CN104043914B - 空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂及其制备方法和应用 - Google Patents

空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂及其制备方法和应用。采用的技术方案是：活性剂按重量百分比由20％～30％La2O3、5％～10％Ce2O3、10％～20％KF和余量的SiO2组成。激光焊接方法：在减震器活塞杆焊缝处提前涂覆专用活性剂，激光焊接头到达工位，对空心减震器活塞杆与实心堵头焊缝处进行焊接，焊接结束时激光器工作功率以渐变方式停止。采用本发明的方法，可实现激光低功率条件下，不开坡口、不填丝，高速焊接1～10mm厚碳钢管材，焊件旋转并形成熔透均匀、表面成形良好的环形焊缝。

Description

空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种激光焊接专用活性剂，特别涉及一种用于车用空心减震器活塞杆激光焊接的专用活性剂，可实现激光低功率条件下，不开坡口、不填丝，高速焊接1～10mm厚碳钢管材，焊件旋转并形成熔透均匀、表面成形良好的环形焊缝。
背景技术
汽车减震器是一个关键而必不可少的零部件，其产品质量对汽车整体安全性具有十分重要的影响。汽车零部件生产企业脱离整车企业并形成专业化零部件集团，正成为一种全球化趋势。随着国际上汽车行业开始实行零部件“全球化采购”策略及国际跨国汽车企业推行本土化策略，国内市场将出现巨大的零部件配件缺口。目前，国内减震器生产量远远不能满足市场需求，尤其是中高档汽车的减震器更是供不应求，因此，提高减震器的产量和质量是当前国内减震器生产企业生存和发展的战略目标之一。目前实心活塞杆在减震器组件的全球市场份额中占据90％以上，随着汽车轻量化的趋势以及高档车辆对安全性的极高要求(对行驶过程中数据实现实时监控)日益苛刻，使用空心活塞杆作为减震器组件(空心杆件里布置应力及位移传感器以便实现实时监控车辆行驶状态)是未来的重要发展方向。
当前，摩擦焊接是车用减震器活塞杆的主要连接工艺。然而，由于摩擦焊接存在热影响区大，焊缝处晶粒粗大，结合面易开裂等问题而严重制约活塞杆的使用寿命及安全性。从焊接效率角度来看，顶锻后需用车刀把突起切除，因此摩擦焊接工序复杂，效率低下。
随着光纤激光器的大规模工业化应用，采用激光焊接是金属管、板焊接的新途径。其焊接质量优良、热影响区小等优点得到广泛认可。但激光焊接尤其采用光纤激光器存在成本高昂、工装要求过高等问题而限制了更广泛的应用。同时，激光焊接焊缝处与热影响区界限明显，性能陡变，容易引起应力集中而导致减震器活塞杆提前疲劳失效，对车辆行驶安全造成严重威胁。此外，鉴于管材焊接特殊性，当采用激光焊接时，尾端热量积累而导致极易在焊接收尾时出现焊缝下塌、尾坑等问题而影响管件性能及表观质量。
活性焊接方法始于二十世纪六十年代左右。其主要应用集中在活性-TIG(钨极氩弧焊)领域。活性剂的使用可使熔深增加、宽度不变且焊缝区晶粒细化等优点而引起广泛关注。然而由于激光光源能量与TIG存在本质区别，尤其是光纤激光的独特性(如光束质量极高、光斑能量均匀、能量转换率高等特点)，因此与TIG焊接的活性剂相比激光焊接活性剂的组分选择具有相当大的区别。
发明内容
本发明的目的是提供一种空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂，用于车用空心减震器活塞杆激光焊接，可实现激光低功率条件下，不开坡口、不填丝，高速焊接1～10mm厚碳钢管材，焊件旋转并形成熔透均匀、表面成形良好的环形焊缝。
本发明的另一目的是提供空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂的制备方法及其应用。
本发明采用的技术方案是：空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂，由La2O3、Ce2O3、SiO2和KF组成。
优选的，上述的空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂，按重量百分比组成如下：La2O3：20％～30％，Ce2O3：5％～10％，KF：10％～20％，余量为SiO2。
一种空心减震器活塞杆激光焊接方法，方法如下：
1)将空心减震器活塞杆与两端实心堵头装夹在夹具上，保证同心度；
2)按上述的配比，取La2O3、Ce2O3、KF和SiO2，于球磨机中研磨2～4小时，混合均匀后用适量丙酮调匀，均匀喷涂于空心减震器活塞杆与实心堵头之间的焊缝区；所述的焊缝区是沿焊缝两侧向空心减震器活塞杆和实心堵头各约2mm的区域，涂覆量为1～10mg/cm2；
3)激光焊接头到达焊缝区上方进行焊接，空心减震器活塞杆旋转一圈后，为保证焊接性能，要求有一定的搭接量，所述的搭接量是指，空心减震器活塞杆旋转一圈后，焊接末端超过焊接起点0.5～3mm；焊接工艺条件如下：
激光功率为500W～1500W；
激光焊接头与焊缝区垂直距离为1～10cm；
激光焊接头与焊缝区垂直方向夹角为10～45°；
活塞杆旋转速度为10mm/s～40mm/s；
保护气体为氮气，流速为10m3/min～20m3/min；
4)结束焊接时，使激光功率以渐变为0方式停止工作。
上述的空心减震器活塞杆激光焊接方法，所述的空心减震器活塞杆壁厚为3～10mm。材料可为钢铁材料或高强高韧铝合金等有色合金。
本发明的有益效果是：本发明的活性剂，稀土氧化物(La2O3和Ce2O3)起到细化焊缝区晶粒的作用，而SiO2起到促进熔池液体由表面向下部流动的作用，氟化物(KF)则对电弧有强烈收缩作用，后两者都促进激光能量向下传导而导致熔深增加。本发明的方法提高了焊接接头性能，同时也提高了厚壁空心杆焊接速度，可使激光吸收率得到显著提高。在实现高速、深熔焊接的同时保护降低了激光器的焊接功率要求、保证焊接系统的稳定性以保持整个焊接生产线的高可靠性及稳定性。根据本发明焊接方法，所得焊缝表面均匀、美观，同时可实现降低光纤激光器功率要求、延长激光光纤寿命、提高焊接速度，并降低对活塞杆装夹夹具精度等要求。可提供金属管材活性-激光焊接工艺及完整生产线，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明焊接工艺的流程图。
图2是两种工艺条件下焊缝区形貌；
其中，A：单独采用激光焊接；B：本发明的方法
图3是单独采用激光焊接的空心减震器活塞杆拉伸性能曲线。
图4是采用本发明的方法的空心减震器活塞杆拉伸性能曲线。
具体实施方式
实施例1空心减震器活塞杆激光焊接方法
(一)某款空心减震器活塞杆具体数据如表1所示，材料为20Mn2(冷拔态)。
表1空心减震器活塞杆尺寸
直径 粗磨直径公差 长度范围 壁厚范围 备注
Φ14 (0.17，0.20) 250～500mm 3.0mm～6.0mm
(二)激光焊接方法，焊接流程如图1所示
1)将空心减震器活塞杆与两端实心堵头装夹在夹具上，保证同心度；
2)专用活性剂的组成如下：按重量百分比由30％La2O3、10％Ce2O3、20％KF和40％SiO2组成。将原料于球磨机中研磨3小时，混合均匀后用适量丙酮调匀，均匀喷涂于空心减震器活塞杆与实心堵头之间的焊缝区；所述的焊缝区是沿焊缝两侧向空心减震器活塞杆和实心堵头各约2mm的区域，涂覆量为7mg/cm2；1秒等待后，进行深熔焊接；
3)激光焊接头到达焊缝区上方进行深熔焊接，为保证焊接性能，空心减震器活塞杆旋转一圈后，要求有一定的搭接量，所述的搭接量是指，空心减震器活塞杆旋转一圈后，焊接末端超过焊接起点2mm；焊接工艺条件如下：
激光功率为1000W；
激光光束的离焦量-1mm；
激光焊接头与焊缝区垂直距离为5cm；
激光焊接头与焊缝区垂直方向夹角为40°；
活塞杆旋转速度为30mm/s；
保护气体为氮气，流速为15m3/min；
4)结束焊接时，使激光功率以渐变为0方式停止工作。工艺保证了焊接后无尾坑等缺陷，并保证焊缝表观均匀，美观，此时完成焊接过程。
(三)结果
焊接结束后，将单激光焊接工艺与本发明的方法进行对比分析。结果如图2所示，图2为两种工艺条件下焊缝区形貌。由图2中A可见，单独采用激光接头焊接，激光焊接接头熔深有限；而由图2中B可见，采用本发明的方法，采用了专用活性剂和焊接工艺，从激光焊接接头形貌可见焊缝区晶粒细小，表面突起小，实现了近终成型。具体的熔深及深宽比数据对比如表2所示,其中H为熔深，W表示焊缝熔宽，深宽比即熔深与熔宽的比值。
表2采用活性剂前后的焊缝区熔深及深宽比数据对比
熔深(mm) 熔宽(mm) 深宽比 HB/HA WB/WA
A 2.57 2.14 1.19 1.00 1.00
B 3.21 2.15 1.49 1.25 0.99
空心减震器活塞杆拉伸曲线对比如图3和图4所示，抗拉强度及延伸率对比如表3所示。可见，采用本发明激光焊接方法后抗拉强度及延伸率有所提高。
表3采用活性剂前后的拉伸性能数据对比
0.2％比例屈服强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 延伸率(％)
A 183.2 668.0 8.7
B 187.4 794.3 10.9

Claims (4)

1.空心减震器活塞杆激光焊接专用活性剂，其特征在于按重量百分比组成如下：La2O3：20％～30％，Ce2O3：5％～10％，KF：10％～20％，余量为SiO2。
2.空心减震器活塞杆激光焊接方法，其特征在于方法如下：
1)将空心减震器活塞杆与两端实心堵头装夹在夹具上，保证同心度；
2)按照权利要求1所述的配比，取La2O3、Ce2O3、KF和SiO2，于球磨机中研磨2～4小时，混合均匀后用适量丙酮调匀，均匀喷涂于空心减震器活塞杆与实心堵头之间的焊缝区；
3)激光焊接头到达焊缝区上方进行焊接，空心减震器活塞杆旋转一圈后，为保证焊接性能，要求有一定的搭接量，所述的搭接量为焊接末端超过焊接起点0.5～3mm；
4)结束焊接时，使激光功率以渐变为0方式停止工作。
3.如权利要求2所述的空心减震器活塞杆激光焊接方法，其特征在于方法如下：
1)将空心减震器活塞杆与两端实心堵头装夹在夹具上，保证同心度；
2)按照权利要求1所述的配比，取La2O3、Ce2O3、KF和SiO2，于球磨机中研磨2～4小时，混合均匀后用适量丙酮调匀，均匀喷涂于空心减震器活塞杆与实心堵头之间的焊缝区；所述的焊缝区是沿焊缝两侧向空心减震器活塞杆和实心堵头各约2mm的区域，涂覆量为1～10mg/cm2；
3)激光焊接头到达焊缝区上方进行焊接，空心减震器活塞杆旋转一圈后，为保证焊接性能，要求有一定的搭接量，所述的搭接量为焊接末端超过焊接起点0.5～3mm；焊接工艺条件如下：
激光功率为500W～1500W；
激光焊接头与焊缝区垂直距离为1～10cm；
激光焊接头与焊缝区垂直方向夹角为10～45°；
活塞杆旋转速度为10mm/s～40mm/s；
保护气体为氮气，流速为10m3/min～20m3/min；
4)结束焊接时，使激光功率以渐变为0方式停止工作。
4.如权利要求2或3所述的空心减震器活塞杆激光焊接方法，其特征在于所述的空心减震器活塞杆壁厚为3～10mm。
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