CN107186343A - 一种高强铝合金‑钢板激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种高强铝合金‑钢板激光焊接方法，所述高强铝合金‑钢板激光焊接方法，包括以下步骤：（1）将待焊接铝合金板与钢板水平对接放置，组成待焊件；（2）将待焊件在两端夹紧固定，使铝合金板与钢板对接面的间隙小于0.1mm；（3）分别在铝合金板和钢板的待焊部位涂覆表面活性剂；（4）利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接。本发明将铝合金和钢板的待焊部位涂覆上氟化镁活性剂，然后利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接。该方法可有效的降低铝合金与钢异种金属焊缝热裂纹敏感性，获得良好的焊缝内部质量及外观质量，无裂纹，同时可以有效的降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种高强铝合金-钢板激光焊接方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。目前铝合金是应用最多的合金。纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好。但是纯铝的强度很低，退火状态 σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值 σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。
在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥所固有的表面性能，使用于多方面的钢铁的一种，通常称为不锈钢。代表性能的有13铬钢，18-铬镍钢等高合金钢。从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。近年来，应用不锈钢作为建筑材料正日益广泛。使用越来越广泛有着多方面的原因，其中包括对材料更好的了解、企图更新某些设计，设想生产出一种既耐久又无需维护的结构材料等。早期，不锈钢用于建筑方面只局限在某些场合，即在过去认为没有适当材料的场合建筑师们正在寻求一种有特殊作用的新材料。实际上许多这样的场合，不锈钢已长期被使用而其效果已经经过长期不断地对不锈钢的冲刷作用，使生产厂家相信不锈钢材料用于室外场合甚至在高腐蚀性气体的条件下也不腐蚀。
但是铝合金熔点约为660℃以上，而不锈钢的熔点一般为1000多摄氏度，最高可达2000多摄氏度，相差悬殊；且二者的热导率、线胀系数等热物理性能的差异较大，焊接过程中对焊接热输入较为敏感，容易出现未融合、咬边、焊接热裂纹、焊缝力学性能较低等问题，焊接难度较大。
激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接热输入小、适应性强、易于实现自动化等优点，可以满足产品结构复杂多样的需求，特别适用于对焊接热输入要求较为严格的材料焊接。但目前对钽钨合金与钢异种金属激光焊接的研究较少，缺乏一种控制钽钨合金与钢异种金属激光焊缝力学性能及焊接热裂纹、氧化等缺陷的激光焊接工艺方法。现我国车辆用铝合金主要以铝 - 锌 - 镁系的 7A52、7A05 和 7A09 等高强铝合金为 主，它们具有高的屈服强度和抗拉强度。但由于铝合金具有高的热膨胀系数和导热率等因素，导致常规单一的TIG 焊、MIG 焊接方法获得的焊接结构变形较大、焊接效率较低等问题。铝合金由于具有高的激光反射率，从而影响激光的吸收率和加重设备的负担。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，有效的降低铝合金与钢异种金属焊缝热裂纹敏感性，获得良好的焊缝内部质量及外观质量，无裂纹，同时可以有效的降低成本。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，包括以下步骤：
（1）将待焊接铝合金板与钢板水平对接放置，组成待焊件；
（2）将待焊件在两端夹紧固定，使铝合金板与钢板对接面的间隙小于0.1mm；
（3）分别在铝合金板和钢板的待焊部位涂覆表面活性剂；
（4）利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接。
为了提高焊接后工件的质量，即提高焊接面的表面平整度、减少气泡的生成，优选的，焊接前，将待焊工件表面进行打磨或清洗，将打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上，所述清洗的步骤为分别在乙醇和丙酮溶液中超声清洗2~3次后真空干燥。
为了提高铝及铝合金激光焊的能量利用率，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。优选的，所述表面活性剂包括以下物质:金属卤化物、二氧化硅和有机溶剂。
更优选的，所述表面活性剂包括以下物质：金属氟化物、金属氯化物、二氧化硅、有机溶剂，其中所述金属氟化物为氟化钾、氟化钠、氟化镁或者氟化钙中的至少一种。所述金属氯化物为氯化锂、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。所述有机溶剂为丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷、磷酸三乙酯、丙酮、三氯甲烷、甲苯、乙醇、醋酸、乙酸乙酯、甲酸、氯仿、四氢呋喃和二甲基亚砜中的至少一种。
优选的，在步骤（4）中，所述保护气为惰性气体，例如可以为He气、Ar气等中的至少一种，保护气效果最佳的是采用He气，这是因为其可以提高保护气的传热系数，使得激光和电弧的热量能够更多的传递给焊缝，使得热输入增加，降低了冷却速度，也可以在一定程度上降低气孔率。如条件不允许的情况下，用Ar气也可以。
保护气的流量和压强也是影响焊接件质量的重要因素，优选的，所述保护气的压强为0.1~0.5 MPa。优选的，所述保护气的流量为20L/min～40L/min。
本发明中对铝合金的种类没有特殊的要求，可以根据实际情况的需要选择，例如所述铝合金为一系铝合金、二系铝合金、三系铝合金、四系铝合金、五系铝合金、六系铝合金、七系铝合金、八系铝合金中的一种。
本发明中对不锈钢的种类没有特殊的要求，可以根据实际情况的需要选择，例如所述不锈钢为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、或马氏体不锈钢中的一种。
激光焊接中存在一个激光能量密度阈值，低于此值，熔深很浅，一旦达到或超过此值，熔深会大幅度提高。只有当工件上的激光功率密度超过阈值（与材料有关），等离子体才会产生，这标志着稳定深熔焊的进行。如果激光功率低于此阈值，工件仅发生表面熔化，也即焊接以稳定热传导型进行。而当激光功率密度处于小孔形成的临界条件附近时，深熔焊和传导焊交替进行，成为不稳定焊接过程，导致熔深波动很大。激光深熔焊时，激光功率同时控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接与光束功率密度有关，且是入射光束功率和光束焦斑的函数。优选的，所述激光的功率为2.4kW～3.0kW；和/或
激光的功率取决于激光控制电流，优选的，所述激光控制电流为40~100A。
此外，影响焊接质量的因素还有焊接速度和离焦距，如果焊接速度过慢，使高温停留时间增长，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗，机械性能降低，同时使变形量增大，优选的，在步骤（4）中，所述焊接速度v＝3.3m/min～6.0m/min；
离焦量是激光焦点离作用物质间的距离。在焊接过程中，离焦量对焊接质量的影响很大。激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀，在激光热处理过程中，离焦量对热处理效果产生直接的的影响。 当离焦量过大，作用在工件上的功率密度过低达不到处理工件的目的；当离焦量过小，作用在工件上的功率密度过高，容易熔化激光照射点，破坏工件表面，优选的，所述离焦量Δf＝+3mm。
优选的，所述铝合金板与钢板的厚度各自独立的为1mm~3mm。
本发明提供的高强铝合金-钢板激光焊接方法的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
本发明是将待焊接铝合金板与钢板水平对接放置，组成待焊件，并且两端夹紧固定采用双束焊接工艺进行焊接，将铝合金和钢板的待焊部位涂覆上活性剂如氟化镁活性剂（将氟化镁溶于有机溶剂形成的活性剂），然后利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接。该方法可有效的降低铝合金与钢异种金属焊缝热裂纹敏感性，获得良好的焊缝内部质量及外观质量，无裂纹，同时可以有效的降低成本。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，包括以下步骤：
分别选取厚度为2mm的五系铝合金和厚度为2mm的马氏体不锈钢；
打磨所选铝合金板与钢板的周边区域，去除表面氧化层及污染物打磨范围为焊缝周边40-60mm范围内的区域，打磨深度不超过0.2mm，且打磨纹路平行于焊缝方向；
将打磨后的铝合金板与钢板放入乙醇中超声15分钟，超声功率为300W，然后放入丙酮中超声清洗2次，超声时间为15分钟，超声功率为400W；
将处理后的多块板材按顺序组对正装在焊接夹具上，调整板材位置，使各板材之间的焊接缝隙为0.1mm；
分别在铝合金板和钢板的待焊部位涂覆表面活性剂，所述表面活性剂制备方法如下：按质量配比2:1:1:3取氟化镁，氯化铝，氯化锡，二氧化硅混合成混合物，按体积比2:1取混合物和二甲基亚砜并搅拌呈糊状备用；
利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接，焊接电流80A，功率为2.6 kw；焊接速度 4.5 m/min，离焦量Δf＝+3mm；焊接时以纯度高于99.99％的氩气作为保护气体，气流量为27L/min，压强为0.4MPa；
清洗打磨焊缝得到产品。
实施例2
一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，包括以下步骤：
分别选取厚度为1mm的四系铝合金和厚度为3mm的奥氏体-铁素体双相不锈钢；
打磨所选铝合金板与钢板的周边区域，去除表面氧化层及污染物打磨范围为焊缝周边40-60mm范围内的区域，打磨深度不超过0.2mm，且打磨纹路平行于焊缝方向；
将打磨后的铝合金板与钢板放入乙醇中超声15分钟，超声功率为300W，然后放入丙酮中超声清洗2次，超声时间为15分钟，超声功率为400W；
将处理后的多块板材按顺序组对正装在焊接夹具上，调整板材位置，使各板材之间的焊接缝隙为0.1mm；
分别在铝合金板和钢板的待焊部位涂覆表面活性剂，所述表面活性剂制备方法如下：按质量配比1:1:1:2取氟化钙，氯化镁，氯化锡，二氧化硅混合成混合物，按体积比2:1取混合物和三氯甲烷并搅拌呈糊状备用；
利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接，焊接电流50A，功率为2.8 kw；焊接速度 4.6m/min，离焦量Δf＝+3mm；焊接时以纯度高于99.99％的氦气作为保护气体，气流量为30L/min，压强为0.3MPa；
清洗打磨焊缝得到产品。
实施例3
一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，包括以下步骤：
分别选取厚度为1mm的二系铝合金和厚度为2mm的铁素体不锈钢；
打磨所选铝合金板与钢板的周边区域，去除表面氧化层及污染物打磨范围为焊缝周边40-60mm范围内的区域，打磨深度不超过0.2mm，且打磨纹路平行于焊缝方向；
将打磨后的铝合金板与钢板放入乙醇中超声15分钟，超声功率为300W，然后放入丙酮中超声清洗2次，超声时间为15分钟，超声功率为400W；
将处理后的多块板材按顺序组对正装在焊接夹具上，调整板材位置，使各板材之间的焊接缝隙为0.1mm；
分别在铝合金板和钢板的待焊部位涂覆表面活性剂，所述表面活性剂制备方法如下：按质量配比2:3:2:1取氟化钠，氯化钙，氯化锡，二氧化硅混合成混合物，按体积比2:1取混合物和氯仿并搅拌呈糊状备用；
利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接，焊接电流70A，功率为3.2 kw；焊接速度 4.7 m/min，离焦量Δf＝+3mm；焊接时以纯度高于99.99％的氩气作为保护气体，气流量为37L/min，压强为0.2MPa；
清洗打磨焊缝得到产品。
实施例4
一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，包括以下步骤：
分别选取厚度为3mm的六系铝合金和厚度为2mm的奥氏体不锈钢；
打磨所选铝合金板与钢板的周边区域，去除表面氧化层及污染物打磨范围为焊缝周边40-60mm范围内的区域，打磨深度不超过0.2mm，且打磨纹路平行于焊缝方向；
将打磨后的铝合金板与钢板放入乙醇中超声15分钟，超声功率为300W，然后放入丙酮中超声清洗2次，超声时间为15分钟，超声功率为400W；
将处理后的多块板材按顺序组对正装在焊接夹具上，调整板材位置，使各板材之间的焊接缝隙为0.1mm；
分别在铝合金板和钢板的待焊部位涂覆表面活性剂，所述表面活性剂制备方法如下：按质量配比2:3:1:2取氟化镁，氯化锌，氯化锂，二氧化硅混合成混合物，按体积比2:1取混合物和N,N-二甲基乙酰胺并搅拌呈糊状备用；
利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接，焊接电流90A，功率为2.5kw；焊接速度 4.8 m/min，离焦量Δf＝+3mm；焊接时以纯度高于99.99％的氦气作为保护气体，气流量为29L/min，压强为0.1MPa；
清洗打磨焊缝得到产品。
实施例5
一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，包括以下步骤：
分别选取厚度为1mm的三系铝合金和厚度为3mm的马氏体不锈钢；
打磨所选铝合金板与钢板的周边区域，去除表面氧化层及污染物打磨范围为焊缝周边40-60mm范围内的区域，打磨深度不超过0.2mm，且打磨纹路平行于焊缝方向；
将打磨后的铝合金板与钢板放入乙醇中超声15分钟，超声功率为300W，然后放入丙酮中超声清洗2次，超声时间为15分钟，超声功率为400W；
将处理后的多块板材按顺序组对正装在焊接夹具上，调整板材位置，使各板材之间的焊接缝隙为0.1mm；
分别在铝合金板和钢板的待焊部位涂覆表面活性剂，所述表面活性剂制备方法如下：按质量配比1:3:2:3取氟化钾，氯化铝，氯化钠，二氧化硅混合成混合物，按体积比2:1取混合物和乙酸乙酯并搅拌呈糊状备用；
利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接，焊接电流55A，功率为2.4 kw；焊接速度 5.5 m/min，离焦量Δf＝+3mm；焊接时以纯度高于99.99％的氦气作为保护气体，气流量为28L/min，压强为0.5MPa；
清洗打磨焊缝得到产品。
对比例1
一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，包括以下步骤：
分别选取厚度为2mm的五系铝合金和厚度为2mm的马氏体不锈钢；
打磨所选铝合金板与钢板的周边区域，去除表面氧化层及污染物打磨范围为焊缝周边40-60mm范围内的区域，打磨深度不超过0.2mm，且打磨纹路平行于焊缝方向；
将打磨后的铝合金板与钢板放入乙醇中超声15分钟，超声功率为300W，然后放入丙酮中超声清洗2次，超声时间为15分钟，超声功率为400W；
将处理后的多块板材按顺序组对正装在焊接夹具上，调整板材位置，使各板材之间的焊接缝隙为0.1mm；
利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接，焊接电流80A，焊接速度 4.5 m/min，离焦量Δf＝+3mm；焊接时以纯度高于99.99％的氩气作为保护气体，气流量为27L/min，压强为0.4MPa；
清洗打磨焊缝得到产品。
实施例1～5所得产品焊缝质量及尺寸要求完全满足使用要求，产品合格率大幅提高，同时焊接工时得到降低，生产效率较还能提升一倍。通过实施例1和对比例1的结果可以得出，在相同焊接工艺条件下，在有限的焊接时间内，有活性剂的焊透了，没涂活性剂的没焊透。
Claims (8)
1.一种高强铝合金-钢板激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将待焊接铝合金板与钢板水平对接放置，组成待焊件；
（2）将待焊件在两端夹紧固定，使铝合金板与钢板对接面的间隙小于0.1mm；
（3）分别在铝合金板和钢板的待焊部位涂覆表面活性剂；
（4）利用两束激光束的光斑从铝合金/钢对接两边向中心进行焊接；
所述表面活性剂包括以下物质:金属卤化物、二氧化硅和有机溶剂。
2.根据权利要求1所述的高强铝合金-钢板激光焊接方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述焊接是在保护气中进行的，所述保护气为惰性气体；所述保护气的压强为0.1~0.5MPa。
3.根据权利要求2所述的高强铝合金-钢板激光焊接方法，其特征在于，所述保护气的流量为20L/min～40L/min。
4.根据权利要求1所述的高强铝合金-钢板激光焊接方法，其特征在于，所述铝合金为一系铝合金、二系铝合金、三系铝合金、四系铝合金、五系铝合金、六系铝合金、七系铝合金、八系铝合金中的一种。
5.根据权利要求1所述的高强铝合金-钢板激光焊接方法，其特征在于，所述钢板为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、马氏体不锈钢中的一种。
6.根据权利要求1所述的高强铝合金-钢板激光焊接方法，其特征在于，所述激光的功率为2.4kW～3.0kW，激光控制电流为40~100A。
7.根据权利要求1所述的高强铝合金-钢板激光焊接方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述焊接，速度速度控制在v＝3.3m/min～6.0m/min；离焦量为Δf＝+3mm。
8.根据权利要求1所述的高强铝合金-钢板激光焊接方法，其特征在于，所述铝合金板与钢板的厚度各自独立的为1mm~3mm。
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