專利名稱：一種提高鋁合金激光焊接過(guò)程中熔深的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高鋁合金激光焊接的方法。
背景技術(shù)：
鋁合金以其良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，越來(lái)越多地用于各類工業(yè)產(chǎn)品中，特別是在航空航天、電子以及汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是鋁合金的焊接曾經(jīng)是比較困難的問(wèn)題，直到交流鎢極氬弧焊的普及才相對(duì)解決了普通鋁合金的焊接這一問(wèn)題。激光焊接是在最近幾十年發(fā)展起來(lái)的新型焊接技術(shù)，具有熱輸入少，能量密度集中、熱影響區(qū)變形小的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行精密件的焊接，目前激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中有著越來(lái)越多的應(yīng)用。然而，在激光焊接用于鋁合金時(shí)，也存在著很多的缺點(diǎn)和問(wèn)題。最嚴(yán)重的問(wèn)題就是由于鋁及鋁合金 對(duì)激光的初始反射率高，在激光焊接時(shí)導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定，由于高的反射率使的大部分能量都被反射掉而不能被鋁基體吸收。典型的鋁合金對(duì)波長(zhǎng)為10. 6 μ m的( 激光反射率高達(dá)97%以上，對(duì)于YAG激光器，其反射率也達(dá)到了 80%以上；同時(shí)由于鋁合金自身高的導(dǎo)熱性能(大多數(shù)鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)越為普通碳鋼的3倍)，這種情況造成激光焊接困難，很多時(shí)候不能熔化成型，典型的CO2激光束當(dāng)功率為3Kw時(shí)掃描光潔的鋁合金表面，甚至不能形成熔池，而且被反射的激光仍有很高的功率，如果控制不好反射方向?qū)p害設(shè)置甚至威脅操作人員的人身安全。所以鋁合金對(duì)激光的高反射率以及高的熱導(dǎo)率、在很大程度上限制了鋁合金激光焊接的廣泛應(yīng)用。為了改善激光鋁合金激光焊接過(guò)程中的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已進(jìn)行了大量研究。根據(jù)焊接機(jī)理不同，激光焊接分為熱導(dǎo)焊和深熔焊兩種模式。激光熱導(dǎo)焊依靠材料表面吸收激光能量，通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式向內(nèi)部傳到熱量。激光深熔焊焊接則是依靠高密度激光激發(fā)引起材料局部蒸發(fā)，在蒸汽壓力作用下熔池表面下陷形成小孔，激光束通過(guò)小孔效應(yīng)深入到熔池內(nèi)部。鋁合金在焊接時(shí)，由于表面反光嚴(yán)重，依靠熱傳導(dǎo)模式獲得熔深極為有限，一般不超過(guò)O. 5mm，所以要獲得大的熔深必須采用激光熔深焊模式，即要求獲得小孔效應(yīng)。研究結(jié)果表明，鋁合金激光焊接時(shí)，小孔效應(yīng)的形成與激光束中的蒸汽氛圍有很大關(guān)系，如果蒸汽氛圍中存在Zn、Mg等蒸汽，那么可以極大地改善吸光效果，大幅度提高激光束中的能量吸收率，可以快速形成小孔，一旦有小孔形成，那么就可以將鋁合金蒸發(fā)形成金屬蒸汽等離子體，持續(xù)產(chǎn)生的金屬蒸汽則可以保證了小孔的繼續(xù)形成，即形成深熔深焊縫。因此如果人為在激光束中引入一些金屬蒸汽氛圍，那么對(duì)于提高鋁合金激光焊接中能量吸收率，促進(jìn)小孔效應(yīng)的形成是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題提供一種提高鋁合金激光焊接過(guò)程中熔深的方法，選擇了低沸點(diǎn)的鋅或鎂作為小孔形成的誘導(dǎo)元素，利用小孔效應(yīng)獲得較好的熔深。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種提高鋁合金激光焊接過(guò)程中熔深的方法，包括步驟如下
( I)首先對(duì)被焊鋁合金被焊部位進(jìn)行清理，再對(duì)其進(jìn)行噴砂處理，獲得有一定粗糙度的清潔表面；(2)將顆粒度為微米級(jí)別的金屬粉鋅粉或鎂粉用丙酮混成稀糊涂抹于噴砂后的鋁合金表面，厚度1-20微米；(3)用等離子噴涂將鋁粉噴涂在涂有鋅粉或鎂粉的表面，鋁粉涂層厚度為10-100微米，獲得結(jié)合致密的結(jié)合層；(4)對(duì)上述方法獲得的表面進(jìn)行激光焊接或熔覆。上述方法中，步驟(I)所述的噴砂處理的原料為石英砂或金剛砂；噴砂處理的時(shí)間為2-10分鐘；步驟(2)所述的金屬粉與丙酮的用量比例范圍為每100克金屬粉末用200毫升-500毫升丙酮調(diào)配。
上述的等離子噴涂及激光焊接或熔覆均采用現(xiàn)有技術(shù)。等離子噴涂?jī)?yōu)選的工藝為電壓為30-40V，電流為500-600A，噴涂距離60_90mm，噴涂粉末的速度為亞音速。本發(fā)明之所以先用噴砂處理，一是為了進(jìn)一步清除殘留的鋁合金氧化膜，再一個(gè)為了獲得相對(duì)粗糙的表面，便于下一步涂覆鋅或鎂涂層。鋅或鎂涂層只所以不用等離子噴涂的方法噴涂，是因?yàn)槠浞悬c(diǎn)太低，在噴涂過(guò)程中蒸發(fā)及氧化嚴(yán)重，難以獲得合適的含量。進(jìn)一步進(jìn)行等離子噴涂鋁粉，一方面是利用噴涂的鋁粉覆蓋涂覆的鋅或鎂涂層，增加涂層的穩(wěn)定性，再一個(gè)利用噴涂后的鋁粉形成的粗糙度可以提高對(duì)激光的吸收效果。由于噴涂出的鋁粉到達(dá)工件的熱量較少，所以不會(huì)造成因溫度過(guò)高而引起鋅粉或鎂粉的蒸發(fā)。在進(jìn)行激光焊接或熔覆的時(shí)候，當(dāng)激光束照到噴有鋁粉的涂層時(shí)，一方面粗糙的噴涂面由于漫反射的作用大大提高了對(duì)激光的吸收率，另一方面噴涂的鋁粉因表面積增加也促進(jìn)了能量的吸收，當(dāng)熱量足夠熔化表面薄薄的噴涂鋁層后，下面的鋅粉或鎂粉則受熱快速形成蒸汽，進(jìn)一步提高了對(duì)激光能量的吸收，形成小孔效應(yīng)。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例I處理后的鋁合金表面的熔深；圖2為未經(jīng)過(guò)處理的鋁合金表面的熔深。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例I :選用5083鋁板作為被焊材料。(I)用角磨機(jī)或金屬刷去除表面氧化膜后再用丙酮進(jìn)行清洗；(2)鋁合金表面采用標(biāo)準(zhǔn)型干式噴砂機(jī)(石英砂)進(jìn)行噴砂處理2分鐘；(3)將顆粒度在5微米左右的鋅粉用丙酮調(diào)成懸濁液涂抹于噴砂處理過(guò)的表面；(4)用美國(guó)Paraxair Surface生產(chǎn)的3710等離子噴涂系統(tǒng)噴涂純招粉,輔氣采用氬氣，電壓為36V，電流為600A，噴涂距離80mm，獲得的涂層的厚度約為20-30微米；(5)激光焊接采用德國(guó)洛芬的FL010固體激光器。實(shí)際使用功率1KW，掃描速度O. 2米每分鐘，當(dāng)鋁合金表面沒(méi)有采用上述措施時(shí)，光斑僅能在表面形成輕微的灼痕，熔深不超過(guò)100微米。采用本發(fā)明的涂層，可以獲得I毫米的熔深。具體對(duì)比見(jiàn)圖I和圖2。從圖I中的熔深與熔寬的對(duì)比中可以看出，小孔效應(yīng)是非常明顯的。實(shí)施例2 選用5083鋁板作為被焊材料。(I)用角磨機(jī)或金屬刷去除表面氧化膜后再用丙酮進(jìn)行清洗；(2)鋁合金表面采用標(biāo)準(zhǔn)型干式噴砂機(jī)(石英砂)進(jìn)行噴砂處理3分鐘；(3)將顆粒度在6微米左右的鎂粉用丙酮調(diào)成懸濁液涂抹于噴砂處理過(guò)的表面；(4)用美國(guó)Paraxair Surface生產(chǎn)的3710等離子噴涂系統(tǒng)噴涂純招粉,輔氣采用氬氣，電壓為36V，電流為600A，噴涂距離80mm，獲得的涂層的厚度約為10-20微米；
(5)激光焊接采用沈陽(yáng)大陸激光加工成套設(shè)備有限公司產(chǎn)的的DL-HL-T5000型5KW橫流C02激光器。實(shí)際使用功率3KW，光斑直徑為3毫米，掃描速度O. 3米每分鐘，當(dāng)鋁合金表面沒(méi)有采用上述措施時(shí)，光斑僅能在表面形成輕微的灼痕，采用本發(fā)明的涂層，可以獲得超過(guò)2毫米的熔深。
權(quán)利要求
1.一種提高鋁合金激光焊接過(guò)程中熔深的方法，其特征是，包括步驟如下 (1)首先對(duì)被焊鋁合金被焊部位進(jìn)行清理，再對(duì)其進(jìn)行噴砂處理，獲得有一定粗糙度的清潔表面； (2)將顆粒度為微米級(jí)別的金屬粉鋅粉或鎂粉用丙酮混成稀糊涂抹于噴砂后的鋁合金表面，厚度1-20微米； (3)用等離子噴涂將鋁粉噴涂在涂有鋅粉或鎂粉的表面，鋁粉涂層厚度為10-100微米，獲得結(jié)合致密的結(jié)合層； (4)對(duì)上述方法獲得的表面進(jìn)行激光焊接或熔覆。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高鋁合金激光焊接過(guò)程中熔深的方法，其特征是，步驟(I)所述的噴砂處理的原料為石英砂或金剛砂，噴砂處理的時(shí)間為2-10分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高鋁合金激光焊接過(guò)程中熔深的方法，其特征是，步驟(2)所述的金屬粉與丙酮的用量比例范圍為100克金屬粉末用200毫升-500毫升丙酮調(diào)配。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高鋁合金激光焊接過(guò)程中熔深的方法，其特征是，等離子噴涂工藝為電壓為30-40V，電流為500-600A，噴涂距離60_90mm，噴涂粉末的速度為亞音速。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高鋁合金激光焊接過(guò)程中熔深的方法，首先對(duì)被焊鋁合金被焊部位進(jìn)行清理，再對(duì)其進(jìn)行噴砂處理；將顆粒度為微米級(jí)別的金屬粉鋅粉或鎂粉用丙酮混成稀糊涂抹于噴砂后的鋁合金表面，厚度1-20微米；用等離子噴涂將鋁粉噴涂在涂有鋅粉或鎂粉的表面，鋁粉涂層厚度為10-100微米；對(duì)上述方法獲得的表面進(jìn)行激光焊接或熔覆。在進(jìn)行激光焊接或熔覆的時(shí)候，當(dāng)激光束照到噴有鋁粉的涂層時(shí)，一方面粗糙的噴涂面由于漫反射的作用大大提高了對(duì)激光的吸收率，另一方面噴涂的鋁粉因表面積增加也促進(jìn)了能量的吸收，由于噴涂層的非致密性，噴涂層吸收的熱量可促進(jìn)下面的鋅粉或鎂粉則受熱快速形成蒸汽，進(jìn)一步提高了對(duì)激光能量的吸收，形成小孔效應(yīng)，獲得較好的熔深。
文檔編號(hào)B23K26/34GK102861990SQ20121039594
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者李新梅, 張忠文, 杜寶帥 申請(qǐng)人:山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司