CN113458732A - 一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，包括以下步骤：以4047铝合金粉末为原材料，使用选区激光熔化技术制备出固化后的材料；对所得固化后的材料进行热轧制并打磨，得到待焊接材料；对所得待焊接材料进行激光焊接，得到成品。该工艺方法依靠增材制造技术在合适的参数下可以获得细小晶粒，再使用轧制减少或消除增材制造中产生的孔隙等缺陷，并进一步获得均匀的细晶粒和共晶组织，从而达到提高焊接性能的目的，显著提高焊接接头的力学性能。

Description

一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺

技术领域

本发明属于铝合金激光焊接领域，主要涉及铸造铝硅合金的对接焊导致焊接接头性能不足时的一种提高焊接性能的工艺方法。

背景技术

铝硅合金由于具有良好的高强度、高耐腐蚀性能、铸造性能等优点，被广泛应用于工业中。铝硅合金在汽车工业中可以代替铁碳合金，减轻重量并提高功率比，还可以起到高效节能的作用。激光焊接由于具有能量密度高、热输入量小、焊缝窄、适应性强等优点，是目前铝硅合金封焊最常用的焊接方法。但是传统的铸造方法制备的铝硅合金材料内部存在大量的脆性块状硅相，在焊接过程中容易产生应力集中，在内部的脆性相处发生开裂，并且硅相熔解后焊缝的强度明显低于母材。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的是提供一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，包括以下步骤：

步骤(1)

以4047铝合金粉末为原料，通过选区激光熔化得到固化后的材料；

步骤(2)

以步骤(1)所得固化后的材料为处理对象，对其进行热轧制并打磨；得到待焊接材料；

步骤(3)

对步骤(2)所得待焊接材料进行激光焊接；得到成品。

作为优选方案，步骤(1)中以气雾化技术制备4047铝合金粉末，然后使用选区激光熔化设备制备板材。

进一步优选地，步骤(1)中，以气雾化制备的粉末粒径分布范围为10-60μm，作为更进一步的优选方案，气雾化制备的粉末中位径为28-32μm。

作为优选方案，步骤(1)中，在进行选区激光熔化前，对铝合金粉末进行真空干燥，温度为65-85℃、进一步优选为80℃，干燥时间为2-6h、进一步优选为4h。

作为优选方案，步骤(1)中，选区激光熔化的工艺参数：激光功率为150-200W，扫描速度为630-850mm/s，扫描间距为0.15mm，层厚为0.03mm，激光能量密度为40-70J/mm³，旋转角度为67°，基板预热温度为100-150℃，使用纯氩气作为保护气体。

作为进一步优选，步骤(1)中，选区激光熔化的工艺参数：激光功率为150-200W，扫描速度为740-835mm/s，扫描间距为0.15mm，层厚为0.03mm，激光能量密度为40J/mm³，旋转角度为67°，基板预热温度为100-150℃，使用纯氩气作为保护气体。

作为优选方案，步骤(2)中，将步骤(1)中制备成形的板材进行热轧制，打磨，消除氧化皮在焊接过程中对焊缝组织的影响。

作为优选方案，步骤(2)中，热轧制开轧温度为400-450℃，每道次保温20-30min，总加工率为50-70％。

作为进一步优选，步骤(2)中，热轧制开轧温度为450℃，每道次保温30min，总加工率为70％。

作为优选方案，步骤(3)中，激光焊接功率为1500-1800W，焊接速度为120-180mm/min，离焦量为0mm。在工程上应用时，对所需焊缝的尺寸，通过控制焊接工艺参数获得。

作为进一步优选，步骤(3)中，激光焊接功率为1800W，焊接速度为120mm/min，离焦量为0mm。

作为优选方案，步骤(3)中，还包括激光焊接前，对焊缝进行烘干的步骤。

原理

选区激光熔化是通过高能量激光熔化固体粉末，逐层铺粉并逐层冷却固化，最终叠加成形三维零件的制备方法，其具有晶粒细小、组织均匀、性能优异、原材料利用率高等优点。本发明采用选区激光熔化技术制备的4047铝合金，共晶硅相晶粒细小且分布均匀，力学性能优异。在本发明中对激光熔化技术制备的4047铝合金进行热轧制进一步均匀和细化晶粒，使增材制造过程在材料内部产生的微孔压实，变为致密的组织结构，然后通过焊接，得到性能优异的产品。

本发明具有以下有益效果：

1、该工艺方法可以使铝硅合金母材内部的晶粒细化，共晶硅相更均匀地分布，便于铝硅合金的焊接，也可推广至其他内部含大颗粒硬脆相的铸态铝合金。

2、该工艺方法可显著提高铝硅合金的焊缝强度和焊缝的气密性。

3、该工艺方法流程简单，对焊缝的各项性能提升显著，适用于需要高强度和高气密性的结构件生产，扩大了铝硅合金的应用范围。

附图说明

图1为气雾化制备的4047铝合金粉末；

图2为激光选区熔化制备的4047铝合金微观组织；

图3为70％热轧制后的4047铝合金微观组织；

图4为铸态4047铝合金微观组织；

图5为本发明制备的4047铝合金与6061铝合金焊接示意图。

从图1中可以看出气雾化制备的4047铝合金粉末呈球形，存在少量的团聚。

从图2中可以看出选区激光熔化制备的4047铝合金微观形貌，背景黑色的部分为α-Al基体，灰白色网状结构的铝硅共晶覆盖在上方，存在着粗晶区和细晶区。

从图3中可以看出经过热轧制后的4047铝合金，熔池结构已经消失，灰色的小点为破碎的铝硅共晶，背景的白色部分为α-Al基体，晶粒明显细化。

从图4中可以看到铸态4047铝合金的微观形貌，存在白色大块的硅颗粒和针状的铝硅共晶，对板材的力学性能和焊接性能有着较大的负面影响。

图5中，a为通过本发明制备的待焊接4047铝合金，b为6061铝合金，c为两板拼接后的焊接过程示意；从图5中可以看出本发明制备的4047铝合金与6061铝合金的焊接过程。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明进行详细说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实例提供一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，包括以下步骤：

(1)先采用气雾化制粉设备制备铝硅合金粉末，本实施例中试验材料为4047铝合金，获得的粉末粒径中位数为30μm，分布范围为10-60μm；

(2)将步骤(1)中制备的4047铝合金粉末放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间4h；

(3)将步骤(2)中干燥完的4047铝合金粉末放入选区激光熔化设备中进行板材的制备，选区激光熔化的工艺参数：激光功率为200W，扫描速度为740mm/s，扫描间距为0.15mm，层厚为0.03mm，激光能量密度为40J/mm³，旋转角度为67°，基板预热温度为100℃，使用纯氩气作为保护气体。

(4)将步骤(3)中制备的板材使用二辊轧机进行热轧制，开轧温度为450℃，每道次保温30min，总加工率为70％；

(5)将步骤(4)中轧制完成的板材表面进行打磨，去除氧化膜，然后与6061铝合金对齐后在光纤激光器下施焊，完成焊接，激光焊接功率为1800W，焊接速度为120mm/min，离焦量为0mm。

实施例2

本实例提供一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，包括以下步骤：

(1)先采用气雾化制粉设备制备铝硅合金粉末，本实施例中试验材料为4047铝合金，获得的粉末粒径中位数为30μm，分布范围为10-60μm；

(2)将步骤(1)中制备的4047铝合金粉末放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间4h；

(3)将步骤(2)中干燥完的4047铝合金粉末放入选区激光熔化设备中进行板材的制备，选区激光熔化的工艺参数：激光功率为200W，扫描速度为635mm/s，扫描间距为0.15mm，层厚为0.03mm，激光能量密度为70J/mm³，旋转角度为67°，基板预热温度为100℃，使用纯氩气作为保护气体。

(4)将步骤(3)中制备的板材使用二辊轧机进行热轧制，开轧温度为450℃，每道次保温30min，总加工率为70％；

(5)将步骤(4)中轧制完成的板材表面进行打磨，去除氧化膜，然后与6061铝合金对齐后在光纤激光器下施焊，完成焊接，激光焊接功率为1500W，焊接速度为150mm/min，离焦量为0mm。

实施例3

本实例提供一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，包括以下步骤：

(1)先采用气雾化制粉设备制备铝硅合金粉末，本实施例中试验材料为4047铝合金，获得的粉末粒径中位数为30μm，分布范围为10-60μm；

(2)将步骤(1)中制备的4047铝合金粉末放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间4h；

(3)将步骤(2)中干燥完的4047铝合金粉末放入选区激光熔化设备中进行板材的制备，选区激光熔化的工艺参数：激光功率为200W，扫描速度为740mm/s，扫描间距为0.15mm，层厚为0.03mm，激光能量密度为40J/mm³，旋转角度为67°，基板预热温度为100℃，使用纯氩气作为保护气体。

(4)将步骤(3)中制备的板材使用二辊轧机进行热轧制，开轧温度为450℃，每道次保温30min，总加工率为50％；

(5)将步骤(4)中轧制完成的板材表面进行打磨，去除氧化膜，然后与6061铝合金对齐后在光纤激光器下施焊，完成焊接，激光焊接功率为1800W，焊接速度为180mm/min，离焦量为0mm。

实施例4

本实例提供一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，包括以下步骤：

(1)先采用气雾化制粉设备制备铝硅合金粉末，本实施例中试验材料为4047铝合金，获得的粉末粒径中位数为30μm，分布范围为10-60μm；

(2)将步骤(1)中制备的4047铝合金粉末放入真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为80℃，干燥时间4h；

(3)将步骤(2)中干燥完的4047铝合金粉末放入选区激光熔化设备中进行板材的制备，选区激光熔化的工艺参数：激光功率为150W，扫描速度为833mm/s，扫描间距为0.15mm，层厚为0.03mm，激光能量密度为40J/mm³，旋转角度为67°，基板预热温度为150℃，使用纯氩气作为保护气体。

(4)将步骤(3)中制备的板材使用二辊轧机进行热轧制，开轧温度为450℃，每道次保温30min，总加工率为70％；

(5)将步骤(4)中轧制完成的板材表面进行打磨，去除氧化膜，然后与6061铝合金对齐后在光纤激光器下施焊，完成焊接，激光焊接功率为1500W，焊接速度为120mm/min，离焦量为0mm。

对以上实施例的焊接接头进行性能测试，并使用铸造态4047铝合金和70％总加功率的铸造热轧态4047铝合金作为母材实施焊接所获得的焊接接头进行对比(对比例的焊接条件和实施例1完全一致)。结果如表1所示：

表1

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)

以4047铝合金粉末为原料，通过选区激光熔化得到固化后的材料；

步骤(2)

以步骤(1)所得固化后的材料为处理对象，对其进行热轧制并打磨；得到待焊接材料；

步骤(3)

对步骤(2)所得待焊接材料进行激光焊接；得到成品。

2.根据权利要求1所述的一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于：步骤(1)中以气雾化技术制备4047铝合金粉末，然后使用选区激光熔化设备制备板材。

3.根据权利要求2所述的一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于：步骤(1)中，气雾化制备的粉末粒径分布范围为10-60μm。

4.根据权利要求3所述的一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于：气雾化制备的粉末中位径为28-32μm。

5.根据权利要求1所述的一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于：步骤(1)中，在进行选区激光熔化前，对铝合金粉末进行真空干燥，温度为60-85℃、干燥时间为2-6h。

6.根据权利要求1所述的一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于：步骤(1)中，选区激光熔化的工艺参数：激光功率150-200W，扫描速度630-850mm/s，扫描间距为0.15mm，层厚为0.03mm，激光能量密度为40-70J/mm³，旋转角度为67°，基板预热温度为100～150℃，使用纯氩气作为保护气体。

7.根据权利要求6所述的一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于：步骤(1)中，选区激光熔化的工艺参数：激光功率150-200W，扫描速度740-835mm/s，扫描间距为0.15mm，层厚为0.03mm，激光能量密度为40J/mm³，旋转角度为67°，基板预热温度为100-150℃，使用纯氩气作为保护气体。

8.根据权利要求1所述的一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于：步骤(2)中，热轧制开轧温度为400-450℃，每道次保温20-30min，总加工率为50-70％。

9.根据权利要求1所述的一种提高激光焊接性能的铝硅合金制备工艺方法，其特征在于：步骤(3)中，激光焊接功率为1500-1800W，焊接速度为120-180mm/min，离焦量为0mm。

Images