專利名稱：激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光焊接。具體涉及一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法。
背景技術(shù)：
所謂焊接性是指金屬材料對焊接加工的適應(yīng)性。主要指在一定的焊接工藝條件 下，獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭的難易程度，由于鋁及鋁合金所具有的獨特的物理及化學(xué)性能，對 它們的焊接存在一系列的困難。因此，必須了解其焊接特點及可能出現(xiàn)的問題，以便采用合 適的焊接方法和相應(yīng)的工藝措施以保證獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量。一、極容易被氧化鋁和氧的化學(xué)結(jié)合力很強，常溫下表面就能被氧化，另外鋁合金中所含的一些 合金元素也極易氧化，在焊接高溫條件氧化更加激烈，氧化生成一層極薄(厚度0. 1 0.2um)的氧化薄膜(主要成分是AL203).氧化鋁的熔點高達2050°C，遠遠超過鋁及鋁合金 的熔點(560°C)而具有致密，它覆蓋在熔池表面防礙焊接過程的正常進行，防礙金屬之間 的良好結(jié)合。二、產(chǎn)生氣孔鋁及鋁合金焊接時，氣孔是焊縫中一種常見的焊接缺陷。常溫下，氫幾乎不溶于固態(tài)鋁，但高溫是能大量的溶于液態(tài)鋁，所以在凝固時其溶 解度發(fā)生突變，原來溶于液體中的氫幾乎全部析出。其成氣泡一氣溶長大一上浮一逸出。如 果形成的氣泡已經(jīng)長大而來不及逸出，便形成氣孔。三、熱裂紋傾向大鋁及鋁合金焊接時一般不會產(chǎn)生冷裂紋。純鋁及非熱處理化鋁合金焊接較少產(chǎn)生 熱裂紋；熱處理強化鋁合金和高強度鋁合金焊接時，熱裂紋傾向較大。由于鋁的線膨脹系數(shù) 比鋼將近大一倍，凝固時的結(jié)晶收縮又比鋼大，體積收縮率達6. 5%左右，因此，焊接鋁及鋁 合金會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。另一方面，鋁及鋁合金高溫時強度低，塑性差，當(dāng)焊接內(nèi)應(yīng)力過 大時，很容易使某些鋁合金在脆性溫度區(qū)內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋。四、用強熱源焊接鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率、熱容量都很大，約比鋼大一倍多(其熱導(dǎo)率約為剛的2-4 倍)。在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到基體內(nèi)部，因此焊接時比鋼熱損失大，需要消 耗更多的熱量。因此，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中，功率大的強熱源進 行焊接。五、合金元素易蒸發(fā)和燒損鋁合金中含的低沸點合金元素，如鎂、硅、鋅、錳等，在焊接高溫作用下，極易蒸發(fā) 和燒損，從而改變焊縫金屬的化學(xué)成分和性能。六、焊接熱對基體金屬強度的影響鋁及鋁合金焊接后，基體金屬受焊接熱的影響，接頭的強度和塑性能夠會比母材 差，這種現(xiàn)象稱接頭不等強性，說明焊接接頭發(fā)生了某種程度的軟化或存在某一些性能上
3的薄弱環(huán)節(jié)，總的看來，可以發(fā)生在三個部分焊縫，熔合區(qū)及熱影響區(qū)。鋁合金的激光焊接需要相對較高的能量密度。有兩個原因一是鋁合金的反射率 高；二是鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)很高。可采用大功率或高性能的激光束來獲得所需的能量密度。金屬對光束的反射能力與它所含的自由電子密度有關(guān)，自由電子密度越大(即電 導(dǎo)率越大)，對激光的反射率越大。對同一種金屬，反射率還和入射波長有關(guān)，波長越短，反 射率低，吸收率越高。由此可知，金，銀，銅和鋁合金對激光的反射比其他金屬要大得多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，從而解決了激光 焊接對裝配精度的適應(yīng)性及提高焊接過程穩(wěn)定性，改善焊縫質(zhì)量。為了達到上述目的，本發(fā)明有如下技術(shù)方案本發(fā)明的一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，有以下步驟1)選用高光束質(zhì)量和高能量密度的Nd:YAG激光器；2)采用雙光束激光焊接鋁及鋁合金材料，其中，兩光束間距在0. 6 1. 0mm，前后 兩光束的能量比大于1:1;3)被焊材料的表面處理用有機溶劑除油污、灰塵；用機械清洗和/或化學(xué)清洗去 氧化膜；4)利用上述雙光束激光對鋁及鋁合金材料進行焊接。其中，所述步驟2)的雙束激光包括將同一種激光采用光學(xué)分離成兩束單獨的光 束進行焊接，或采用兩個Nd:YAG激光器產(chǎn)生的兩束不同類型的激光進行組合。其中，所述步驟3)用有機溶劑除油污、灰塵包括采用汽油、丙酮、三氯乙烯或四氯 化碳清洗。其中，所述3)的用機械清洗去氧化膜包括采用不銹鋼絲或銅絲輪、刷將被焊材料 的坡口及其兩側(cè)氧化膜清除。其中，所述3)的用化學(xué)清洗去氧化膜包括①將除去油污灰塵的焊件焊絲浸入10% 15%的氫氧化鈉溶液中，在溫度 40-50°C條件下，浸洗3 5分鐘，浸洗后產(chǎn)生大量氣泡，然后用流動水把表面上堿液沖洗干 凈；②光化將經(jīng)過浸蝕的被焊材料再浸入30 % 35 %的硝酸溶液中光化處理2 3 分鐘，黑色膜與硝酸迅速作用變成金黃色而且光亮，光化后用流動水沖洗干凈，清洗后呈乳 白色；③光化處理完后存放在5 100°C烘箱烘烤30min，清洗過的焊件不要隨意放，一 般不要超過24小時。其中，所述步驟4)中進行焊接時，使用氬氣或者氦氣作為保護氣體。由于采取了以上技術(shù)方案，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的雙光束激光焊接，能夠增大匙孔尺寸，使得匙孔不易閉合有利于氣體排 出，同時可以降低冷卻速率，減少氣孔和焊接裂紋的產(chǎn)生，焊接過程更加穩(wěn)定，飛濺量減小， 所以雙光束焊接鋁合金獲得的焊縫表面成形也明顯優(yōu)于單光束，具有較好的焊縫質(zhì)量。
具體實施例方式以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，具體實施如下為取得最佳的焊接質(zhì)量，加工工藝的選擇和激光器的選擇極為重要。從機理上講， 具備足夠高對功率密度和好的光束質(zhì)量，C02激光器和Nd: YAG激光器都可以用于鋁合金的 焊接。但是，由于不同材料差別，以及C02激光器和Nd YAG激光器各自具有特點，為了獲得 更好鋁合金焊接質(zhì)量，從激光器的選擇出發(fā)，選擇如下1)使用比C02波長更短的Nd YAG激光器。2)使用高能量密度和高光束質(zhì)量的激光器。3)使用雙光束激光焊接。LY16，L1_L6和LF21系列的鋁合金系列能成功的實現(xiàn)激光焊接而且不需要填充金 屬。但是，許多其他鋁合金中含有易揮發(fā)元素，如硅，鎂等，因此無論采用哪一種激光自動焊 接(不填充金屬)，焊縫中都有很多氣孔。而激光焊接純鋁時不會出現(xiàn)以上問題，在鋁和鋁 合金的焊接中，YAG激光器的波長與焊接耦合性比C02激光器的波長好，鋁對C02激光的反 射率很高(約90% 98% )采用激光焊接鋁時，除了能量密度的問題，還有三個很重要的問題要解決，氣孔， 熱裂紋和嚴重的焊縫不規(guī)則性。氣孔的產(chǎn)生是由于氫在熔池金屬中的可溶性引起的。其溶解度與熔池的體積和冷 卻時間成正比(與TIG焊，MIG焊相比，激光焊的熔池體積和冷卻時間相對較小)。另外金 屬表面的氧化膜(如A1203)在焊接過程中會溶解到熔池中，導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生和焊縫的脆化， 焊接前可通過機械或化學(xué)方法除去這些氧化膜。一些鋁合金的焊接熔池在凝固過程中可能 產(chǎn)生熱裂紋，從而導(dǎo)致焊縫機械性能下降，焊縫金屬還會氧化形成A1203和ALN。這兩種物質(zhì) 一方面會成為微裂紋擴展的源頭，另一方面會造成焊縫的污染(A1203是白色的而ALN是黑 色的)，焊縫的不規(guī)則性是焊縫金屬的低表面張力使得焊縫金屬對隊和02的親和力增加。 使用氬氣或者氦氣作為保護氣體可以得到光潔的焊縫，并對焊縫根部也同時進行保護。雙光束激光焊接鋁合金由于鋁合金材料特殊的性能特點，采用激光焊接存在如下困難，鋁合金對激光吸 收率較低，鋁合金激光焊極易產(chǎn)生氣孔，裂紋，焊接過程合金元素?zé)龘p等。采用激光焊接時， 匙孔建立較難，不易保持穩(wěn)定，雙光束激光焊接時可以增大匙孔尺寸，使得匙孔不易閉合有 利于氣體排出，同時可以降低冷卻速率，減少氣孔和焊接裂紋的產(chǎn)生，焊接過程更加穩(wěn)定， 飛濺量減小，所以雙光路焊接鋁合金獲得的焊縫表面成形也明顯優(yōu)于單光束。實踐表明，焊接5A06鋁合金時，兩光束間距在0.6 1.0mm時焊接過程較為穩(wěn)定， 形成的匙孔開口較大，利于焊接過程中鎂元素的蒸發(fā)、逸出。兩光束的間距過小，類似單光 束焊接過程不易穩(wěn)定；間距過大，會影響焊接溶深，適當(dāng)增加前一個光束的能量，使前后兩 光束的能量比大于1 1，有利于改善焊縫質(zhì)量，增大熔化區(qū)域，在焊接速度較高時仍然可 以得到光滑美觀的焊縫。被焊材料的表面處理1、除油污，灰塵可用有機溶劑(汽油，丙酮，三氯乙烯，四氯化碳清洗)。2、去氧化膜生產(chǎn)中除去氧化膜的方法有機械清洗和化學(xué)清洗兩種。有時兩種方法同時使用(1)機械清洗通常是用不銹鋼絲或銅絲輪(刷)將坡口及其兩側(cè)氧化膜清除。由 于鋁及鋁合金材料較軟，用刮刀清洗也較有交，可刮去一薄層直至露出金屬光澤?？墒菣C械 清洗效率低，去除氧化膜不徹底，一般只用于尺寸大，生產(chǎn)周期長或化學(xué)清洗后又局部沾污 的工件。(2)化學(xué)清洗化學(xué)清洗是采用清洗劑進行清洗，依靠化學(xué)反應(yīng)的方法除工件或焊 絲表面氧化膜。①將除去油污灰塵的焊件焊絲浸入10% 15%的氫氧化鈉溶液(溫度40-50°C ) 中浸洗3 5分鐘，浸洗后產(chǎn)生大量氣泡，然后用流動水把表面上堿液沖洗干凈。②光化將經(jīng)過浸蝕的母材再浸入30% 35%的硝酸溶液中光化處理2 3分鐘 黑色膜與硝酸迅速作用變成金黃色而且光亮，光化后用流動水沖洗干凈，清洗后呈乳白色。③光化處理完后存放在5 100°C烘箱烘烤30min，清洗過的焊件不要隨意放，一 般不要超過24小時。已經(jīng)超過24小時的焊前采取機械方法清理后再裝配，焊接。雙光束焊接方法提出，主要是用于解決激光焊接對裝配精度的適應(yīng)性及提高焊接 過程穩(wěn)定性，改善焊縫質(zhì)量，尤其是對于鋁合金和薄板焊接。雙光束焊接可將同一種激光采 用光學(xué)分離成兩束單獨的光束進行焊接，也可以采用兩束不同類型的激光進行組合。通過 改變光束能量，光束間距，甚至是兩束光的能量分布模式，對焊接溫度場地進行方便靈活的 調(diào)節(jié)，改變匙孔的存在模式與熔池中液態(tài)金屬的流動方式，為激光焊接工藝提供了更廣泛 的選擇空間。它不僅擁有激光焊接熔深大，速度快，精度高的優(yōu)點，而且對于常規(guī)激光焊接 難以焊接時材料與接頭也有很大的適應(yīng)性。顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對 本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可 以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā) 明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
權(quán)利要求
一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，其特征在于有以下步驟1)選用Nd:YAG激光器；2)采用雙光束激光焊接鋁及鋁合金材料，其中，兩光束間距在0.6～1.0mm，前后兩光束的能量比大于1∶1；3)被焊材料的表面處理用有機溶劑除油污、灰塵；用機械清洗和/或化學(xué)清洗去氧化膜；4)利用上述雙光束激光對鋁及鋁合金材料進行焊接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，其特征在于所述 步驟2)的雙束激光包括將同一種激光采用光學(xué)分離成兩束單獨的光束進行焊接，或采用 兩個Nd: YAG激光器產(chǎn)生的兩束不同類型的激光進行組合。
3.如權(quán)利要求1所述的一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，其特征在于所述 步驟3)用有機溶劑除油污、灰塵包括采用汽油、丙酮、三氯乙烯或四氯化碳清洗。
4.如權(quán)利要求1所述的一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，其特征在于所述 步驟3)的用機械清洗去氧化膜包括采用不銹鋼絲或銅絲輪、刷將被焊材料的坡口及其兩 側(cè)氧化膜清除。
5.如權(quán)利要求1所述的一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，其特征在于所述步 驟3)的用化學(xué)清洗去氧化膜包括①將除去油污灰塵的焊件焊絲浸入10% 15%的氫氧化鈉溶液中，在溫度40-50°C條 件下，浸洗3 5分鐘，浸洗后產(chǎn)生大量氣泡，然后用流動水把表面上堿液沖洗干凈；②光化將經(jīng)過浸蝕的被焊材料再浸入30% 35%的硝酸溶液中光化處理2 3分 鐘，黑色膜與硝酸迅速作用變成金黃色而且光亮，光化后用流動水沖洗干凈，清洗后呈乳白 色；③光化處理完后存放在5 100°C烘箱烘烤30min，清洗過的焊件不要隨意放，一般不 要超過24小時。
6.如權(quán)利要求1所述的一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，其特征在于所述 步驟4)中進行焊接時，使用氬氣或者氦氣作為保護氣體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光焊接。本發(fā)明公開了一種激光焊接鋁及鋁合金材料的工藝方法，1)選用高光束質(zhì)量和高能量密度的Nd:YAG激光器；2)采用雙光束激光焊接鋁及鋁合金材料，其中，兩光束間距在0.6～1.0mm，前后兩光束的能量比大于1∶1；3)被焊材料的表面處理用有機溶劑除油污、灰塵；用機械清洗和/或化學(xué)清洗去氧化膜；4)利用上述雙光束激光對鋁及鋁合金材料進行焊接。本發(fā)明的針體、套管、引線制成一體，因此，本發(fā)明解決了激光焊接對裝配精度的適應(yīng)性及提高焊接過程穩(wěn)定性，改善焊縫質(zhì)量。
文檔編號C23G5/02GK101850472SQ20091006135
公開日2010年10月6日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者孫文, 彭紅濤, 楊義龍 申請人:武漢楚天激光(集團)股份有限公司