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解決方案

鋁合金激光焊接前的激光清潔

星之球科技 來源:榮格2015-08-17 我要評論(0 )   

鋁合金因其質(zhì)輕,易于成型/加工,強(qiáng)度好,一般用于汽車、航天/航空和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)。連接鋁合金面板和薄板通常使用機(jī)械鉚接、電弧焊接、釬焊、攪拌摩擦焊、激光焊接、混合激...

      鋁合金因其質(zhì)輕,易于成型/加工,強(qiáng)度好,一般用于汽車、航天/航空和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)業(yè)。連接鋁合金面板和薄板通常使用機(jī)械鉚接、電弧焊接、釬焊、攪拌摩擦焊、激光焊接、混合激光/電弧焊接。激光焊接速度很快,熱變形小。但是,激光焊接鋁合金通常會形成大量氣孔,因此焊點(diǎn)強(qiáng)度極低——通常是母材的50%-75%。激光焊接鋁合金產(chǎn)生氣孔的原因有很多:表面污染,包括表面氧化層的氫。氫通常困在鋁合金表面的氧化層。在激光焊接過程中,氫會被釋放出來,溶解在熔體池。氫在液態(tài)鋁中的溶解度要比在固態(tài)鋁中高得多。在液態(tài)情況下,氫的溶解度是:
 

鋁合金激光焊接前的激光清潔 

S是氫在273°K和760T條件下的溶解度,T是指溫度(K),P是指氫的分壓(1T=0.133mbar)
 
       從上可以看出,氫在液體鋁中的溶解度是在固體鋁中的20倍。因此,鋁合金在熔池中會吸收大量氫,在凝固過程中以氣孔的形式釋放出來。其它表面有機(jī)污染物如石油和油脂也會致使氫氣困在焊接區(qū)域。氫氣產(chǎn)生的氣孔通常較?。ㄖ睆叫∮?.5mm)。熔池中的氣孔會緩慢移動(dòng)。氣孔移動(dòng)速度可以通過測量得出:
 

鋁合金激光焊接前的激光清潔

 
 
       R是氣孔的半徑,Δþ是其空中液體和氣體的密度區(qū)別;g是重力加速度;μ是液體的動(dòng)力粘度;þ是液體的密度。對于鋁合金中直徑為50μm的氣孔來說,其移動(dòng)速度是4-6mm/s,而液體凝固速度通常是20-50mm/s,因此氣孔難以排出。
 
       激光匙孔。這通常出現(xiàn)在匙孔(深熔)焊接中,激光功率密度超過106W/cm2。對于焊接相對厚一些的鋁合金(大于3mm),匙孔焊接能夠?qū)崿F(xiàn)深熔。匙孔之所以形成,是因?yàn)榧す夂附舆^程中產(chǎn)生高壓蒸汽/等離子,蒸汽脫離熔池時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈反沖壓力會生成深深的蒸汽孔。和較低功率密度傳熱激光焊接相比,這種匙孔會讓激光光束在材料的更深層面被吸收。如果鎖孔不牢固(一旦材料表面張力超過蒸汽反沖壓力,匙孔就會瓦解)或者材料凝固速度太快,蒸汽就會被困在熔化區(qū),并形成大氣孔(一般大于0.5mm)。
 

圖1:激光焊接AA6014鋁合金時(shí)激光功率、焊接速度及薄板間隙對氣孔 形成的影響。

 圖1:激光焊接AA6014鋁合金時(shí)激光功率、焊接速度及薄板間隙對氣孔形成的影響。
 
       合金元素的蒸發(fā)。合金材料如鎂、錳、銅和硅等會被蒸發(fā),困在熔化區(qū),從而形成氣孔。這些合金元素還將改變材料表面的張力和粘度。
 
       有很多方法可減少激光焊接輕合金時(shí)產(chǎn)生的氣孔。例如,控制氣體噴射法,擺動(dòng)光束,雙光束焊接,以及表面清潔。使用激光功率低的傳導(dǎo)限制型激光焊接通常產(chǎn)生的氣孔較少,但是加工效率也要低一些。
 
       本文對利用激光清潔技術(shù)來減少激光焊接中產(chǎn)生的氣孔進(jìn)行了個(gè)案研究,對象為車身用6000系合金(AA6014)或通常所說的AC-170PX,其材料中含有0.5-0.7%的鋁,0.35%(最多)氟,0.2%的銅,和0.05-0.2%的錳。在鋁合金板成型加工過程中,鋁合金表面鍍有鈦和鋯(4mg/m2)和固體潤滑劑,在成型加工后會殘留在材料表面。焊接工作由填充焊絲和5.3kW的碟片激光器來完成。

激光功率、速度和薄板間隙對氣孔的影響
 
       圖1顯示了使用 AA4043(5.3%的硅)焊絲進(jìn)行角邊焊接時(shí)激光功率(2-5.3kW)、焊接速度和薄板間隙對焊接氣孔形成的影響。在不同的焊接條件下,線能量(單位長度的能量)相近,但激光功率越高(速度越快),氣孔越多。在薄板之間留下空隙能大大減少氣孔,但是氣孔數(shù)量仍然較多。這些氣孔的直徑通常小于200μm,如圖2所示。

圖2:以5300W激光功率和50mm/s焊接速度對 AA6014合金實(shí)施激光焊接時(shí)的氣孔大小分布。

圖2:以5300W激光功率和50mm/s焊接速度對AA6014合金實(shí)施激光焊接時(shí)的氣孔大小分布。
 
焊絲對氣孔的影響

       圖3顯示了3種不同焊絲對氣孔的影響:AA4043(5.2%的硅),AA4047(12%的硅),和 AA3004(0.3%的硅、1-1.5%的錳及0.8-1.3%的鎂)在激光焊接AA6014合金時(shí)的氣孔形成情況。硅和鎂的含量越高似乎有助于減少氣孔形成。硅增加了材料的流動(dòng)性,減少了液體階段的粘性,因此能夠減少氣孔。錳/鎂盡管更容易氣化,但能夠填補(bǔ)鋁合金中這些元素的缺失。錳和鎂會降低材料表面的張力,從而降低鎖孔瓦解的幾率。
 

圖3:以5300W激光功率和50mm/s焊接速度進(jìn) 行焊接時(shí),3種不同焊絲對氣孔形成的影響。

圖3:以5300W激光功率和50mm/s焊接速度進(jìn)行焊接時(shí),3種不同焊絲對氣孔形成的影響。
 

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激光清潔激光技術(shù)激光焊接鋁合金
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