鋁合金雷射焊接方法

2023-09-14 01:17:15

專利名稱：鋁合金雷射焊接方法
技術領域：
本發明涉及一種鋁合金板材或型材對接焊接的方法，具體地說是一種鋁合金雷射 焊接方法，屬於金屬焊接技術領域。
背景技術：
鋁合金不但具有高的比強度、比模量、斷裂韌度、疲勞強度和耐腐蝕穩定性，同時 還具有良好的成形工藝性，因此成為應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，廣泛應用於航 空、航天、高速軌道列車或其它運載工具的結構材料。然而，由於鋁合金材料特有的物理和 化學特性，決定了其獨特的焊接性，因此，鋁合金的焊接要求採用能量密度大、焊接熱輸入 小、焊接速度高的高效焊接方法。鋁合金雷射焊接技術(LaserWelding)是近十幾年來發展起來的一項新技術，與 傳統焊接工藝相比，它具有功能強、可靠性高、無需真空條件及效率高等特點。其功率密度 大、熱輸入總量低、同等熱輸入量熔深大、熱影響區小、焊接變形小、速度高、易於工業自動 化等優點，特別對熱處理鋁合金有較大的應用優勢。可提高加工速度並極大地降低熱輸入， 從而可提高生產效率，改善焊接質量。在焊接高強度大厚度鋁合金時，傳統的焊接方法根本 不可能單道焊透，而雷射深熔焊時形成大深度的匙孔，發生匙孔效應，則可以得到實現。雷射焊接鋁合金有以下優點能量密度高，熱輸入低，熱變形量小，熔化區和熱影 響區窄而熔深大；冷卻速度高而得到微細焊縫組織，接頭性能良好；與接觸焊相比，雷射焊 不用電極，所以減少了工時和成本；不需要電子束焊時的真空氣氛，且保護氣和壓力可選 擇，被焊工件的形狀不受電磁影響，不產生X射線；可對密閉透明物體內部金屬材料進行焊 接；雷射可用光導纖維進行遠距離的傳輸，從而使工藝適應性好，配合計算機和機械手，可 實現焊接過程的自動化與精密控制。雖然用雷射焊接鋁合金具有很多優點，但是由於這種工藝還不成熟，焊接時存在 著一些問題①鋁合金對雷射能的吸收很低；②合金元素燒損嚴重；③易產生氣孔；④熱裂 紋敏感性大。要解決這個問題，就必須從兩方面著手一是增大雷射功率密度；二是採用其 他措施來提高鋁合金對雷射能的吸收率。在現階段，大幅度提高雷射功率密度不但會遇到 技術上的問題，在成本上也是一個難題，所以，為了解決鋁合金雷射焊的一些問題，首要的 選擇就是提高鋁合金對雷射能的吸收率。將雷射的光能轉化為熱能的過程可用自由電子的經典模型來描述。雷射除被金屬 表面反射部分之外，主要被表層內的電子吸收。一般金屬的雷射穿透深度< 0. 1 μ m。表面層 電子吸收雷射光子的能量後能量升高，並在極短時間(KTllNl(Ticis)內通過與晶格碰撞， 轉化為晶格的振動能，引起材料溫度的升高，然後按照熱傳導的機理，把熱能向材料內部傳 播，使材料表面快速加熱，然後自身快速冷卻，而鋁合金對雷射的反射率高達80 % 90 %， 這是雷射焊接鋁合金的一個最大難點。鋁合金表面對雷射束的強烈反射不僅造成了大部分寶貴的雷射能量的損失，而且 也嚴重威脅著操作人員的身體健康。

發明內容
本發明主要目的在於解決上述問題和不足，提供一種鋁合金雷射焊接方法，其可 以大幅度提高鋁合金對雷射的吸收率，產生焊縫深度大、熱影響區小、外形美觀的金屬焊 件，在焊接鋁合金板材及型材時可有效提高焊接質量和焊接效率。為實現上述目的，本發明的技術方案是一種鋁合金雷射焊接方法，對鋁合金焊件的待焊部位進行雷射焊接前，對待焊接 部位進行納米金屬氧化物的預處理，即在鋁合金焊件的焊道上刷塗或噴塗一層納米金屬氧 化物。本發明的進一步改進在於，所述納米金屬氧化物先分散在醇類或酮類溶劑中，然 後再刷塗或噴塗在鋁合金焊件上，待焊件上的醇類或酮類溶劑揮發完全之後，即在焊道上 僅覆蓋納米金屬氧化物時，再進行鋁合金的雷射焊接。所述納米金屬氧化物在分散過程中 採用超聲分散法，分散溶劑優選丙酮溶液。所述納米金屬氧化物優選為納米三氧化二釔。在進行納米金屬氧化物預處理過程中，預處理帶的寬度為5-20mm，優選為10mm。 在鋁合金雷射焊接中，雷射束的離焦量為0mm，待焊接工件的焊接部分具有0. Imm或者更小 的對接空間。在對厚板鋁合型焊件進行焊接時，對焊接部分進行多次預處理，即將納米金屬氧 化物分多次刷塗或噴塗於焊件的焊道上。綜上內容，本發明所提供的鋁合金雷射焊接方法，在進行雷射焊接前，對焊件表面 進行納米金屬氧化物預處理，在納米金屬氧化物的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應、 吸收效應的作用下，可大幅度提高鋁合金表面對雷射的吸收率，可達90%左右，從而提高激 光的有效加熱深度，加大焊縫熔深，有效降低焊縫寬度和熱影響區寬度，還可改善焊縫金屬 的組織，在納米金屬氧化物的作用下鋁合金焊接接頭的晶粒得到了細化，最後能獲得熔深 較深，而熱影響區特別小，外形美觀，內部組織細小的焊件，同時焊接強度提高，有效提高焊 接質量和焊接效率。該焊接方法還同時適用於鎂合金、銅合金、鈦合金、低合金鋼等多種材料的焊接作 業。


圖1本發明結構示意圖。如圖1所示，待焊接工件1，雷射焊槍2，預處理帶3。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述如圖1所示，本發明所述的鋁合金雷射焊接方法，在進行雷射焊接前增加一個對 待焊接部位進行納米金屬氧化物預處理的過程，下面以焊接厚度為5mm，寬度為200mm，長 度為1500mm的鋁合金板材為例，進行詳細說明。雷射焊機採用HL2006D型Nd:YAG連續雷射器，波長為1.06微米、雷射輸出為0-2000W(平均功率)，單脈衝能量為0-200J、脈衝波形可任意設定、0. 6mm光纖傳輸，聚焦透 鏡焦距為200mm，焦點直徑為0. 6mm。根據金屬氧化物對雷射具有良好吸收的特點，再根據納米材料由超細微的粒徑所 賦於的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應、吸收效應等，決定選用納米金屬氧化物作為 鋁合金的預處理物質。這裡，可選用的納米金屬氧化物包括三氧化二釔、氧化鈰、氧化鑭、氧 化鋅、二氧化矽、三氧化二鋁、氧化鈦等，在本實施例中，優選採用納米三氧化二釔作為鋁合 金的預處理物質。納米三氧化二釔對雷射有著非常高的吸收率，高達90%多。當粘附在鋁合金表 面的納米三氧化二釔吸收雷射後，表面層電子的能量升高，並在極短時間( ο—11 I(TiqS) 內通過與晶格碰撞，轉化為晶格的振動能，引起表面鋁合金溫度的升高，然後按照熱傳導的 機理，把熱能向材料內部傳播，使鋁合金表面快速熔化；這時，納米三氧化二釔就會分散於 熔融的鋁合金中，熔融的鋁合金對雷射的吸收率非常大。納米三氧化二釔的這一特性能有 效增加焊接熔深，而且在高功率雷射照射下，有熱穩定性好，導熱性好，耐高溫，不反噴等特 點ο另外，分散於鋁合金裡的納米三氧化二釔在高溫作用下會產生Y3+離子，具有晶粒 細化、淨化、強化作用，它可與鋁合金中鋁以及其他微量元素形成金屬間化合物，並沿晶界 分布，這些金屬間化合物有效阻礙基體的變形和晶界的移動，提高合金強度，同時，微量的Y 可細化鋁合金的再結晶組織，能有效細化鋁合金焊接接頭鑄態枝晶組織，抑制粗大共晶組 織的形成.並細化了合金強化相Θ'相，可以提高鋁合金焊接接頭的性能。在焊接過程中，由於鋁合金對雷射的吸收率從始至終都非常大，所以此焊接方法 具有焊接速度快、焊縫窄、熱影響區小、焊接變形小等特點。在本實施例中，納米金屬氧化物顆粒需要先分散於醇類或者酮類溶液中，然後才 能刷塗或者噴塗在焊件表面上，其中醇類或者酮類溶液可選用甲醇、乙醇、聚乙二醇、聚乙 烯醇、丙酮、丁酮、6#溶劑油等，這些溶液易揮發。本實施例中優選用丙酮作為納米三氧化二 釔顆粒的溶劑，再分散過程中要進行超聲15min，使其達到最佳分散效果。如圖1所示，下面詳細描述該焊接方法具體步驟第一步將待焊鋁合金工件1和雷射焊槍2固定，用刷子將分散於丙酮中的納米三氧化二 釔刷塗到待焊部位，形成如圖1所示的預處理帶3，由於雷射的光斑直徑比較小，所以刷塗 納米三氧化二釔的預處理帶3寬度不宜過寬，一般選擇在5-20mm之間，在本實施例中，預處 理帶3寬度優選為10mm。對於厚板鋁合金(一般厚度超過16mm鋁合金板材或型材)需要多層汗焊接時，可 進行多次預處理，即進行多次刷塗或者噴塗，在大多數的情況下，只需要進行兩次預處理即 可滿足要求。第二步待焊接工件1上的丙酮揮發完全之後，在焊道上僅覆蓋納米三氧化二釔時，即可 進行鋁合金的雷射焊接。此時，以一個恆定的速度連續移動工件1，待焊接工件1的移動方向如圖1中箭頭 所示的方向，因為只有工件1移動，所以工件1的移動速度就決定了焊接速度，可以根據不同材料的特性和尺寸厚度等選擇不同的工件移動速度，焊接速度以焊透工件為選擇原則， 如需要焊接前述厚度的鋁合金板材，需要選擇移動速度為20mm/s。第三步工件1開始移動後，使用高能量的雷射束照射到已用納米三氧化二釔預 處理的鋁合金焊接部分，進行焊接，最終完成焊接。雷射焊接過程中，雷射束的離焦量為0mm，其它參數根據鋁合金的厚度給予調節； 對于于鋁合金板材或型材焊接工件的焊接部分允許有0. Imm或者更小的對接空間，且焊接 過程中不需要開坡口。最終完成焊接。如上所述，結合附圖和實施例所給出的方案內容，可以衍生出類似的技術方案。但 凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單 修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.一種鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於對鋁合金焊件的待焊部位進行雷射焊接 前，對待焊接部位進行納米金屬氧化物的預處理，即在鋁合金焊件的焊道上刷塗或噴塗一 層納米金屬氧化物。
2.根據權利要求1所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於所述納米金屬氧化物先 分散在醇類或酮類溶劑中，然後再刷塗或噴塗在鋁合金焊件上，待焊件上的醇類或酮類溶 劑揮發完全之後，即在焊道上僅覆蓋納米金屬氧化物時，再進行鋁合金的雷射焊接。
3.根據權利要求2所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於所述納米金屬氧化物在 分散過程中採用超聲分散法。
4.根據權利要求2所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於所述分散溶劑選用丙酮 溶液。
5.根據權利要求1至4任一項所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於所述納米金 屬氧化物為納米三氧化二釔。
6.根據權利要求1所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於在進行納米金屬氧化物 預處理過程中，預處理帶的寬度為5-20mm。
7.根據權利要求1所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於在進行納米金屬氧化物 預處理過程中，預處理帶的寬度為10mm。
8.根據權利要求1所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於在鋁合金雷射焊接中，激 光束的離焦量為0mm。
9.根據權利要求1所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於所述待焊接工件的焊接 部分具有0. Imm或者更小的對接空間。
10.根據權利要求1所述的鋁合金雷射焊接方法，其特徵在於在對厚板鋁合型焊件進 行焊接時，對焊接部分進行多次預處理，即將納米金屬氧化物分多次刷塗或噴塗於焊件的 焊道上。
全文摘要
本發明涉及一種鋁合金雷射焊接方法，該方法首先對待焊接部位進行納米金屬氧化物的預處理，即在鋁合金焊件的焊道上刷塗或噴塗一層納米金屬氧化物，納米金屬氧化物優選為納米三氧化二釔，然後再進行雷射焊接。該方法可大幅度提高鋁合金表面對雷射的吸收率，可達90％左右，從而提高雷射的有效加熱深度，加大焊縫熔深，有效降低焊縫寬度和熱影響區寬度，還可改善焊縫金屬的組織，在納米金屬氧化物的作用下鋁合金焊接接頭的晶粒得到了細化，最後能獲得熔深較深，而熱影響區特別小，外形美觀，內部組織細小的焊件。
文檔編號B23K26/42GK102079013SQ200910310729
公開日2011年6月1日 申請日期2009年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者丁叄叄, 呂任遠, 孟立春, 楊尚磊, 林君山, 林慶琳, 羅斌, 陳文賓 申請人:南車青島四方機車車輛股份有限公司