CN102179645A - 一种用于激光焊的活性剂及利用其进行激光焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活性剂及其对铝及铝合金待焊材料的表面处理，以提高铝及铝合金激光焊的能量利用率，加深焊缝的熔深，以获得较高的焊接质量。一种用于激光焊的活性剂，由氯化物和氟化物组成，其中氟化物和氯化物的质量比为(1-2)∶(1-4)，所述氯化物为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锌、氯化镁、氯化铝、氯化钙或者氯化锡中的至少一种，所述氟化物为氟化钾、氟化钠、氟化镁或者氟化钙中的一种。进行表面处理时，首选将氟化物和氯化物充分混合均匀，加水配置成过饱和溶液，然后将过饱和溶液用作涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，最后在气体保护条件下进行激光焊。
Description
技术领域
本发明涉及一种活性剂，更具体地说，涉及一种用于激光焊的活性剂及其使用方法。
背景技术
激光焊接是以激光作为焊接热源，是一种高能量密度的热源。在焊接时，激光器能把能量密度很大的激光束聚焦在很小的区域上，因此，在相同的试板厚度时，激光焊接较其他焊接方法焊接效率高，热输入相对小，热影响区很小，焊缝成形质量好。按照激光实际作用在工件上的功率密度或激光焊接后所形成的焊缝特点，可以将激光焊接分为热传导焊接和深熔焊接两类，往往按照焊接时的激光功率密度的不同来区分，激光功率密度较小(一般小于106W/cm2)时称为热传导激光焊，激光功率密度较大(一般大于106W/cm2)时称为激光深熔焊接。
激光热传导焊接时，光束不能直接将焊缝金属全部熔化，表面金属吸收激光后将光能转化为热能，然后将热量传递给下一层金属，逐步扩大熔化区，直到全部熔化。这种激光焊接方式形成的熔深较浅，焊缝熔池多为半球形，因此适用于焊接一些厚度较小的金属零件。激光深熔焊接时，激光的功率密度很大，材料表面的温度特别高，可大于材料的沸点，材料熔化并汽化，汽化的金属蒸汽会迅速离开熔池，出现小孔现象，这是激光深熔焊接的重要特征。激光束直接作用在小孔内时，激光的吸收率会大大提高，焊接效率也会大大增大。激光深熔焊接另一个重要现象是焊接过程中容易出现激光等离子体，等离子体会屏蔽激光，减小激光的实际作用功率，有时甚至会中断激光焊接过程。激光深熔焊接适于焊接厚度大的工件。
在激光焊接铝及铝合金时，材料表面对激光的高反射率是焊接过程最大的困扰之一；由于铝及其合金对激光的反射率很高，很多情况下即使激光功率密度大于106W/cm2，也难以形成激光深熔焊接。在工业上有两种常用的激光焊接热源，即波长为10.6μm(微米)的CO2激光和波长1.06μm的Nd:YAG激光，这类材料对的CO2激光的反射率能达到97％，对波长1.06μm的激光的反射率也可达到90％，波长较短的激光更有利于应用于铝及铝合金的激光焊接。材料的高反射率意味着对激光的低吸收率，光能转化为热能的比例会很小，激光能量的利用率大大降低。影响激光焊材料表面光吸收率的因素主要包括：(1)材料的种类--低反射率的材料，对激光吸收率高；(2)激光的波长--波长越短，吸收率越高；(3)材料表面温度--随材料表面温度提高，对激光吸收率提高；(4)材料表面状态--粗糙的表面有利于降低反射率，提高吸收率。
为了提高铝及铝合金激光焊的能量利用率，除了根据上述因素进行改进之外，还可以利用在材料表面涂敷活性剂的方法提高铝及铝合金激光焊的焊接效果。活性剂是指在焊接过程中有助于增加焊接熔深，改善焊接效果的物质。利用活性剂提高焊接效果，在钢及钛合金等材料的激光焊和电弧焊工艺方面已有大量研究，其中以A-TIG焊(活性化钨极氩弧焊)最为著名。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合适的活性剂对铝及铝合金待焊材料进行表面处理，以提高铝及铝合金激光焊的能量利用率，加深焊缝的熔深，以获得较高的焊接质量。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种用于激光焊的活性剂，由氯化物和氟化物组成，其中氟化物和氯化物的质量比为(1-2)∶(1-4)，所述氯化物为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锌、氯化镁、氯化铝、氯化钙或者氯化锡中的至少一种，所述氟化物为氟化钾、氟化钠、氟化镁或者氟化钙中的一种。
所述氯化物优选为氯化锂、氯化钠、氯化钾或者氯化锌中的一种。
所述氯化物优选为氯化锂、氯化钠和氯化钾的组合物，其中氯化锂、氯化钠和氯化钾的质量比为(2-5)∶(0.5-2)∶(1-3)。
所述氟化物优选为氟化钾或者氟化钠中的一种。
所述氟化物和氯化物的质量比为(1-2)∶(2-4)。
所述氟化物和氯化物的质量比为1∶2或者1∶4。
本发明的活性剂用于铝及铝合金待焊材料的表面处理，其具体技术方案如下：
(1)按照质量比称取氟化物和氯化物充分混合均匀制成活性剂，加入所述活性剂质量20％-80％的水调成糊状涂敷剂；
(2)对焊接试件的表面进行打磨处理；
(3)将糊状涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度不超过0.8mm；
(4)在气体保护的条件下进行激光焊。
所述步骤(1)中的氟化物和氯化物选用粉末，可选用过筛后的粉末，如50目、80目、100目、120目、200目。
所述步骤(2)中，对焊接试件的打磨可采用粗磨，如80号的砂纸，优选采用细磨，如400号的砂纸。
所述步骤(4)中，保护气体为惰性气体或者惰性气体与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为2％～25％。
所述惰性气体为氩气或者氦气。
本发明采用的活性剂中，氯化物成分流动性好，去膜能力强，对焊材无腐蚀作用，高温下反应时铝溶解进入活性剂成为Al3+，使熔池的界面张力发生变化；氟化物成分活性好，能增强流动性。氯化物与氟化物混合使用时，能有效的改变焊件的表面状况，焊接过程中在表面形成一层薄膜，具有防止氧化及保护作用。
由于铝及其合金对激光的反射率很高，很多情况下即使激光功率密度大于106W/cm2，也难以形成激光深熔焊接。本发明的技术方案选取合适的活性剂预先对待焊材料进行表面处理，然后再进行激光焊接，以提高铝及铝合金激光焊的能量利用率，以增大焊接熔深，同时还具有去除表面氧化膜和保护焊缝的作用。
从焊缝横截面观察，焊缝呈半圆形，具有热传导激光焊的特征，平均熔深可达1-3mm，平均深宽比为0.6-0.8(实施例的焊缝结果)。涂敷活性剂后，焊缝的深宽比均有明显增加。由于焊缝成形仍是热传导成形的方式，活性剂的添加改变了熔池的表面张力分布，促使了焊缝熔深和深宽比的增大。涂敷表面活性剂以后，激光入射时先打在细颗粒涂层上，由于细颗粒表面形状不规则，对激光的反射率较低，且能形成对激光的散射，散射的激光再被其它细颗粒吸收，因此表面活性剂的存在提高了工件对激光的吸收率。由于试件表面粗糙程度对激光焊接吸收率有一定的影响，从实验结果来看，细磨(用400号以上砂纸打磨)比粗磨(用80号以下砂纸打磨)的焊缝熔深更大一些。活性剂的涂敷降低熔池表面张力，改变表面张力流方向，降低光致等离子体的电离度，压缩等离子体云，进而提高激光的利用率，增大焊缝熔深。以纯氩为保护气体时，涂敷活性剂，使铝合金激光焊的熔深和深宽比均有所增加，熔深增加可达25％-40％。当以氩气加少量氧气(氧气体积比例为2％～25％)为保护气体，铝合金激光焊的熔深增加很多，相对于纯氩气保护无活性剂的情况，利用板材中的金属元素与氧气反应，产生大量热量，使熔池热量增加，该方法熔深增加2倍以上，深宽比增加40％，无气孔产生。不涂敷活性剂且保护气有少量氧气时，也利用氧化产热，焊接所得的熔深大，深宽比大，但有气孔存在，在实际生产中不涂敷活性剂的方法不宜采用。
附图说明
图1是铝合金激光焊焊缝截面形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明利用的激光器为英国GSI公司的JK2003SM型Nd:YAG固体激光器，额定输出功率为2kw，激光输出的聚焦透镜焦距为300mm，保护气体侧向加气保护，气体流量可调，一般为20L/min。由于焊接过程中铝合金对激光的反射率非常高，为了防止在焊接过程中反射激光损伤镜头，激光镜头需沿竖直方向倾斜5°，沿侧向加保护气体，气流量为20L/min，选用LF21铝合金进行实验，激光焊接的参数为：功率2000W、零离焦、光束直径600μm、光束质量半角半径为24mrads、输出为连续波、焊接速度为3mm/s。
JK2003SM型Nd:YAG固体激光器的参数
实施例1
称取氯化锂粉末(80目)8g、氟化钾粉末(50目)2g混合均匀，然后加8g水混合调成糊状涂敷剂，使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的糊状涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气。
实施例2
称取氯化锂粉末(50目)5g、氯化钠粉末(80目)2g、氯化钾粉末(80目)3g、氟化钾粉末(50目)5g混合均匀，然后加9g水混合调成糊状涂敷剂，使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的糊状涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气。
实施例3
称取氯化钠粉末(100目)10g、氟化钠粉末(100目)5g混合均匀，然后加12g水混合调成糊状涂敷剂，使用80号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的糊状涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.5mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气和氧气的混合气体，氧气体积百分数为25％。
实施例4
称取氯化镁粉末(150目)6g、氯化钾粉末(100目)4g、氟化钙粉末(150目)5g混合均匀，然后加7.5g水混合调成糊状涂敷剂，使用80号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的糊状涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.4mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氦气。
实施例5
称取氯化钾粉末(120目)15g、氟化钾粉末(200目)10g混合均匀，然后加5g水混合调成糊状涂敷剂。使用80号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的糊状涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.5mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为15％。
实施例6
称取氯化锌粉末(120目)20g、氟化钙粉末(50目)5g混合均匀，然后加5g水混合调成糊状涂敷剂。使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为2％。
实施例7
称取氯化铝粉末(100目)5g、氯化钾粉末(100目)5g、氯化锡粉末(100目)5g、氟化镁粉末(80目)5g混合均匀，然后加10g水混合调成糊状涂敷剂。使用80号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.7mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氦气。
实施例8
称取氯化锂粉末(100目)10g、氯化钠粉末(100目)4g、氯化钾粉末(100目)6g、氟化钾粉末(100目)5g混合均匀，然后加8g水混合调成糊状涂敷剂。使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为2％。
实施例9
称取氯化锂粉末(200目)15g、氟化钾粉末(200目)15g混合均匀，然后加12g水混合调成糊状涂敷剂。使用80号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为10％。
实施例10
称取氯化锡粉末(100目)5g、氯化锂粉末(80目)8g、氯化钾粉末(120目)7g、氟化钠粉末(50目)10g混合均匀，然后加18g水混合调成糊状涂敷剂。使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.8mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为20％。
实施例11
称取氯化锂粉末(100目)10g、氯化钠粉末(100目)2g、氯化钾粉末(100目)3g、氟化钾粉末(50目)5g混合均匀，然后加12g水混合调成糊状涂敷剂。使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为20％。
实施例12
称取氯化锂粉末(100目)4g、氯化钠粉末(80目)1g、氯化钾粉末(120目)5g、氟化钠粉末(50目)5g混合均匀，然后加6g水混合调成糊状涂敷剂。使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为25％。
实施例13
称取氯化锂粉末(120目)4g、氯化钠粉末(100目)1g、氯化钾粉末(100目)3g、氟化钾粉末(50目)8g混合均匀，然后加8g水混合调成糊状涂敷剂。使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为2％。
实施例14
称取氯化锂粉末(100目)4.5g、氯化钠粉末(80目)1.5g、氯化钾粉末(80目)2g、氟化钠粉末(50目)4g混合均匀，然后加4.8g水混合调成糊状涂敷剂。使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的糊状涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氩气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为15％。
实施例15
称取氯化锂粉末(100目)6g、氯化钠粉末(100目)2g、氯化钾粉末(100目)4g、氟化钾粉末(50目)8g混合均匀，然后加8g水混合调成糊状涂敷剂。使用400号的砂纸对焊接试件的表面进行打磨处理。将调好的涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度为0.6mm。利用上述焊接设备进行激光焊，保护气体为氦气与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为20％。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于激光焊的活性剂，其特征在于，由氯化物和氟化物组成，其中氟化物和氯化物的质量比为(1-2)∶(1-4)，所述氯化物为氯化锂、氯化钠、氯化钾、氯化锌、氯化镁、氯化铝、氯化钙或者氯化锡中的至少一种，所述氟化物为氟化钾、氟化钠、氟化镁或者氟化钙中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光焊的活性剂，其特征在于，所述氯化物为氯化锂、氯化钠、氯化钾或者氯化锌中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光焊的活性剂，其特征在于，所述氯化物为氯化锂、氯化钠和氯化钾的组合物，其中氯化锂、氯化钠和氯化钾的质量比为(2-5)∶(0.5-2)∶(1-3)。
4.根据权利要求2或者3所述的一种用于激光焊的活性剂，其特征在于，所述氟化物为氟化钾或者氟化钠中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种用于激光焊的活性剂，其特征在于，所述氟化物和氯化物的质量比为(1-2)∶(2-4)。
6.根据权利要求5所述的一种用于激光焊的活性剂，其特征在于，所述氟化物和氯化物的质量比为1∶2或者1∶4。
7.一种利用权利要求1所述的活性剂进行铝或者铝合金激光焊接的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
(1)按照质量比称取氟化物和氯化物充分混合均匀，加入所述活性剂质量20％-80％的水调成糊状涂敷剂；
(2)对焊接试件的表面进行打磨处理；
(3)将糊状涂敷剂涂敷在焊接试件表面，烘干，涂敷层厚度不超过0.8mm；
(4)在气体保护的条件下进行激光焊。
8.根据权利要求7所述的一种利用权利要求1所述的活性剂进行铝或者铝合金激光焊接的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的氟化物和氯化物为过筛后的粉末，粉末粒度为50目、80目、100目、120目或者200目。
9.根据权利要求7所述的一种利用权利要求1所述的活性剂进行铝或者铝合金激光焊接的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对焊接试件的打磨采用粗磨或者细磨。
10.根据权利要求7所述的一种利用权利要求1所述的活性剂进行铝或者铝合金激光焊接的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，保护气体为惰性气体或者惰性气体与氧气的混合气体，其中氧气体积百分数为2％～25％；所述惰性气体为氩气或者氦气。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110914 |