CN110238517B - 一种铝合金压铸嵌件激光焊接工艺 - Google Patents

一种铝合金压铸嵌件激光焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于合金材料焊接技术领域，具体涉及一种铝合金压铸嵌件的激光焊接工艺。本发明以AlSi9Cu3为母材，以质量百分比组成为：Si：0.3‑0.6％、Fe：0.1‑0.3％、Mg：0.35‑0.6％、Cu：≦0.1、Mn：≦0.1、Ti：≦0.1、Cr：≦0.05、余量为Al及不可避免的杂质的组分为嵌件，母材与嵌件匹配良好，以嵌件部分作为焊接区域，通过激光焊接将压铸件与对手件焊接在一起，避免了传统焊接工艺中以ADC12/AlSi9Cu3作为压铸件焊接材料时产生的大量气孔和热裂纹；同时对嵌件进行T6处理和表面处理，T6处理避免了温度达到500℃以上时嵌件材料出现气孔、缩裂的风险，表面处理不仅能使嵌件表面平整光洁，而且在嵌件表面形成厚度适中的保护膜，阻碍焊接时氧气对嵌件表面的破坏，进而确保焊接稳定性和焊接质量。

Description

一种铝合金压铸嵌件激光焊接工艺
技术领域
本发明属于合金材料焊接技术领域，具体涉及一种铝合金压铸嵌件的激光焊接工艺。
背景技术
汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。由于新能源汽车的逐渐普及，大量的新能源电池模组需要采用焊接方式进行连接，为了满足汽车轻量化的要求，现有的压铸件材料主要为ADC12/AlSi9Cu3铝合金材质。
目前ADC-12/AlSi9Cu3常用的有效焊接方式为FSW焊接，由于FSW设备的结构与功能的限制，并不适用于电池腔体的焊接。除此之外，还有MIG/CMT/TIG焊接工艺，由于压铸铝及铝合金的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍，导致铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅6％～11％时产生较为严重的热裂，因而采用硅含量4.5％～6％焊丝只是减小的抗裂性并不能完全消除热烈的现象。铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。铝及铝合金在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔，使焊缝处机械性能下降。
另外，还有激光焊接工艺，激光焊接具有加热快和瞬时凝固的特点，深宽比高达到12∶1，但是由于铝合金具有高的反射率和良好的导热性以及等离子体的屏蔽作用，常用的ADC12/AlSi9Cu3压铸件材料在焊接时不可避免地出现两个严重缺陷：气孔和热裂纹，进而破坏焊缝金属的致密性，减小焊缝有效截面，还可能促成冷裂纹、引起泄漏，同时，还降低焊缝的力学性能、弯曲强度、冲击韧性及疲劳强度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供一种生产效率高、性能好、焊缝处可以完全达到高强度机械性能要求的铝合金压铸嵌件激光焊接工艺。
本发明的上述目的可以通过下列技术方案来实现：一种铝合金压铸嵌件激光焊接工艺，包括如下步骤：
S1、材料选取：选取铝合金压铸材料与挤压型材分别作为母材和嵌件；
S2、材料制备：将S1中所述嵌件先机加工再T6处理和表面处理，同时将所述母材熔炼成合金液，然后将嵌件放入模具与浇注的合金液压铸成型，得压铸整体件；
S3、装夹：将压铸整体件装夹在焊接夹具上，同时调节焊接夹具使整体件中嵌件与对手件吻合在焊接位置上；
S4、焊接：在混合保护气氛下采用激光焊接将压铸整体件和对手件焊接在一起。
对于简单结构间的焊接现有技术通常将压铸件和对手件直接焊接在一起，对于稍复杂结构间的焊接需要在压铸件中镶入嵌件完成焊接，但往往采用的嵌件与压铸件组分相同，基本能满足要求较低的焊接工件，但对于新能源电池模组这种需要高精度高质量焊接连接的工件，现有的焊接工艺已不能满足需要，因此，本发明采用与压铸件组分不同的嵌件，以压铸件为母材，以嵌件部分作为焊接区域，通过激光焊接将带有嵌件的压铸件与对手件焊接在一起，避免了传统焊接工艺中焊接产生的大量气孔和热裂纹。同时，本发明还在嵌件镶入压铸件前对其进行T6处理和表面处理，T6处理避免了温度达到500℃以上时嵌件材料出现气孔、缩裂的风险，表面处理不仅能获得平整光洁的表面，而且在嵌件表面形成厚度适中的保护膜，阻碍焊接时氧气对嵌件表面的破坏，进而确保焊接稳定性和焊接质量。
作为优选，步骤S1中的母材为AlSi9Cu3铝合金。本发明选择以AlSi9Cu3作为母材，不仅是因为其具有良好机械和力学性能，更是因为其与嵌件具有良好的结合相容性。
作为优选，步骤S1中的铝合金嵌件由按如下质量百分比的组分组成：Si：0.3-0.6％、Fe：0.1-0.3％、Mg：0.35-0.6％、Cu：≦0.1、Mn：≦0.1、Ti：≦0.1、Cr：≦0.05、余量为Al及不可避免的杂质。在本发明的焊接工艺中除了要求嵌件要与母材相匹配外；还要尽量避免出现晶界合金元素偏析及低熔点组分，因为如果嵌件组分出现上述情形会导致焊接局部区域的金属原子结合力遭到破坏形成新界面而产生缝隙。本发明采用上述配伍合理的嵌件组分，在焊接完成时未出现裂纹及气孔等缺陷，且通过电镜扫描断口及焊缝横截面形貌可以看出焊接效果佳。
作为优选，步骤S2中的T6处理具体为：将嵌件加热至550-580℃，保温3-5h，再水冷至30-80℃，然后于200-250℃温度下保温3-4h。本发明在嵌件未镶入母材时对其进行T6处理，可以避免在温度达到500℃以上时嵌件材料出现气孔、缩裂的风险，进而避免降低嵌件与母材的结合致密性及嵌件与对手件焊缝有效截面积。
作为优选，步骤S2中的表面处理为先抛丸处理再化学钝化处理。本发明将抛丸处理和化学钝化处理结合起来，不仅能使嵌件与母材牢固结合，还能防止嵌件表面被腐蚀，进而实现在焊接时嵌件与对手件之间的有效结合，保证焊接质量。
进一步优选，抛丸处理工艺为：抛丸距离为400-500mm、喷射角为30-40°、砂粒大小为65-75目。
进一步优选，化学钝化处理工艺为：将经过抛丸处理的嵌件于pH为2.5-3.0、温度为30-40℃的钝化液中进行2-8min钝化处理。本发明在该工艺条件下形成的钝化膜均匀致密，而当pH小于2.5、温度高于40℃，钝化液中氢离子浓度过高，迁移速率过快，使得氧化还原反应速率过快，导致形成的氧化膜薄而多孔；当pH大于3.0、温度低于30℃时，钝化液活性较低，使得整体反应速率过慢，成膜速度较慢，导致膜层厚度不均匀且附着不牢。
再进一步优选，钝化液由按如下质量百分比的组分组成：硫酸4.8-7.1％、氟锆酸铵15-20％、硝酸钠3.7-8.0％、醋酸5.5-10％、壬基酚聚氧乙烯醚0.5-1.2％，余量为水及不可避免的杂质。本发明硫酸主要是调节溶液的pH，为钝化膜的形成提供酸性环境，添加少量的醋酸，一方面因其独特的性质能在溶液中构成CH3COOH-CH3COOH-缓冲对，只有在加入大量强酸或强碱将CH3COOH-或CH3COOH耗尽的情况下，才会较大程度地改变溶液的酸度，因此CH3COOH的存在能使钝化液的pH较长时间维持在2.5-3.0的范围，以确保钝化液的稳定性；另一方面醋酸与硫酸协同作用促进转化膜的生成。同时，在硝酸钠的协同作用下，氟锆酸铵作为主盐参与成膜反应，但氟锆酸铵的质量百分比要严格控制在12-20％，若低于12％，钝化液中氟锆酸铵浓度偏低，则反应速度慢，形成的钝化膜颜色浅，光泽较差，若高于20％反应速度加快，钝化膜颜色加深且色泽不均匀。在以上组分中再加入少量的非离子型表面活性壬基酚聚氧乙烯醚，不仅能降低基体与钝化液间的表面张力，还能和其他组分协同阻止嵌件凹处化学反应的进行，进而在嵌件表面形成更加均匀平整的钝化膜，有了钝化膜的保护，嵌件表面不会被有害气体腐蚀，使焊接区域与对手件实现稳定有效的焊接。
作为优选，步骤S4中的混合保护气为Ar-5％N2-1.5％He。为了排除氧气对焊接过程的影响，现有技术中往往采用Ar、He或二者混合气作为焊接保护气，但对于本发明电池模组而言要求具有更深的熔深，采用Ar、He或二者混合气作为保护气满足不了需求，通过大量实践在Ar、He混合气中添加少量的N2能增加焊缝的熔深，获得满足要求的焊接件。
作为优选，步骤S4在激光焊接时混合保护气气流与焊件的距离为5-6mm，气流束与焊件水平面的夹角为50-60°，气流量为1.2-1.5m3/h。本发明焊接时采用上述工艺，能避免飞溅的产生，在焊件表面形成良好且熔深较深的焊缝。本发明因为采用的是以嵌件作为焊接区域实现的焊接，且焊件组分特殊，采用传统焊接工艺参数已无法实现满足要求的焊接工件。
作为优选，步骤S4中激光焊接采用的激光器为ND:YAG固体激光器，所述激光焊接的工艺参数为：激光平均功率为2.5-3.5KW、焊接速度为12-15mm/s、离焦量为-(0.5-0.7)、入射角7-8°。本发明在该工艺条件下焊缝外观良好，无裂纹和气孔等缺陷，且熔深较深，完全满足新能源电池模组对焊接的要求。本发明焊接时焊接速度不宜超过15mm/s，否则过冷度大，焊缝区晶粒细化，会形成了大量同方向生长的“束状晶”，而束状晶之间的晶面极不稳定，很容易产生裂纹。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明以AlSi9Cu3为母材，以组分配伍合理的铝合金挤压型材为嵌件，将嵌件镶入AlSi9Cu3母材，二者匹配良好，以嵌件部分作为焊接区域，通过激光焊接将压铸件与对手件焊接在一起，避免了传统焊接工艺中以ADC12/AlSi9Cu3作为压铸件焊接材料时产生的大量气孔和热裂纹。
2.本发明在嵌件镶入压铸件之前先对其进行T6处理和表面处理，T6处理避免了温度达到500℃以上时嵌件材料出现气孔、缩裂的风险，表面处理不仅能使嵌件表面平整光洁，而且在嵌件表面形成厚度适中的保护膜，阻碍焊接时氧气对嵌件表面的破坏，进而确保焊接稳定性和焊接质量。
附图说明
图1为本发明嵌件镶入母材示意图
图2为本发明实施例8焊缝断口扫描电镜图
图3为本发明实施例8焊缝横截面微观形貌
图4为本发明实施例8焊缝局部宏观形貌
图5、6为本发明对比例1不同角度观察到的焊缝裂纹、气孔局部宏观形貌
图7为本发明对比例6焊缝未焊透局部宏观形貌
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并说明对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1-5
压铸件母材均为AlSi9Cu3，嵌件为按如下质量百分比的组分组成的铝合金：Si：0.3-0.6％、Fe：0.1-0.3％、Mg：0.35-0.6％、Cu：≦0.1、Mn：≦0.1、Ti：≦0.1、Cr：≦0.05、余量为Al及不可避免的杂质
实施例1-5中嵌件的组分组成如表1所示
表1：实施例1-5中嵌件组分组成
Figure BDA0002072160680000071
实施例6
选取实施例1中的材料分别作为母材和嵌件；将嵌件加热至550℃，保温3h，再水冷至30℃，然后于200℃温度下保温3h；对嵌件进行抛丸处理，其中抛丸距离为400mm、喷射角为30°、砂粒大小为65目；再将经过抛丸处理的嵌件于pH为2.5、温度为30℃的钝化液中进行2min钝化处理，其中钝化液的组分为硫酸4.8％、氟锆酸铵15％、硝酸钠3.7％、醋酸5.5％、壬基酚聚氧乙烯醚0.5％，余量为水及不可避免的杂质；然后将钝化后的嵌件放入模具压铸成型，得到铝合金母材及嵌件压铸整体件；
将压铸整体件根据设定位置装夹在焊接夹具上，同时调节焊接夹具使整体件中嵌件与对手件吻合在焊接位置上；在混合保护气氛Ar-5％N2-1.5％He、气流与焊件的距离为5mm、气流束与焊件水平面的夹角为50°、气流量为1.2m3/h下采用ND:YAG固体激光器将压铸整体件和对手件焊接在一起；其中激光平均功率为2.5KW、焊接速度为12mm/s、离焦量为-0.5、入射角7°；
对焊接速度和正交试验的工艺参数验证并分析其对焊接质量的影响；对焊缝、熔深、焊接气孔质量进行验证。
实施例7
选取实施例2中的材料分别作为母材和嵌件；将嵌件加热至560℃，保温3.5h，再水冷至40℃，然后于210℃温度下保温4h；对嵌件进行抛丸处理，其中抛丸距离为420mm、喷射角为32°、砂粒大小为67目；再将经过抛丸处理的嵌件于pH为2.6、温度为32℃的钝化液中进行3min钝化处理，其中钝化液的组分为硫酸5.1％、氟锆酸铵16％、硝酸钠4.5％、醋酸6％、壬基酚聚氧乙烯醚0.6％，余量为水及不可避免的杂质；然后将钝化后的嵌件放入模具压铸成型，得到铝合金母材及嵌件压铸整体件；
将压铸整体件根据设定位置装夹在焊接夹具上，同时调节焊接夹具使整体件中嵌件与对手件吻合在焊接位置上；在混合保护气氛Ar-5％N2-1.5％He、气流与焊件的距离为5.2mm、气流束与焊件水平面的夹角为53°、气流量为1.3m3/h下采用ND:YAG固体激光器将压铸整体件和对手件焊接在一起；其中激光平均功率为2.7KW、焊接速度为13mm/s、离焦量为-0.5、入射角8°；
对焊接速度和正交试验的工艺参数验证并分析其对焊接质量的影响；对焊缝、熔深、焊接气孔质量进行验证。
实施例8
选取实施例3中的材料分别作为母材和嵌件；将嵌件加热至560℃，保温4h，再水冷至55℃，然后于220℃温度下保温3.5h；对嵌件进行抛丸处理，其中抛丸距离为450mm、喷射角为35°、砂粒大小为70目；再将经过抛丸处理的嵌件于pH为2.7、温度为35℃的钝化液中进行5min钝化处理，其中钝化液的组分为硫酸6％、氟锆酸铵17.5％、硝酸钠5.8％、醋酸6.5％、壬基酚聚氧乙烯醚0.8％，余量为水及不可避免的杂质；然后将钝化后的嵌件放入模具压铸成型，得到铝合金母材及嵌件压铸整体件；
将压铸整体件根据设定位置装夹在焊接夹具上，同时调节焊接夹具使整体件中嵌件与对手件吻合在焊接位置上；在混合保护气氛Ar-5％N2-1.5％He、气流与焊件的距离为5.5mm、气流束与焊件水平面的夹角为55°、气流量为1.3m3/h下采用ND:YAG固体激光器将压铸整体件和对手件焊接在一起；其中激光平均功率为3KW、焊接速度为14mm/s、离焦量为-0.6、入射角7.5°；
对焊接速度和正交试验的工艺参数验证并分析其对焊接质量的影响；对焊缝、熔深、焊接气孔质量进行验证。
实施例9
选取实施例4中的材料分别作为母材和嵌件；将嵌件加热至570℃，保温4.5h，再水冷至70℃，然后于240℃温度下保温4h；对嵌件进行抛丸处理，其中抛丸距离为480mm、喷射角为37°、砂粒大小为72目；再将经过抛丸处理的嵌件于pH为2.8、温度为37℃的钝化液中进行7min钝化处理，其中钝化液的组分为硫酸6.6％、氟锆酸铵19％、硝酸钠7.0％、醋酸9％、壬基酚聚氧乙烯醚1％，余量为水及不可避免的杂质；然后将钝化后的嵌件放入模具压铸成型，得到铝合金母材及嵌件压铸整体件；
将压铸整体件根据设定位置装夹在焊接夹具上，同时调节焊接夹具使整体件中嵌件与对手件吻合在焊接位置上；在混合保护气氛Ar-5％N2-1.5％He、气流与焊件的距离为5.8mm、气流束与焊件水平面的夹角为57°、气流量为1.4m3/h下采用ND:YAG固体激光器将压铸整体件和对手件焊接在一起；其中激光平均功率为3.2KW、焊接速度为14mm/s、离焦量为-0.5、入射角7°；
对焊接速度和正交试验的工艺参数验证并分析其对焊接质量的影响；对焊缝、熔深、焊接气孔质量进行验证。
实施例10
选取实施例5中的材料分别作为母材和嵌件；将嵌件加热至580℃，保温5h，再水冷至80℃，然后于250℃温度下保温4h；对嵌件进行抛丸处理，其中抛丸距离为500mm、喷射角为40°、砂粒大小为75目；再将经过抛丸处理的嵌件于pH为3.0、温度为40℃的钝化液中进行8min钝化处理，其中钝化液的组分为硫酸7.1％、氟锆酸铵20％、硝酸钠8.0％、醋酸10％、壬基酚聚氧乙烯醚1.2％，余量为水及不可避免的杂质；然后将钝化后的嵌件放入模具压铸成型，得到铝合金母材及嵌件压铸整体件；
将压铸整体件根据设定位置装夹在焊接夹具上，同时调节焊接夹具使整体件中嵌件与对手件吻合在焊接位置上；在混合保护气氛Ar-5％N2-1.5％He、气流与焊件的距离为6mm、气流束与焊件水平面的夹角为60°、气流量为1.5m3/h下采用ND:YAG固体激光器将压铸整体件和对手件焊接在一起；其中激光平均功率为3.5KW、焊接速度为15mm/s、离焦量为-0.7、入射角8°；
对焊接速度和正交试验的工艺参数验证并分析其对焊接质量的影响；对焊缝、熔深、焊接气孔质量进行验证。
对比例1
与实施例8的区别在于，本对比例中以ADC12/AlSi9Cu3作为嵌件材料。
对比例2
与实施例8的区别在于，本对比例嵌件在机加工后未进行T6处理。
对比例3
与实施例8的区别在于，本对比例嵌件未进行表面处理。
对比例4
与实施例8的区别在于，本对比例钝化处理采用的钝化液组分为：硫酸6％，硫酸钠4.5％，无水硫酸铜0.8％，尿素3.5％，余量为水及不可避免的杂质。
对比例5
与实施例8的区别在于，本对比例采用的保护气为Ar。
对比例6
与实施例8的区别在于，本对比例采用的保护气为Ar+1.5％He混合保护气。
对实施例1-6及对比例1-6中的焊接试样进行性能测试结果如表1所示，其中取样厚度为4mm，焊接试样的拉伸试验采用瑞格尔仪器有限公司RGM-4300微机控制电子万能材料试验机。
表1：实施例6-10和对比例1-6中焊件试样的性能测试数据
Figure BDA0002072160680000111
综上，本发明选择以AlSi9Cu3为母材，以组分配伍合理的铝合金挤压型材为嵌件，将嵌件镶入AlSi9Cu3母材，二者匹配良好，以嵌件部分作为焊接区域，通过激光焊接将压铸件与对手件焊接在一起，避免了传统焊接工艺中以ADC12/AlSi9Cu3作为压铸件焊接材料时产生的大量气孔和热裂纹，同时通过对嵌件进行T6处理和表面处理，避免了温度达到500℃以上时嵌件材料出现气孔、缩裂的风险，且使嵌件表面平整光洁，形成厚度适中的保护膜，阻碍焊接时氧气对嵌件表面的破坏，进而确保焊接稳定性和焊接质量。通过本发明的焊接工艺获得的焊接试样具有较好的抗拉强度、屈服强度、延伸率、熔深及微观和宏观形貌，能满足新能源汽车电池模组的要求。
鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (4)

1.一种铝合金压铸嵌件激光焊接工艺，其特征在于，所述的焊接工艺包括如下步骤：
S1、材料选取：选取铝合金压铸材料与挤压型材分别作为母材和嵌件；所述的嵌件由如下质量百分比的组分组成：Si：0.3-0.6％、Fe：0.1-0.3％、Mg：0.35-0.6％、Cu：≦0.1% 、Mn：≦0.1% 、Ti：≦0.1% 、Cr：≦0.05% 、余量为Al及不可避免的杂质；
S2、材料制备：将S1中所述嵌件先机加工再T6处理和表面处理，同时将所述母材熔炼成合金液，然后将嵌件放入模具与浇注的合金液压铸成型，得压铸整体件；所述步骤S2中的表面处理为先抛丸处理再化学钝化处理，所述的化学钝化工艺为：将经过抛丸处理的嵌件于pH为2.5-3.0、温度为30-40℃的钝化液中进行2-8min钝化处理，所述的钝化液由按如下质量百分比的组分组成：硫酸4.8-7.1％、氟锆酸铵15-20％、硝酸钠3.7-8.0％、醋酸5.5-10％、壬基酚聚氧乙烯醚0.5-1.2％，余量为水及不可避免的杂质；
S3、装夹：将压铸整体件装夹在焊接夹具上，同时调节焊接夹具使整体件中嵌件与对手件吻合在焊接位置上；
S4、焊接：在混合保护气氛下采用激光焊接将压铸整体件和对手件焊接在一起；
所述步骤S1中的母材为AlSi9Cu3铝合金；
步骤S2中的T6处理为：将嵌件加热至550-580℃，保温3-5h，再水冷至30-80℃，然后于200-250℃温度下保温3-4h。
2.根据权利要求1所述的压铸嵌件激光焊接工艺，其特征在于，所述的抛丸处理工艺为：抛丸距离为400-500mm、喷射角为30-40°、砂粒大小为65-75目。
3.根据权利要求1所述的压铸嵌件激光焊接工艺，其特征在于，所述步骤S4中的混合保护气为Ar-5％N2-1.5％He。
4.根据权利要求1所述的压铸嵌件激光焊接 工艺，其特征在于，所述步骤S4中激光焊接工艺参数为：激光平均功率为2.5-3.5KW、焊接速度为12-15mm/s、离焦量为-(0.5-0.7)、入射角7-8°。
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