制裂纹扩展，减小接头迅速脆断的可能，避免事故发生。同时，也可以在焊接时增大填充层厚度，在焊后进行打磨修整，及时释放内应力，避免开裂。
4、由于采用较小的cmt焊接规范，其本身带来的接头软化效应远小于接头尺寸改变对性能的增强，且避免重复熔化导致接头及热影响区反复软化等问题。
附图说明
图1为双侧激光填丝-cmt复合焊接示意图；
图2为对比例双侧激光填丝焊焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头的焊缝截面图；
图3为对比例双侧激光填丝焊获得的接头形貌图；
图4为实施例1双侧激光填丝-cmt复合焊焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头的焊缝截面图；
图5为实施例1双侧激光填丝-cmt复合焊获得的接头形貌图。
图6为实施例2双侧激光填丝-cmt复合焊焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头的焊缝截面图；
图7为实施例2双侧激光填丝-cmt复合焊获得的接头形貌图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。
本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
分别利用常规双侧激光填丝焊以及本方法焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头。具体实验方法如下：
实施例1
本实施例焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头的方法如下：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
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，行条垂直于蒙皮表面，上方预紧力不小于50n，焊丝1倾角α为20°，激光倾角β为52°，焊枪倾角γ为35°，复合焊接头倾角θ为32°。
步骤三:两侧采用相同参数，激光离焦量为﹢3mm，激光功率为5000w，焊接速度为5m/min，送丝速度为180mm/min，光丝间距为5mm，电弧电流为85a，电弧电压为17v，保护气采用ar气，流量为25l/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后电弧起弧和送丝机送进焊丝，最后控制机器人使得复合焊接头同步运动完成焊接过程。
所述的焊丝1成分为li:1.0％,cu:3.5％,mg:0.37％,ag:0.35％,fe:＜0.1％,si:0.8％,er:0.7％,zr:0.6％,al:余量。焊丝2成分为si:13％,fe:＜0.2％,mn:0.03％,zn:＜0.1％,mg:0.01％,sc:0.5％，al:余量。
实施例2
本实施例焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头的方法如下：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
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，行条垂直于蒙皮表面，上方预紧力不小于50n，焊丝1倾角α为20°，激光倾角β为52°，焊枪倾角γ为35°，复合焊接头倾角θ为32°。
步骤三:两侧采用相同参数，激光离焦量为﹢3mm，激光功率为5000w，焊接速度为5m/min，送丝速度为180mm/min，光丝间距为2mm，电弧电流为85a，电弧电压为17v，保护气采用ar气，流量为25l/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后电弧起弧和送丝机送进焊丝，最后控制机器人使得复合焊接头同步运动完成焊接过程。
所述的焊丝1成分为li:1.0％,cu:3.5％,mg:0.37％,ag:0.35％,fe:＜0.1％,si:0.8％,er:0.7％,zr:0.6％,al:余量。焊丝2成分为si:13％,fe:＜0.2％,mn:0.03％,zn:＜0.1％,mg:0.01％,sc:0.5％，al:余量。
对比例
本实施例的常规双侧激光填丝焊焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头过程如下：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
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，行条垂直于蒙皮表面，上方预紧力不小于50n，焊丝(牌号为er4047)倾角α为20°，激光倾角β为52°，焊接头倾角θ为32°。
步骤三:两侧采用相同参数，激光离焦量为﹢3mm，激光功率为5500w，焊接速度为5m/min，送丝速度为230mm/min，保护气采用ar气，流量为25l/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后电弧起弧和送丝机送进焊丝，最后控制机器人使得复合焊接头同步运动完成焊接过程。
结果如图2至图7所示，图2和图3为对比例采用常规双侧激光填丝焊焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头的焊缝截面和表面照片，可看到除少量气孔外，焊缝中心有贯穿裂纹存在，并且沿焊接方向发展，在焊缝表面可以看到沿着焊接方向分布的焊接裂纹，位于焊道中心。导致焊后直接开裂。
图4和图5为采用实施例1焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头的焊缝截面和表面照片，可以看出焊缝体积相对较大，填充量也增加，焊缝内部热裂纹缺陷得到了良好的抑制。焊缝表面形貌饱满，焊缝的宽度相比常规方法有所增加，未见明显的表面裂纹。
图6和图7为采用实施例2焊接2195铝锂合金4mm桁条与6mm蒙皮t型接头的焊缝截面和表面照片，焊缝成形一侧与实施例1接近，无裂纹缺陷，但应用了较小的光丝间距后焊缝中产生了气孔缺陷，且由于光丝间距较小时电弧对激光熔池区域压力较大，两侧成形出现较大差异。说明该参数仅适用于平板对接接头，而不适用于双侧对称同步焊接。且由于焊丝成分过度混合，导致焊缝性能下降，仅为实施例1的73.6％。
由此可知，采用本发明的方法能够显著抑制表面裂纹且焊缝的宽度体积增加。但其工艺窗口较小，且相对对接接头有所改变，无法直接使用对接最优参数。
1.一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一:将工件的待焊接部位根据需要加工成所需要的精度，并对工件加工后的两侧表面进行打磨或清洗；
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，桁条垂直于蒙皮表面，采用双侧激光填丝-cmt相结合的方式焊接，上方预紧力不小于50n，焊丝1倾角α为15～35°，激光倾角β为5～10°，焊枪倾角γ为30～50°，复合焊接头倾角θ为15～40°；所述的焊枪上设置有焊丝2；
步骤三:双侧激光采用相同参数，激光离焦量为﹣5～﹢5mm，激光功率为1000～7000w，焊接速度为4～12m/min，送丝速度为100～750mm/min，光丝间距为3～8mm，电弧电流为50～140a，电弧电压为8～30v，保护气采用ar气或ar/he混合气体，流量为20～60l/min；
步骤四:在实际焊接过程中，采用机器人集成系统控制焊接工艺参数，首先激光器控制发出激光，然后电弧起弧和送丝机送进焊丝，最后控制机器人使得复合焊接头同步运动完成焊接过程；
其中焊丝1成分为li:0.9-1.1％,cu:3.5-4.5％,mg:0.32-0.44％,ag:0.3-0.4％,fe:＜0.1％,si:0.1-2％,er:0.4-1.2％,zr:0.43-0.85％,al:余量；
焊丝2为cmt电弧焊枪所用焊丝，成分为si:12-15％,fe:＜0.2％,mn:0.02-0.04％,zn:＜0.1％,mg:0.01-0.03％,sc:0.2-0.8％，al:余量。
2.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，其特征在于步骤二中所述的上方预紧力不小于50n，焊丝1倾角α为20～30°，激光倾角β为5～8°，焊枪倾角γ为35～40°，复合焊接头倾角θ为20～40°。
3.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，其特征在于步骤二中所述的上方预紧力不小于50n，焊丝1倾角α为15～30°，激光倾角β为5～8°，焊枪倾角γ为35～45°，复合焊接头倾角θ为25～40°。
4.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，其特征在于步骤三中所述的激光离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为2000～5000w，焊接速度为6～10m/min，送丝速度为200～500mm/min，光丝间距为4～6mm，电弧电流为50～100a，电弧电压为10～20v，保护气采用ar气或ar/he混合气体，流量为30～50l/min。
5.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，其特征在于步骤三中所述的激光离焦量为﹣3～﹢3mm，激光功率为3000～6000w，焊接速度为5～8m/min，送丝速度为300～600mm/min，光丝间距为5～7mm，电弧电流为70～90a，电弧电压为15～25v，保护气采用ar气或ar/he混合气体，流量为35～45l/min。
6.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，其特征在于步骤三中所述的激光离焦量为﹣1～﹢1mm，激光功率为3000～4000w，焊接速度为7～8m/min，送丝速度为300～400mm/min，光丝间距为5～8mm，电弧电流为80～120a，电弧电压为15～25v，保护气采用ar气或ar/he混合气体，流量为40～50l/min。
7.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，其特征在于焊丝1成分为li:1.0％,cu:3.8-4.2％,mg:0.36-0.42％,ag:0.4％,fe:＜0.1％,si:0.1-0.2％,er:0.5-0.6％,zr:0.46-0.5％,al:余量；
焊丝2成分为si:12-13％,fe:＜0.2％,mn:0.03-0.04％,zn:＜0.1％,mg:0.02-0.03％,sc:0.4-0.6％，al:余量。
8.根据权利要求1所述的一种抑制铝合金t型接头裂纹的焊接方法，其特征在于激光器为co2气体激光器、yag固体激光器或半导体激光器。
技术总结