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          脈沖激光焊接鋁合金模具試驗研究

          2018-08-29 13:20:00
          陸啟蒙
          原創(chuàng )
          5702

          鋁合金的激光焊接是近年來(lái)最熱門(mén)的研究項目。不少單位研究了許多激光焊接鋁合金的工藝方法。激光焊接是近20年才研發(fā)的制造新技術(shù),正在成為通用加工工具,必將取代傳統的制造技術(shù),得到了各國政府及企業(yè)的高度重視。激光焊接的諸多優(yōu)點(diǎn)為鋁合金焊接提供了條件。激光焊接的最大特點(diǎn)是能把光束聚焦到很小的范圍內,并且能很方便的輸送到任何需要的地方。

          激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn) 

          1) 能量密度高,熱輸入量少,工件熱變形量??;

          2) 熔化區、熱影響區窄,而熔深很大;

          3) 焊后自然冷卻速度極高,可達106℃/S,從而焊接熔化區組織非常細微,使接頭性能良好;

          4) 激光焊接不同一般焊接,不需要電極,因而降低了成本;

          5) 激光焊接不同于電子束焊接,不需要真空,提高了工作效率。所用保護氣體壓力,流量可調節;被焊工件形狀、大小不受限制;

          6) 激光可遠距離輸送,工藝適應性好;

          7) 激光與計算機、機械手等配合,很容易實(shí)現焊接過(guò)程自動(dòng)化,大大提高了焊接效率;

          8) YAG激光焊接鋁合金,激光被吸收的效率高,約為20%。遠遠超過(guò)對CO2激光的吸收率。

          激光焊接鋁合金的難點(diǎn)

          激光焊接由于有上列諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛地應用于各種材料的焊接,而應用于鋁合金焊接卻遇到了一系列困難,研究者充分注意到了下列激光焊接鋁合金的難點(diǎn):

          1)鋁熔點(diǎn)低,在光束作用下很容易離子化,焊接時(shí)熔池上方等離子體氣團較大,焊接時(shí)必須予以沖散,否則影響激光吸收效率;

          2) 鋁合金焊接時(shí),由于熔池內元素不均勻揮發(fā),致使焊接接頭軟化,強度下降;

          3) 鋁合金表面存在難熔的氧化膜(Al2O3熔點(diǎn)2060℃),只有大功率密度的激光才能熔化;

          4) 鋁合金焊接焊縫容易產(chǎn)生氣孔,產(chǎn)生氣孔的原因有三個(gè):①溶解在熔池中的氫(鋁在液態(tài)易吸氫)在冷卻過(guò)程中析出又未溢出溶池,形成氣孔,稱(chēng)冶金氣孔;②未完全熔化的氧化膜中水分熱分解析出氫,它依附于氧化膜而形成氣孔,稱(chēng)為氧化膜孔;③深熔焊時(shí)匙孔不穩定,留下未填滿(mǎn)的孔,稱(chēng)為焊根孔;

          5) 鋁合金焊縫冷卻速度相當快,可達106℃/S,熔池凝固時(shí)柱狀晶發(fā)展極快,極易在柱狀晶截面產(chǎn)生裂紋,稱(chēng)為結晶裂紋;由于冷卻收縮也會(huì )在焊縫附近形成裂紋,稱(chēng)為液化裂紋。一般來(lái)說(shuō)合金元素含量越高則產(chǎn)生裂紋的可能性越大,焊接速度越大則焊縫中裂紋數越多;

          6) 鋁合金的膨脹系數大,在冷卻過(guò)程中極易使焊件變形;

          7) 鋁合金的導熱率大,約為鋼的4倍,用樣的焊接就需要更高的功率密度。

          試驗方法及工藝選擇 

          YAG脈沖激光焊接設備 

          我公司于2006年由德國羅芬公司引進(jìn)“SW TOOL OPEN Ⅱ”激光加工機,其主要指標如下:

          (1)激光類(lèi)型: Nd:YAG

          (2)激光波長(cháng): 1.6um

          (3)脈沖寬度: 0.3~20ms

          (4)脈沖頻率: 1~20Hz

          (5)最大脈沖能量: 100J

          (6)最大平均功率: 150W

          (7)最大峰值脈沖功率: 10kW

          (8)光斑直徑: 200~1200um

          (9)光束發(fā)散角: 235mrad

          (10)模式: 多模

          研究用鋁合金材料 

          由于2A12鋁合金的合金元素含量較高,焊后極易出現裂紋及強度下降。

          基于鋁合金對激光反射比較強,2A12鋁合金表面需要黑化處理,以增加2A12鋁合金對激光的吸收。實(shí)驗先采取表面不處理的2A12鋁合金,如果不可以,再采用經(jīng)過(guò)表面黑化處理的2A12鋁合金。

          保護氣體的選擇 

          根據資料介紹,鋁合金激光焊接保護氣體最好使用He-Ar混合氣體,保護氣體流速約為10L/minHe+5L/minAr。

          保護氣體需要有足夠的純度,尤其要求H2和H2O含量要低。鋁在液態(tài)極易吸收氫,而在冷卻過(guò)程中析出,形成氣孔;H2O高溫下與AL發(fā)生反應放出H2,也會(huì )形成氣孔。

          氫是很好的保護氣體,但對于鋁合金的激光焊接不僅帶走的余熱少,而且熔池上方的等離子氣團嚴重,因此采用純氬做保護氣體不是十分有利。

          盡管如此,考慮到目前條件及焊接成本,本研究還是選擇純氬Ar做保護氣體。

          YAG脈沖激光工藝參數的選擇 

          YAG脈沖激光焊接時(shí)可供選擇的工藝參數有:脈沖能量J、脈沖寬度t、脈沖頻率F、光斑直徑d。

          根據資料介紹,脈沖激光焊接很少采用深熔焊,盡管能夠深熔焊,一般采用傳導焊,而鋁合金傳導焊功率密度為105~106W/cm2,也就是說(shuō)鋁合金焊接時(shí)功率密度不能選擇太高。

          我們所選用的YAG脈沖激光焊機,脈沖能量J、脈沖寬度t有下表所列關(guān)系,而脈沖能量J又決定了脈沖頻率f。

          脈沖激光焊接鋁合金模具試驗研究

          應該選取較大的脈沖能量,因為鋁合金熱導系數較大,是鋼的4倍;鋁合金表面又有難熔的氧化膜(Al2O3);鋁合金對激光反射又嚴重。

          鋁合金焊縫質(zhì)量檢驗 

          為了確定鋁合金焊縫質(zhì)量,首先進(jìn)行外觀(guān)檢驗,例如:

          ① 焊縫成形是否良好?是否有飛濺?焊縫是否連接?是否有裂紋?必要時(shí)應留有外觀(guān)相片;

          ② 焊縫橫斷面組織狀況,熔區形狀、氣孔、裂紋、組織等,必要時(shí)留取顯微組織相片;

          ③ 焊縫形狀有關(guān)尺寸,焊縫熔深,焊縫寬度,半深寬度等。

          鋁合金焊縫性能檢測 

          為了求證鋁合金焊接是否存在成分不均勻揮發(fā),需用電子探針對焊接前后的鋁合金材料各元素含量進(jìn)行全分析,主要測Cu、Mg含量。

          為了求證鋁合金經(jīng)焊接會(huì )軟化,從而強度下降,需要做抗拉強度ob的測定。

          脈沖激光焊接鋁合金模具試驗研究

          脈沖激光焊接鋁合金模具試驗研究

          試驗結果

          在焊道橫剖面上測得的熔深與脈沖能量關(guān)系結果示于圖1,從圖1中得出該設備焊接2A12鋁合金最大熔深可達0.33mm。試驗所焊接2A12鋁合金焊道結晶裂紋嚴重、氣孔較多,如圖2所示。

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