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脉冲激光焊接铝合金模具试验研究

2018-08-29 13:20:00
陆启蒙
原创
1345

铝合金的 激光焊接是近年来最热门的研究项目。不少单位研究了许多 激光焊接铝合金的工艺方法。激光焊接是近20年才研发的制造新技术,正在成为通用加工工具,必将取代传统的制造技术,得到了各国政府及企业的高度重视。激光焊接的诸多优点为铝合金焊接提供了条件。激光焊接的最大特点是能把光束聚焦到很小的范围内,并且能很方便的输送到任何需要的地方。

激光焊接的主要优点 

1) 能量密度高,热输入量少,工件热变形量小;

2) 熔化区、热影响区窄,而熔深很大;

3) 焊后自然冷却速度极高,可达106℃/S,从而焊接熔化区组织非常细微,使接头性能良好;

4) 激光焊接不同一般焊接,不需要电极,因而降低了成本;

5) 激光焊接不同于电子束焊接,不需要真空,提高了工作效率。所用保护气体压力,流量可调节;被焊工件形状、大小不受限制;

6)  激光可远距离输送,工艺适应性好;

7) 激光与 计算机、机械手等配合,很容易实现焊接过程 自动化,大大提高了焊接效率;

8)  YAG激光焊接铝合金,激光被吸收的效率高,约为20%。远远超过对CO2激光的吸收率。

激光焊接铝合金的难点

激光焊接由于有上列诸多优点,广泛地应用于各种材料的焊接,而应用于铝合金焊接却遇到了一系列困难,研究者充分注意到了下列激光焊接铝合金的难点:

1)铝熔点低,在光束作用下很容易离子化,焊接时熔池上方 等离子体气团较大,焊接时必须予以冲散,否则影响激光吸收效率;

2) 铝合金焊接时,由于熔池内元素不均匀挥发,致使焊接接头软化,强度下降;

3) 铝合金表面存在难熔的氧化膜(Al2O3熔点2060℃),只有大 功率密度的激光才能熔化;

4) 铝合金焊接焊缝容易产生气孔,产生气孔的原因有三个:①溶解在熔池中的氢(铝在液态易吸氢)在冷却过程中析出又未溢出溶池,形成气孔,称冶金气孔;②未完全熔化的氧化膜中水分热分解析出氢,它依附于氧化膜而形成气孔,称为氧化膜孔;③深熔焊时匙孔不稳定,留下未填满的孔,称为焊根孔;

5) 铝合金焊缝冷却速度相当快,可达106℃/S,熔池凝固时柱状晶发展极快,极易在柱状晶截面产生裂纹,称为结晶裂纹;由于冷却收缩也会在焊缝附近形成裂纹,称为液化裂纹。一般来说合金元素含量越高则产生裂纹的可能性越大,焊接速度越大则焊缝中裂纹数越多;

6) 铝合金的膨胀系数大,在冷却过程中极易使焊件变形;

7) 铝合金的导热率大,约为钢的4倍,用样的焊接就需要更高的功率密度。

试验方法及工艺选择 

YAG脉冲激光 焊接设备 

我公司于2006年由德国罗芬公司引进“SW TOOL OPEN Ⅱ” 激光加工机,其主要指标如下:

(1)激光类型: Nd:YAG

(2)激光波长: 1.6um

(3)脉冲宽度: 0.3~20ms

(4)脉冲频率: 1~20Hz

(5)最大脉冲能量: 100J

(6)最大平均功率: 150W

(7)最大峰值脉冲功率: 10kW

(8) 光斑直径: 200~1200um

(9)光束发散角: 235mrad

(10)模式: 多模

研究用铝合金材料 

由于2A12铝合金的合金元素含量较高,焊后极易出现裂纹及强度下降。

基于铝合金对激光反射比较强,2A12铝合金表面需要黑化处理,以增加2A12铝合金对激光的吸收。实验先采取表面不处理的2A12铝合金,如果不可以,再采用经过表面黑化处理的2A12铝合金。

保护气体的选择 

根据资料介绍,铝合金激光焊接保护气体最好使用He-Ar混合气体,保护气体流速约为10L/minHe+5L/minAr。

保护气体需要有足够的纯度,尤其要求H2和H2O含量要低。铝在液态极易吸收氢,而在冷却过程中析出,形成气孔;H2O高温下与AL发生反应放出H2,也会形成气孔。

氢是很好的保护气体,但对于铝合金的激光焊接不仅带走的余热少,而且熔池上方的等离子气团严重,因此采用纯氩做保护气体不是十分有利。

尽管如此,考虑到目前条件及焊接成本,本研究还是选择纯氩Ar做保护气体。

YAG脉冲激光工艺参数的选择 

YAG脉冲激光焊接时可供选择的工艺参数有:脉冲能量J、脉冲宽度t、脉冲频率F、光斑直径d。

根据资料介绍,脉冲激光焊接很少采用深熔焊,尽管能够深熔焊,一般采用传导焊,而铝合金传导焊功率密度为105~106W/cm2,也就是说铝合金焊接时功率密度不能选择太高。

我们所选用的YAG脉冲激光焊机,脉冲能量J、脉冲宽度t有下表所列关系,而脉冲能量J又决定了脉冲频率f。

脉冲激光焊接铝合金模具试验研究

应该选取较大的脉冲能量,因为铝合金热导系数较大,是钢的4倍;铝合金表面又有难熔的氧化膜(Al2O3);铝合金对激光反射又严重。

铝合金焊缝质量检验 

为了确定铝合金焊缝质量,首先进行外观检验,例如:

① 焊缝成形是否良好?是否有飞溅?焊缝是否连接?是否有裂纹?必要时应留有外观相片;

② 焊缝横断面组织状况,熔区形状、气孔、裂纹、组织等,必要时留取显微组织相片;

③ 焊缝形状有关尺寸,焊缝熔深,焊缝宽度,半深宽度等。

铝合金焊缝性能检测 

为了求证铝合金焊接是否存在成分不均匀挥发,需用电子探针对焊接前后的铝合金材料各元素含量进行全分析,主要测Cu、Mg含量。

为了求证铝合金经焊接会软化,从而强度下降,需要做抗拉强度ob的测定。

脉冲激光焊接铝合金模具试验研究

脉冲激光焊接铝合金模具试验研究

试验结果

在焊道横剖面上测得的熔深与脉冲能量关系结果示于图1,从图1中得出该设备焊接2A12铝合金最大熔深可达0.33mm。试验所焊接2A12铝合金焊道结晶裂纹严重、气孔较多,如图2所示。

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