CN115008000A - 基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法 - Google Patents

基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，通过调节脉冲激光焊接速度，控制脉冲激光重叠率，联合焊前预热镁合金薄板母材，抑制脉冲激光焊接缺陷的产生，改善脉冲激光焊缝表面形貌以及力学性能，脉冲激光器峰值功率为4kW，脉冲宽度为5ms，脉冲频率为15Hz，离焦量为0mm，正面保护气体流量为10L·min‑1，背面保护气体流量为5L·min‑1，焊接速度为630mm·min‑1，脉冲重叠率为70％，镁合金薄板母材预热温度为200℃，本发明方法能有效抑制镁合金薄板脉冲激光焊接缺陷，改善脉冲激光焊缝表面形貌，提高脉冲激光焊接质量。

Description

基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊 接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法。
背景技术
镁合金具有密度低、比强度高、易回收和耐腐蚀等特点，在汽车轻量化、手机及笔记本电脑外壳、航空航天以及微电子等领域有广阔的应用前景。随着汽车轻量化概念的提出以及3C产品的发展，镁合金薄板应用日益广泛。但镁合金薄板焊接问题已成为制约其应用发展的关键，脉冲激光焊接方法具有热输入小、精度高和自动化程度高等优点，可提高生产效率，减小焊缝热影响区。但由于镁合金薄板激光焊接熔池冷却速度极快，焊后易出现裂纹、气孔、飞溅以及夹杂等缺陷，对焊接接头表面形貌以及力学性能有较大影响，严重制约着镁合金薄板脉冲激光焊接技术的发展及应用。
为解决上述技术存在的问题，如公开号为CN105499709A的中国专利公开了一种提高AZ31B镁合金板焊接接头性能的工艺方法，其核心方法是以AZ61镁合金作为焊丝，采用TIG焊机施焊，正反面同时输入高纯氩气作为保护气，以获得力学性能优异的焊接接头，但该方法并未针对焊接缺陷以及表面形貌进行详细分析，未表现出对焊接缺陷的抑制效果，因而其研究范围十分有限。又如公开号为CN105458510A的中国专利公开了一种消除镁合金焊接气孔的方法，其核心方法是将TIG焊、激光焊以及超声震动辅助结合在一起，可有效抑制焊接气孔形成，提高焊缝力学性能，但该方法并未针对焊接裂纹等其他缺陷进行分析，因此其研究范围十分有限。在研究论文方面，目前针对镁合金激光焊接大多集中于厚度大于2mm镁合金母材的连续型激光焊接，而对板厚小于1mm的镁合金薄板脉冲激光焊接研究较少，尤其缺少改善表面形貌及提高焊缝性能等方面的研究。现有文献中，M.Pastor(Continuous wave-Nd:yttrium–aluminum–garnet laser welding of AM60B magnesiumalloy[J],Journal of Laser Applications,2000.)研究了焊接参数对镁合金脉冲激光焊接气孔和余高的影响，实验结果表明：通过降低焊接热输入，即提高焊接速度和降低激光功率可有效降低熔池中宏观气孔率及过填充程度。
目前，本领域尚无消除或有效抑制镁合金薄板脉冲激光焊接气孔和凝固裂纹的方法，为此，本发明设计了一种基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，开发了适用于镁合金薄板热物理特性的脉冲激光焊接重叠率以及预热温度，可有效抑制甚至消除镁合金薄板脉冲激光焊接气孔及凝固裂纹，改善焊缝表面形貌，提高焊接接头力学性能，为扩展镁合金在电子类产品领域的应用提供理论支持。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种科学合理，适用性强，操作简单，成本低廉，生产效率高，效果佳的基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，其特征在于：通过控制焊接速度，调节脉冲重叠率，以及外加热源预热镁合金薄板母材，脉冲激光器峰值功率为4kW，脉宽为5ms，脉冲频率为15Hz，离焦量为0mm，正面保护气体流量为10L·min-1，背面保护气体流量为5L·min-1。
进一步，镁合金薄板母材为镁-铝-锌合金，合金元素含量小于等于10wt％。
进一步，镁合金薄板母材厚度为0.3-1mm。
进一步，焊前使用SiC砂纸和丙酮溶液去除镁合金薄板母材表面氧化层和油脂，且将镁合金薄板母材固定在焊接平台上。
进一步，镁合金薄板母材正面和背面保护气体浓度均为99.999％的氩气。
进一步，所述预热镁合金薄板母材的温度为200℃；
进一步，所述焊接速度为630mm·min-1，脉冲重叠率为70％。
本发明具有以下有益效果：
(1)预热镁合金薄板母材以及调节脉冲重叠率能有效降低焊接气孔及凝固裂纹敏感性，增大镁合金母材激光吸收率；
(2)预热镁合金薄板母材以及调节脉冲重叠率能获得表面形貌优良焊缝，且焊接接头抗拉强度与最大力均达到较理想数值；
(3)相比于其他工艺焊接，通过预热镁合金薄板母材以及调节脉冲重叠率能抑制焊接气孔及凝固裂纹的产生；
(4)其方法科学合理，适用性强，操作简单，成本低廉，生产效率高，效果佳。
附图说明
图1为本发明所用镁合金脉冲激光焊接机结构方框示意图；
图2为镁合金薄板母材无预热，脉冲重叠率70％时焊缝表面形貌图片；
图3为镁合金薄板母材预热100℃，脉冲重叠率70％时焊缝表面形貌图片；
图4为本发明所述的镁合金薄板母材预热200℃，重叠率70％时焊缝表面形貌图片；
图5为镁合金薄板母材无预热，脉冲重叠率10％时所产生的脉冲激光焊缝横截面的金相显微镜图片；
图6为镁合金薄板母材无预热，脉冲重叠率70％时所产生的脉冲激光焊缝横截面的金相显微镜图片；
图7为镁合金薄板母材预热至100℃，脉冲重叠率70％时所产生的脉冲激光焊缝横截面的金相显微镜图片；
图8为本发明所述的镁合金薄板母材预热温度200℃，脉冲重叠率70％时所产生的脉冲激光焊缝横截面的金相显微镜图片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，1为脉冲激光发生器，2为脉冲激光束，3为脉冲激光焊缝，4为专属脉冲激光焊接夹具，5为镁合金薄板母材，6为电加热板，7为背面保护气体，8为正面保护气体。焊接时激光发生器1发射出激光束2作用在镁合金薄板母材5表面形成脉冲激光焊缝3，其中镁合金薄板母材5被专属脉冲激光焊接夹具4使用螺栓连接固定在电加热板6之上，然后使用螺纹管将背面保护气体7连接到专属脉冲激光焊接夹具4内，在激光束2旁通入正面保护气体7。
本发明的一种基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，具体焊接步骤如下：
步骤一、使用SiC砂纸和丙酮溶液打磨并拭去镁合金薄板母材表面氧化层及油脂；
步骤二、使用夹具将准备好的镁合金薄板母材固定在焊接工作台上；
步骤三、打开正、反两面保护气体；
步骤四、打开电加热板将镁合金薄板母材预热至实验温度并保持1min；
步骤五、在脉冲激光焊接机中设置脉冲时间、脉冲峰值功率、等焊接参数，将激光束焦点调至镁合金薄板母材表面即设置离焦量为0mm，在数控操作系统中设置焊接速度，然后完成脉冲激光焊接实验。
实施例1：
选取尺寸长为50mm、宽为50mm、厚度为0.3-1mm的AZ31镁合金薄板作为焊接母材进行对接焊实验，设定峰值功率为4kW，脉宽为5ms，脉冲频率为15Hz，离焦量为0mm，正面保护气体流量为10L·min-1，背面保护气体流量为5L·min-1(99.999％Ar)。选取的脉冲重叠率为70％，镁合金薄板母材预热温度200℃。
图4为使用本发明方法所述的镁合金薄板母材预热至200℃，脉冲重叠率70％时所产生的脉冲激光焊缝表面形貌图片，可以发现：焊缝表面形貌良好，无明显焊接缺陷。
图8为使用本发明方法所述的镁合金薄板母材预热至200℃，脉冲重叠率70％时所产生的脉冲激光焊缝横截面的金相显微镜图片，可以发现：焊缝横截面基本没有焊接气孔和凝固裂纹缺陷，且焊缝横截面上、下熔宽较大。
实施例2：
本实施例2与实施例1的不同点是：采用脉冲重叠率为10％，镁合金薄板母材无预热。
图5为镁合金薄板母材无预热，脉冲重叠率10％时所产生的脉冲激光焊缝横截面的金相显微镜图片，可以发现：焊缝横截面焊接气孔以及凝固裂纹缺陷较严重，且下熔宽较小。
实施例3：
本实施例3与实施例1的不同点是：采用脉冲重叠率为70％，镁合金薄板母材无预热。
图2为使用脉冲重叠率70％，镁合金薄板母材无预热时所产生的脉冲激光焊缝表面形貌图片，可以发现：焊缝表面鱼鳞纹致密且均匀，但凝固裂纹缺陷较严重。
图6为使用脉冲重叠率70％，镁合金薄板母材无预热时所产生的脉冲激光焊缝横截面的金相显微镜图片，可以发现：焊缝横截面焊接气孔缺陷消失，但凝固裂纹缺陷较严重，上、下熔宽稍有增加。
实施例4：
本实施例4与实施例1的不同点是：采用脉冲重叠率为70％，镁合金薄板母材预热至100℃。
图3为使用脉冲重叠率70％，镁合金薄板母材预热至100℃时所产生的脉冲激光焊缝表面形貌图片，可以发现：焊缝表面成形较差，飞溅缺陷严重。
图7为使用脉冲重叠率70％，镁合金薄板母材预热至100℃时所产生的脉冲激光焊缝横截面的进行显微镜图片，可以发现：焊缝横截面存在焊接气孔及凝固裂纹缺陷。
使用本发明的一种基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，镁合金薄板母材预热至200℃，脉冲重叠率70％可以有效改善焊缝表面形貌，抑制甚至消除AZ31镁合金激光焊缝内部的焊接气孔和凝固裂纹等缺陷，提高焊接接头力学性能。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但非穷举，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下，所作出的等同变型或替换均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，其特征在于：通过控制焊接速度，调节脉冲重叠率，以及外加热源预热镁合金薄板母材，脉冲激光器峰值功率为4kW，脉宽为5ms，脉冲频率为15Hz，离焦量为0mm，正面保护气体流量为10L·min-1，背面保护气体流量为5L·min-1。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，其特征在于：镁合金薄板母材为镁-铝-锌合金，合金元素含量小于等于10wt％。
3.根据权利要求1所述基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，其特征在于：镁合金薄板母材厚度为0.3-1mm。
4.根据权利要求1所述基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，其特征在于：焊前使用SiC砂纸和丙酮溶液去除镁合金薄板母材表面氧化层和油脂，且将镁合金薄板母材固定在焊接平台上。
5.根据权利要求1所述基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，其特征在于：镁合金薄板母材正面和背面保护气体浓度均为99.999％的氩气。
6.根据权利要求1所述基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，其特征在于：所述预热镁合金薄板母材的温度为200℃。
7.根据权利要求1所述基于脉冲重叠率与预热联合调控的镁合金薄板Nd:YAG激光焊接方法，其特征在于：所述焊接速度为630mm·min-1，脉冲重叠率为70％。
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