CN101850472A - 激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光焊接。本发明公开了一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，1)选用高光束质量和高能量密度的Nd:YAG激光器；2)采用双光束激光焊接铝及铝合金材料，其中，两光束间距在0.6～1.0mm，前后两光束的能量比大于1∶1；3)被焊材料的表面处理：用有机溶剂除油污、灰尘；用机械清洗和/或化学清洗去氧化膜；4)利用上述双光束激光对铝及铝合金材料进行焊接。本发明的针体、套管、引线制成一体，因此，本发明解决了激光焊接对装配精度的适应性及提高焊接过程稳定性，改善焊缝质量。

Description

激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接。具体涉及一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法。

背景技术

所谓焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性。主要指在一定的焊接工艺条件下，获得优质的焊接接头的难易程度，由于铝及铝合金所具有的独特的物理及化学性能，对它们的焊接存在一系列的困难。因此，必须了解其焊接特点及可能出现的问题，以便采用合适的焊接方法和相应的工艺措施以保证获得优良的焊接质量。

一、极容易被氧化

铝和氧的化学结合力很强，常温下表面就能被氧化，另外铝合金中所含的一些合金元素也极易氧化，在焊接高温条件氧化更加激烈，氧化生成一层极薄(厚度0.1～0.2μm)的氧化薄膜(主要成分是AL₂O₃).氧化铝的熔点高达2050℃，远远超过铝及铝合金的熔点(560℃)而具有致密，它覆盖在熔池表面防碍焊接过程的正常进行，防碍金属之间的良好结合。

二、产生气孔

铝及铝合金焊接时，气孔是焊缝中一种常见的焊接缺陷。

常温下，氢几乎不溶于固态铝，但高温是能大量的溶于液态铝，所以在凝固时其溶解度发生突变，原来溶于液体中的氢几乎全部析出。其成气泡→气溶长大→上浮→逸出。如果形成的气泡已经长大而来不及逸出，便形成气孔。

三、热裂纹倾向大

铝及铝合金焊接时一般不会产生冷裂纹。纯铝及非热处理化铝合金焊接较少产生热裂纹；热处理强化铝合金和高强度铝合金焊接时，热裂纹倾向较大。由于铝的线膨胀系数比钢将近大一倍，凝固时的结晶收缩又比钢大，体积收缩率达6.5％左右，因此，焊接铝及铝合金会产生较大的热应力。另一方面，铝及铝合金高温时强度低，塑性差，当焊接内应力过大时，很容易使某些铝合金在脆性温度区内产生热裂纹。

四、用强热源焊接

铝及铝合金的热导率、热容量都很大，约比钢大一倍多(其热导率约为刚的2-4倍)。在焊接过程中大量的热能被迅速传导到基体内部，因此焊接时比钢热损失大，需要消耗更多的热量。因此，为了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中，功率大的强热源进行焊接。

五、合金元素易蒸发和烧损

铝合金中含的低沸点合金元素，如镁、硅、锌、锰等，在焊接高温作用下，极易蒸发和烧损，从而改变焊缝金属的化学成分和性能。

六、焊接热对基体金属强度的影响

铝及铝合金焊接后，基体金属受焊接热的影响，接头的强度和塑性能够会比母材差，这种现象称接头不等强性，说明焊接接头发生了某种程度的软化或存在某一些性能上的薄弱环节，总的看来，可以发生在三个部分：焊缝，熔合区及热影响区。

铝合金的激光焊接需要相对较高的能量密度。有两个原因：一是铝合金的反射率高；二是铝合金的导热系数很高。可采用大功率或高性能的激光束来获得所需的能量密度。

金属对光束的反射能力与它所含的自由电子密度有关，自由电子密度越大(即电导率越大)，对激光的反射率越大。对同一种金属，反射率还和入射波长有关，波长越短，反射率低，吸收率越高。由此可知，金，银，铜和铝合金对激光的反射比其他金属要大得多。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，从而解决了激光焊接对装配精度的适应性及提高焊接过程稳定性，改善焊缝质量。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，有以下步骤：

1)选用高光束质量和高能量密度的Nd:YAG激光器；

2)采用双光束激光焊接铝及铝合金材料，其中，两光束间距在0.6～1.0mm，前后两光束的能量比大于1∶1；

3)被焊材料的表面处理：用有机溶剂除油污、灰尘；用机械清洗和/或化学清洗去氧化膜；

4)利用上述双光束激光对铝及铝合金材料进行焊接。

其中，所述步骤2)的双束激光包括将同一种激光采用光学分离成两束单独的光束进行焊接，或采用两个Nd:YAG激光器产生的两束不同类型的激光进行组合。

其中，所述步骤3)用有机溶剂除油污、灰尘包括采用汽油、丙酮、三氯乙烯或四氯化碳清洗。

其中，所述3)的用机械清洗去氧化膜包括采用不锈钢丝或铜丝轮、刷将被焊材料的坡口及其两侧氧化膜清除。

其中，所述3)的用化学清洗去氧化膜包括：

①将除去油污灰尘的焊件焊丝浸入10％～15％的氢氧化钠溶液中，在温度40-50℃条件下，浸洗3～5分钟，浸洗后产生大量气泡，然后用流动水把表面上碱液冲洗干净；

②光化：将经过浸蚀的被焊材料再浸入30％～35％的硝酸溶液中光化处理2～3分钟，黑色膜与硝酸迅速作用变成金黄色而且光亮，光化后用流动水冲洗干净，清洗后呈乳白色；

③光化处理完后存放在5～100℃烘箱烘烤30min，清洗过的焊件不要随意放，一般不要超过24小时。

其中，所述步骤4)中进行焊接时，使用氩气或者氦气作为保护气体。

由于采取了以上技术方案，本发明的优点在于：

本发明的双光束激光焊接，能够增大匙孔尺寸，使得匙孔不易闭合有利于气体排出，同时可以降低冷却速率，减少气孔和焊接裂纹的产生，焊接过程更加稳定，飞溅量减小，所以双光束焊接铝合金获得的焊缝表面成形也明显优于单光束，具有较好的焊缝质量。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，具体实施如下：

为取得最佳的焊接质量，加工工艺的选择和激光器的选择极为重要。从机理上讲，具备足够高对功率密度和好的光束质量，CO₂激光器和Nd:YAG激光器都可以用于铝合金的焊接。但是，由于不同材料差别，以及CO₂激光器和Nd:YAG激光器各自具有特点，为了获得更好铝合金焊接质量，从激光器的选择出发，选择如下：

1)使用比CO₂波长更短的Nd:YAG激光器。

2)使用高能量密度和高光束质量的激光器。

3)使用双光束激光焊接。

LY16，L1-L6和LF21系列的铝合金系列能成功的实现激光焊接而且不需要填充金属。但是，许多其他铝合金中含有易挥发元素，如硅，镁等，因此无论采用哪一种激光自动焊接(不填充金属)，焊缝中都有很多气孔。而激光焊接纯铝时不会出现以上问题，在铝和铝合金的焊接中，YAG激光器的波长与焊接耦合性比CO₂激光器的波长好，铝对CO₂激光的反射率很高(约90％～98％)

采用激光焊接铝时，除了能量密度的问题，还有三个很重要的问题要解决，气孔，热裂纹和严重的焊缝不规则性。

气孔的产生是由于氢在熔池金属中的可溶性引起的。其溶解度与熔池的体积和冷却时间成正比(与TIG焊，MIG焊相比，激光焊的熔池体积和冷却时间相对较小)。另外金属表面的氧化膜(如Al₂O₃)在焊接过程中会溶解到熔池中，导致气孔的产生和焊缝的脆化，焊接前可通过机械或化学方法除去这些氧化膜。一些铝合金的焊接熔池在凝固过程中可能产生热裂纹，从而导致焊缝机械性能下降，焊缝金属还会氧化形成Al₂O₃和ALN。这两种物质一方面会成为微裂纹扩展的源头，另一方面会造成焊缝的污染(Al₂O₃是白色的而ALN是黑色的)，焊缝的不规则性是焊缝金属的低表面张力使得焊缝金属对N₂和O₂的亲和力增加。使用氩气或者氦气作为保护气体可以得到光洁的焊缝，并对焊缝根部也同时进行保护。

双光束激光焊接铝合金

由于铝合金材料特殊的性能特点，采用激光焊接存在如下困难，铝合金对激光吸收率较低，铝合金激光焊极易产生气孔，裂纹，焊接过程合金元素烧损等。采用激光焊接时，匙孔建立较难，不易保持稳定，双光束激光焊接时可以增大匙孔尺寸，使得匙孔不易闭合有利于气体排出，同时可以降低冷却速率，减少气孔和焊接裂纹的产生，焊接过程更加稳定，飞溅量减小，所以双光路焊接铝合金获得的焊缝表面成形也明显优于单光束。

实践表明，焊接5A06铝合金时，两光束间距在0.6～1.0mm时焊接过程较为稳定，形成的匙孔开口较大，利于焊接过程中镁元素的蒸发、逸出。两光束的间距过小，类似单光束焊接过程不易稳定；间距过大，会影响焊接溶深，适当增加前一个光束的能量，使前后两光束的能量比大于1∶1，有利于改善焊缝质量，增大熔化区域，在焊接速度较高时仍然可以得到光滑美观的焊缝。

被焊材料的表面处理：

1、除油污，灰尘可用有机溶剂(汽油，丙酮，三氯乙烯，四氯化碳清洗)。

2、去氧化膜生产中除去氧化膜的方法有机械清洗和化学清洗两种。有时两种方法同时使用：

(1)机械清洗通常是用不锈钢丝或铜丝轮(刷)将坡口及其两侧氧化膜清除。由于铝及铝合金材料较软，用刮刀清洗也较有交，可刮去一薄层直至露出金属光泽。可是机械清洗效率低，去除氧化膜不彻底，一般只用于尺寸大，生产周期长或化学清洗后又局部沾污的工件。

(2)化学清洗化学清洗是采用清洗剂进行清洗，依靠化学反应的方法除工件或焊丝表面氧化膜。

①将除去油污灰尘的焊件焊丝浸入10％～15％的氢氧化钠溶液(温度40-50℃)中浸洗3～5分钟，浸洗后产生大量气泡，然后用流动水把表面上碱液冲洗干净。

②光化将经过浸蚀的母材再浸入30％～35％的硝酸溶液中光化处理2～3分钟黑色膜与硝酸迅速作用变成金黄色而且光亮，光化后用流动水冲洗干净，清洗后呈乳白色。

③光化处理完后存放在5～100℃烘箱烘烤30min，清洗过的焊件不要随意放，一般不要超过24小时。已经超过24小时的焊前采取机械方法清理后再装配，焊接。

双光束焊接方法提出，主要是用于解决激光焊接对装配精度的适应性及提高焊接过程稳定性，改善焊缝质量，尤其是对于铝合金和薄板焊接。双光束焊接可将同一种激光采用光学分离成两束单独的光束进行焊接，也可以采用两束不同类型的激光进行组合。通过改变光束能量，光束间距，甚至是两束光的能量分布模式，对焊接温度场地进行方便灵活的调节，改变匙孔的存在模式与熔池中液态金属的流动方式，为激光焊接工艺提供了更广泛的选择空间。它不仅拥有激光焊接熔深大，速度快，精度高的优点，而且对于常规激光焊接难以焊接时材料与接头也有很大的适应性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，其特征在于：有以下步骤：

1)选用Nd:YAG激光器；

2)采用双光束激光焊接铝及铝合金材料，其中，两光束间距在0.6～1.0mm，前后两光束的能量比大于1∶1；

3)被焊材料的表面处理：用有机溶剂除油污、灰尘；用机械清洗和/或化学清洗去氧化膜；

4)利用上述双光束激光对铝及铝合金材料进行焊接。

2.如权利要求1所述的一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，其特征在于：所述步骤2)的双束激光包括将同一种激光采用光学分离成两束单独的光束进行焊接，或采用两个Nd:YAG激光器产生的两束不同类型的激光进行组合。

3.如权利要求1所述的一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，其特征在于：所述步骤3)用有机溶剂除油污、灰尘包括采用汽油、丙酮、三氯乙烯或四氯化碳清洗。

4.如权利要求1所述的一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，其特征在于：所述步骤3)的用机械清洗去氧化膜包括采用不锈钢丝或铜丝轮、刷将被焊材料的坡口及其两侧氧化膜清除。

5.如权利要求1所述的一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，其特征在于所述步骤3)的用化学清洗去氧化膜包括：

①将除去油污灰尘的焊件焊丝浸入10％～15％的氢氧化钠溶液中，在温度40-50℃条件下，浸洗3～5分钟，浸洗后产生大量气泡，然后用流动水把表面上碱液冲洗干净；

②光化：将经过浸蚀的被焊材料再浸入30％～35％的硝酸溶液中光化处理2～3分钟，黑色膜与硝酸迅速作用变成金黄色而且光亮，光化后用流动水冲洗干净，清洗后呈乳白色；

③光化处理完后存放在5～100℃烘箱烘烤30min，清洗过的焊件不要随意放，一般不要超过24小时。

6.如权利要求1所述的一种激光焊接铝及铝合金材料的工艺方法，其特征在于：所述步骤4)中进行焊接时，使用氩气或者氦气作为保护气体。