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钢铝激光焊接的难点及工艺研究

2013.03.04 186 字号
     随着能源问题的突出及材料科学的发展,轻型有色金属在机械、汽车、航空航天等领域的使用越来越广泛,并且各种技术日趋成熟。以钢、铝合金异种材料作为车身材料可极大减轻汽车自重,不仅提高了燃油经济性,同时也保障了汽车在行驶中的安全性。将钢与铝或铝合金连接成为异种金属结构,具有独特的优势和良好的经济效益。目前,钢和铝的连接主要采用铆接或螺栓连接、焊接等机械连接方法。前两者接头质量大,接头形状受限;焊接主要采用电阻焊、惰性气体钨极保护焊(TIG)、摩擦搅拌焊、扩散焊、钎焊、爆炸焊、磁脉冲焊(MPW)等方法,其缺点是难以自由选择接头形式,应用范围较窄。激光焊热量集中,热源能准确控制,应力应变小,因此激光焊与其他方法相比,更适合于钢、铝异种材料的焊接。
 
  钢-铝焊接存在的难点
 
  钢-铝焊接存在一定困难,两者焊接难以得到优良焊缝。这种难点的根源主要是钢、铝及铝合金材料中的主要元素Fe和Al的物理参数、力学参数、品格参数、组织结构相差甚远。两者物理参数上,密度、熔沸点、热导率、线膨胀系数等相差悬殊。悬殊较大的热导率、线膨胀系数使焊接过程中接头处变形严重,并且存在很大的焊接应力,易导致裂纹产生;Fe、Al品格结构上存在较大差异,如表2所示。铁在铝中的固溶度几乎为0(在225~600℃,铁在铝中的固溶极限为0.01%~0.022%),Fe与Al易形成FeAl2、FeAl3、Fe2Al5等一系列硬而脆的金属间化合物,导致焊接接头塑韧性降低。另外,焊接过程中Al母材表面形成难熔的Al2O3氧化膜,并且熔池温度越高,表面氧化膜越厚。这种氧化膜既能形成焊缝夹渣,又直接影响焊缝金属的熔合,导致焊缝塑性差、承载能力低、抗冲击能力差。
 
  钢-铝激光焊接工艺研究
 
  钢、铝激光焊接的焊缝质量受多方面因素的影响,主要包括焊接工艺工夹、焊接工艺参数、焊接前处理、被焊接材料的物理性质等。其中焊接工艺参数的影响占主导地位,主要包括激光功率、离焦量、焊接速度、脉冲频率(连续模式无此项)、保护气体的类型及流量等。激光功率直接决定了光功率密度。若功率过小,材料因热输入过少、熔化量不够导致焊缝填充不足;功率过大又会引起材料汽化彤成等离子体屏蔽材料对激光吸收或者使焊后焊缝表面产生飞溅。激光焊接速度决定了焊池凝固时间的长短,进而影响内部晶粒的生长。若焊接速度过快,熔池内材料急剧冷却,得不到细化的晶粒,组织杂乱,力学性能差,某些情况下甚至会产生微裂纹、焊缝填充不足。另外,脉冲频率与焊接速度共同影响着焊缝质量,脉冲频率为30~60Hz时焊缝质量较好。离焦量是激光聚焦后光斑与材料表面的距离。光斑位于材料上方时为正离焦,反之为负。采用负焦量时更易获得高质量的焊缝且最佳离焦位于焊缝深度1/3处,焊缝能达最大焊深。保护气体的作用是包围焊池防止其氧化,并适当加速焊缝的冷却,减小焊缝热影响区宽度。保护气体的物理性质、导热系数、水中的溶解性等方面的差异对焊接质量的影响不同。密度较大的气体在高温下仍能够较好地处于焊接件的周围以防止焊接件氧化。气体密度对焊缝的影响比其电离产生的效应更大。

   为减小或消除激光功率、离焦量、焊接速度、脉冲频率、保护气体的类型及流量等工艺参数对钢、铝激光焊接缺陷的影响,国内外学者进行了大量的实验研究。国外G.Sierra等试验中采用Nd:YAG激光器对DC04低碳钢和6056-T4、6016-T6铝合金(两者厚度均为1.2mm)进行焊接研究,功率范围是2.25~3.5kW,焊接速度为4~6m/min。焊接时采用两种聚焦透镜:150mm聚焦镜光斑直径为0.45mm,功率密度为1400~1600kW/cm2;200mm聚焦镜光斑直径为0.6mm,功率密度为1100kW/cm2。焊接时采用钢上铝下和铝上钢下对比试验来加深对液态钢、铝间的相互作用机理的理解。焊接前采用计算机优化工艺参数,并得到了焊缝深度与光功率密度之间近似直线的关系。实验结果表明,实验所得焊缝的深度及对应的工艺参数均与模拟值接近。M.J.Torkamany等采用工作在脉冲模式下的Nd:YAG激光器进行了低碳高强钢ST14和5754铝合金(厚度分别为0.88mm、2mm)的焊接研究。实验中工艺参数:功率为200W,频率为20Hz,焊接速度为5mm/s,离焦量为1.5mm,脉冲峰值功率在1~2.1kW之间变化,脉冲宽度在3.7~10ms之间变化。他们通过实验研究了工艺参数对焊缝界面金属间化合物形成及焊缝成形质量的影响。德国不莱梅激光研究所的Kreimeyer等采用大功率CO2激光器、YAG激光器在Ar与He混合作为保护气体的条件下分别对镀锌钢板和铝合金板进行了对接和搭接实验焊接,焊接前用非腐蚀钎剂FLH-2除去试样的氧化膜。研究表明,以高能激光束焊接可降低热输入,减少金属间化合物层的厚度。另外,钎剂中的Zn作为过渡层,增加了铝对钢的润湿性,进一步减小了金属间化合物层厚度。接头具有较高的强度,拉伸实验中接头在铝一侧的热影响区断裂。丁健君等采用1kW的YAG激光源,以Ar作为保护气体,在聚焦后光斑直径为6mm且束斑覆盖面积(比例为2:1)XC18低碳钢多于6056铝合金的条件下进行了两者的搭接焊实验。实验前用“Nocolok flux”钎剂溶于酒精后涂于两试样表面以消除氧化层对钢铝间润湿性的影响。实验结果表明,激光对材料结合部的加热温度允许在铝材与钢材的熔点之间,当加热温度高(可至800℃左右)时,铝熔体对钢表面有较好的润湿性,但过高会抑制湿润性。经能谱(EDS)分析,所得焊缝中的组织以Fe3Al、FeAl、FeAl3和Fe2Al5为主,金属间化合物层中厚30μm处未发现组织裂纹。此外,Hui-Chi Chen等和ShiYan等对镀锌钢和铝合金进行了激光搭接焊接研究,探讨了不同工艺参数对焊缝成形质量和焊缝缺陷控制的影响。(以上由高能激光切割机编辑整理于网络再次转载请说明出处)