CN102079013A - 铝合金激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝合金激光焊接方法，该方法首先对待焊接部位进行纳米金属氧化物的预处理，即在铝合金焊件的焊道上刷涂或喷涂一层纳米金属氧化物，纳米金属氧化物优选为纳米三氧化二钇，然后再进行激光焊接。该方法可大幅度提高铝合金表面对激光的吸收率，可达90％左右，从而提高激光的有效加热深度，加大焊缝熔深，有效降低焊缝宽度和热影响区宽度，还可改善焊缝金属的组织，在纳米金属氧化物的作用下铝合金焊接接头的晶粒得到了细化，最后能获得熔深较深，而热影响区特别小，外形美观，内部组织细小的焊件。

Description

铝合金激光焊接方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金板材或型材对接焊接的方法，具体地说是一种铝合金激光焊接方法，属于金属焊接技术领域。

背景技术

铝合金不但具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，同时还具有良好的成形工艺性，因此成为应用最广泛的一类有色金属结构材料，广泛应用于航空、航天、高速轨道列车或其它运载工具的结构材料。然而，由于铝合金材料特有的物理和化学特性，决定了其独特的焊接性，因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。

铝合金激光焊接技术(LaserWelding)是近十几年来发展起来的一项新技术，与传统焊接工艺相比，它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点，特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入，从而可提高生产效率，改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时，传统的焊接方法根本不可能单道焊透，而激光深熔焊时形成大深度的匙孔，发生匙孔效应，则可以得到实现。

激光焊接铝合金有以下优点：能量密度高，热输入低，热变形量小，熔化区和热影响区窄而熔深大；冷却速度高而得到微细焊缝组织，接头性能良好；与接触焊相比，激光焊不用电极，所以减少了工时和成本；不需要电子束焊时的真空气氛，且保护气和压力可选择，被焊工件的形状不受电磁影响，不产生X射线；可对密闭透明物体内部金属材料进行焊接；激光可用光导纤维进行远距离的传输，从而使工艺适应性好，配合计算机和机械手，可实现焊接过程的自动化与精密控制。

虽然用激光焊接铝合金具有很多优点，但是由于这种工艺还不成熟，焊接时存在着一些问题：①铝合金对激光能的吸收很低；②合金元素烧损严重；③易产生气孔；④热裂纹敏感性大。要解决这个问题，就必须从两方面着手：一是增大激光功率密度；二是采用其他措施来提高铝合金对激光能的吸收率。在现阶段，大幅度提高激光功率密度不但会遇到技术上的问题，在成本上也是一个难题，所以，为了解决铝合金激光焊的一些问题，首要的选择就是提高铝合金对激光能的吸收率。

将激光的光能转化为热能的过程可用自由电子的经典模型来描述。激光除被金属表面反射部分之外，主要被表层内的电子吸收。一般金属的激光穿透深度＜0.1μm。表面层电子吸收激光光子的能量后能量升高，并在极短时间(10^-11～10^-10s)内通过与晶格碰撞，转化为晶格的振动能，引起材料温度的升高，然后按照热传导的机理，把热能向材料内部传播，使材料表面快速加热，然后自身快速冷却，而铝合金对激光的反射率高达80％～90％，这是激光焊接铝合金的一个最大难点。

铝合金表面对激光束的强烈反射不仅造成了大部分宝贵的激光能量的损失，而且也严重威胁着操作人员的身体健康。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种铝合金激光焊接方法，其可以大幅度提高铝合金对激光的吸收率，产生焊缝深度大、热影响区小、外形美观的金属焊件，在焊接铝合金板材及型材时可有效提高焊接质量和焊接效率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种铝合金激光焊接方法，对铝合金焊件的待焊部位进行激光焊接前，对待焊接部位进行纳米金属氧化物的预处理，即在铝合金焊件的焊道上刷涂或喷涂一层纳米金属氧化物。

本发明的进一步改进在于，所述纳米金属氧化物先分散在醇类或酮类溶剂中，然后再刷涂或喷涂在铝合金焊件上，待焊件上的醇类或酮类溶剂挥发完全之后，即在焊道上仅覆盖纳米金属氧化物时，再进行铝合金的激光焊接。所述纳米金属氧化物在分散过程中采用超声分散法，分散溶剂优选丙酮溶液。

所述纳米金属氧化物优选为纳米三氧化二钇。

在进行纳米金属氧化物预处理过程中，预处理带的宽度为5-20mm，优选为10mm。在铝合金激光焊接中，激光束的离焦量为0mm，待焊接工件的焊接部分具有0.1mm或者更小的对接空间。

在对厚板铝合型焊件进行焊接时，对焊接部分进行多次预处理，即将纳米金属氧化物分多次刷涂或喷涂于焊件的焊道上。

综上内容，本发明所提供的铝合金激光焊接方法，在进行激光焊接前，对焊件表面进行纳米金属氧化物预处理，在纳米金属氧化物的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、吸收效应的作用下，可大幅度提高铝合金表面对激光的吸收率，可达90％左右，从而提高激光的有效加热深度，加大焊缝熔深，有效降低焊缝宽度和热影响区宽度，还可改善焊缝金属的组织，在纳米金属氧化物的作用下铝合金焊接接头的晶粒得到了细化，最后能获得熔深较深，而热影响区特别小，外形美观，内部组织细小的焊件，同时焊接强度提高，有效提高焊接质量和焊接效率。

该焊接方法还同时适用于镁合金、铜合金、钛合金、低合金钢等多种材料的焊接作业。

附图说明

图1本发明结构示意图。

如图1所示，待焊接工件1，激光焊枪2，预处理带3。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明所述的铝合金激光焊接方法，在进行激光焊接前增加一个对待焊接部位进行纳米金属氧化物预处理的过程，下面以焊接厚度为5mm，宽度为200mm，长度为1500mm的铝合金板材为例，进行详细说明。

激光焊机采用HL2006D型Nd:YAG连续激光器，波长为1.06微米、激光输出为0-2000W(平均功率)，单脉冲能量为0-200J、脉冲波形可任意设定、0.6mm光纤传输，聚焦透镜焦距为200mm，焦点直径为0.6mm。

根据金属氧化物对激光具有良好吸收的特点，再根据纳米材料由超细微的粒径所赋于的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、吸收效应等，决定选用纳米金属氧化物作为铝合金的预处理物质。这里，可选用的纳米金属氧化物包括三氧化二钇、氧化铈、氧化镧、氧化锌、二氧化硅、三氧化二铝、氧化钛等，在本实施例中，优选采用纳米三氧化二钇作为铝合金的预处理物质。

纳米三氧化二钇对激光有着非常高的吸收率，高达90％多。当粘附在铝合金表面的纳米三氧化二钇吸收激光后，表面层电子的能量升高，并在极短时间(10^-11～10^-10s)内通过与晶格碰撞，转化为晶格的振动能，引起表面铝合金温度的升高，然后按照热传导的机理，把热能向材料内部传播，使铝合金表面快速熔化；这时，纳米三氧化二钇就会分散于熔融的铝合金中，熔融的铝合金对激光的吸收率非常大。纳米三氧化二钇的这一特性能有效增加焊接熔深，而且在高功率激光照射下，有热稳定性好，导热性好，耐高温，不反喷等特点。

另外，分散于铝合金里的纳米三氧化二钇在高温作用下会产生Y³⁺离子，具有晶粒细化、净化、强化作用，它可与铝合金中铝以及其他微量元素形成金属间化合物，并沿晶界分布，这些金属间化合物有效阻碍基体的变形和晶界的移动，提高合金强度，同时，微量的Y可细化铝合金的再结晶组织，能有效细化铝合金焊接接头铸态枝晶组织，抑制粗大共晶组织的形成.并细化了合金强化相θ′相，可以提高铝合金焊接接头的性能。

在焊接过程中，由于铝合金对激光的吸收率从始至终都非常大，所以此焊接方法具有焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小等特点。

在本实施例中，纳米金属氧化物颗粒需要先分散于醇类或者酮类溶液中，然后才能刷涂或者喷涂在焊件表面上，其中醇类或者酮类溶液可选用甲醇、乙醇、聚乙二醇、聚乙烯醇、丙酮、丁酮、6#溶剂油等，这些溶液易挥发。本实施例中优选用丙酮作为纳米三氧化二钇颗粒的溶剂，再分散过程中要进行超声15min，使其达到最佳分散效果。

如图1所示，下面详细描述该焊接方法具体步骤：

第一步：

将待焊铝合金工件1和激光焊枪2固定，用刷子将分散于丙酮中的纳米三氧化二钇刷涂到待焊部位，形成如图1所示的预处理带3，由于激光的光斑直径比较小，所以刷涂纳米三氧化二钇的预处理带3宽度不宜过宽，一般选择在5-20mm之间，在本实施例中，预处理带3宽度优选为10mm。

对于厚板铝合金(一般厚度超过16mm铝合金板材或型材)需要多层汗焊接时，可进行多次预处理，即进行多次刷涂或者喷涂，在大多数的情况下，只需要进行两次预处理即可满足要求。

第二步：

待焊接工件1上的丙酮挥发完全之后，在焊道上仅覆盖纳米三氧化二钇时，即可进行铝合金的激光焊接。

此时，以一个恒定的速度连续移动工件1，待焊接工件1的移动方向如图1中箭头所示的方向，因为只有工件1移动，所以工件1的移动速度就决定了焊接速度，可以根据不同材料的特性和尺寸厚度等选择不同的工件移动速度，焊接速度以焊透工件为选择原则，如需要焊接前述厚度的铝合金板材，需要选择移动速度为20mm/s。

第三步：工件1开始移动后，使用高能量的激光束照射到已用纳米三氧化二钇预处理的铝合金焊接部分，进行焊接，最终完成焊接。

激光焊接过程中，激光束的离焦量为0mm，其它参数根据铝合金的厚度给予调节；对于于铝合金板材或型材焊接工件的焊接部分允许有0.1mm或者更小的对接空间，且焊接过程中不需要开坡口。最终完成焊接。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种铝合金激光焊接方法，其特征在于：对铝合金焊件的待焊部位进行激光焊接前，对待焊接部位进行纳米金属氧化物的预处理，即在铝合金焊件的焊道上刷涂或喷涂一层纳米金属氧化物。

2.根据权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述纳米金属氧化物先分散在醇类或酮类溶剂中，然后再刷涂或喷涂在铝合金焊件上，待焊件上的醇类或酮类溶剂挥发完全之后，即在焊道上仅覆盖纳米金属氧化物时，再进行铝合金的激光焊接。

3.根据权利要求2所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述纳米金属氧化物在分散过程中采用超声分散法。

4.根据权利要求2所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述分散溶剂选用丙酮溶液。

5.根据权利要求1至4任一项所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述纳米金属氧化物为纳米三氧化二钇。

6.根据权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：在进行纳米金属氧化物预处理过程中，预处理带的宽度为5-20mm。

7.根据权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：在进行纳米金属氧化物预处理过程中，预处理带的宽度为10mm。

8.根据权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：在铝合金激光焊接中，激光束的离焦量为0mm。

9.根据权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述待焊接工件的焊接部分具有0.1mm或者更小的对接空间。

10.根据权利要求1所述的铝合金激光焊接方法，其特征在于：在对厚板铝合型焊件进行焊接时，对焊接部分进行多次预处理，即将纳米金属氧化物分多次刷涂或喷涂于焊件的焊道上。

Images