CN1274451C - 一种通过粉末强化吸收的铝合金激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过粉末强化吸收的铝合金激光焊接方法属于激光材料加工技术领域。在通常激光焊接方法的基础上，配置一套送粉装置，向激光作用区连续吹送金属粉末，由于粉末大的比表面积及其小尺寸效应，金属粉末在通常的热传导焊接功率密度激光束的作用下也能汽化形成等离子体，强化铝合金材料对激光的吸收率，实现铝合金材料在低功率密度时的高效激光焊接，降低铝合金激光焊接对激光器输出功率和光束质量的要求。
Description
技术领域
一种通过粉末强化吸收的铝合金激光焊接方法属于激光材料加工技术领域。
背景技术
铝合金以其良好的物理、化学和机械性能，可广泛应用于航空航天、化工、电力电子、轻型汽车制造等领域。激光焊接具有加热区小、能量密度高、焊接速度快、接头性能优良、焊接变形小等突出优点，被认为是实现铝合金结构联接最具技术和经济优势的一种先进的焊接方法。
根据焊接机理的不同，激光焊接分为热导焊(功率密度一般在104W/cm2～106W/cm2之间)和深熔焊(功率密度一般在106W/cm2～107W/cm2之间)两种模式。激光热导焊类似于钨极氩弧焊，材料表面吸收激光能量，通过热传导的方式向内部传递。激光深熔焊接与电子束焊接相似，高功率密度激光引起材料局部蒸发，在蒸汽压力作用下熔池表面下陷形成小孔，激光束通过“小孔”深入到熔池内部。
激光热导焊接时材料仅发生熔化，因而焊接过程平稳，焊缝成型优良，接头性能高。但是，由于受热传导的限制，激光热导焊接深度很小，通常在0.5mm以下，因此只适合于薄板或小型精密件的焊接。对于由于铝合金来说，由于其对激光极高的反射率，如铝合金对波长为10.6μm的CO2激光反射率高达97％以上，同时由于铝合金自身高的导热性能(大多数情况下铝合金的热导率在室温下约为180W/m·K，是普通中碳钢的3倍)，如果采用热导机制焊接铝合金，焊接效率极低，甚至根本无法进行焊接，而且反射激光将可能损坏激光谐振腔，并威胁操作人员的人身安全。因此，在实际应用中，极少采用。
激光深熔焊接则完全不同。激光深熔焊过程中能量的吸收与传导是通过焊接过程中产生的等离子体与焊接“小孔”来完成的。当激光功率密度达到某一临界值时，激光辐射引起金属材料局部迅速熔化并产生强烈蒸发，液态表面在蒸汽压力作用下向下凹陷形成深熔小孔，激光束通过小孔深入到材料内部，与此同时，金属蒸汽在激光作用下电离而形成光致等离子体，材料对激光的吸收可以高达80％以上，焊接深度和加工效率急剧增大。
但是，铝合金激光深熔焊接也面临一些困难。主要表现在：(1)由于铝合金的高反射和高导热特性，铝合金激光深熔焊接要求极高的功率密度，如铝合金CO2激光熔深焊接的临界功率密度高达3.5×106W/cm2，是钢铁材料的5倍，因而对激光器的输出功率和光束质量要求极高。例如，一些高功率横流CO2激光器，由于光束质量较差，不能获得铝合金激光深熔焊接所需的功率密度，因而不能进行铝合金的激光焊接；(2)由于铝的电离能低，而铝合金激光深熔焊接的功率密度又极高，因而焊接过程中光致等离子体易于过热膨胀，焊接过程稳定性控制困难，严重时甚至出现等离子体对激光的屏蔽，使得激光焊接过程无法顺利进行；(3)在激光快速加热冷却条件下，加之激光深熔焊接过程稳定性差和大的焊缝深宽比等特点，铝合金激光深熔焊接时极易产生热裂纹和气孔。
目前，采用填充金属粉末进行激光材料加工的主要是同步送粉激光熔敷。同步送粉激光熔敷是材料表面改性的一种方法，即采用送粉系统在激光熔覆过程中将金属粉末直接送入激光作用区，在激光作用下粉末合金材料和基体材料的部分同时熔化，然后冷却结晶形成合金熔覆层。
发明内容
针对现有铝合金激光深熔焊接临界功率密度高，一些高功率激光器由于光束质量差不能获得铝合金深熔焊所需功率，从而不能进行铝合金的激光焊接问题以及铝合金深熔焊焊接过程难以控制等问题，本发明提出一种通过粉末强化吸收的铝合金激光焊接方法，使得在一般激光热导焊接模式的功率密度范围内，实现铝合金的高效焊接，降低铝合金激光焊接对激光器输出功率和光束质量的要求。
本发明所述一种通过粉末强化吸收的铝合金激光焊接方法是在通常激光焊接装置上，附加一套普通送粉装置，送粉喷嘴以常规技术方法侧向安装固定于激光加工头上，与工件表面成25～75度夹角，向激光和铝合金材料作用区连续吹送金属粉末，其特征在于：送粉器所送金属粉末为铝粉或铝合金粉末，粉末颗粒度在2～300μm之间，单位长度焊缝的送粉速率在1～20g/m之间；焊接过程中，对于CO2激光焊接，激光功率密度介于1.5×105W/cm2～3.5×106W/cm2之间；对于YAG激光焊接，激光功率密度介于1.0×105W/cm2～1.8×106W/cm2之间。
本发明的基本原理是基于处于工件表面薄层状态的激光诱导等离子体可以强化材料对激光吸收这一被许多文献证明的事实，以及粉末大的比表面积和小尺寸效应。当选用能量密度在104W/cm2～106W/cm2之间的激光辐射铝合金时，铝合金材料将不能蒸发形成金属蒸汽等离子体，绝大部分激光能量被反射掉，焊接效率极低，甚至不能进行焊接。但是，向激光作用区吹送金属粉末时，激光将与母材和粉末相互作用，情况就完全不同了。由于金属粉末具有很大的比表面积，因此粉末对激光的吸收大大增强；同时金属粉末对辐照激光产生的是漫反射，经漫反射的激光只有部分损失掉，其余部分会被相邻的粉末重新吸收；此外，金属粉末颗粒还可能吸收母材板面的反射激光，从而进一步使得金属粉末获得足够多的激光能量。另一方面，粉末体积很小，热传导造成的能量损失可以忽略。基于以上原因，即使在公知的激光热传导焊接的功率密度范围内，在激光束的作用下，金属粉末将大量蒸发并部分电离形成等离子体。由于激光功率密度不高，这种金属蒸汽等离子体始终处于表面薄层状态，大大强化工件表面对激光能量的吸收率。
与现有的同步送粉激光熔覆不同，本发明焊接方法金属粉末主要是作为形成光致等离子体的诱发因素，在激光作用下必须部分汽化和离化。同步送粉激光熔覆时，粉末材料作为功能涂层使用，在激光作用下只出现熔化，为了保证粉末不被汽化，所使用的激光功率密度较低，一般在104W/cm2量级。如铝合金CO2激光熔覆合适的功率密度在4.5×104W/cm2左右，而YAG激光熔覆合适的功率密度在2.5×104W/cm2左右。本发明激光焊接的功率密度105W/cm2～106W/cm2量级，但是这一功率密度又低于通常的铝合金激光深熔焊接的功率密度。
由以上分析说明可知，本发明的焊接方法在通常激光热导焊接模式的功率密度范围内工作，因而与通常的深熔焊接模式相比，可以显著降低铝合金激光焊接对激光器输出功率和光束质量的要求。同时由于激光功率密度较低，光致等离子体不至于扩展膨胀，因而焊接过程稳定；而与通常的热导焊接模式相比，由于粉末的采用形成激光诱导的等离子体，强化了铝合金材料对激光的吸收，焊接效率显著提高。
附图说明
图1：本发明具体实施方式焊接装置示意图
图2：通常激光热导焊接焊缝成型
图3：本发明激光焊接焊缝成型
1、激光束，2、送粉及保护气喷嘴，3、粉末束流，4、保护气流，5、等离子体、6、焊缝，7、工件，8、熔池，9、激光器，10、激光焊接头，11、送粉器，12、送粉管道，13、保护气气瓶，14、气体管道，15、粉末通道，16、气体通道。
具体实施方式
以下结合一个具体的实施例来详细说明本发明的具体实施方式及效果。
参见附图1。激光器9发出的激光束1经激光焊接头10聚焦作用于工件7上，送粉及保护气喷嘴2侧向安装固定于激光焊接头10上，与工件表面的夹角在25～75度之间。送粉及保护气喷嘴2通过送粉管道12与送粉器11相连，同时通过送气管道12与保护气气瓶13相连。送粉器11为一般激光熔覆或粉末成型用送粉器。通过上述方式，在进行激光焊接时，向激光作用区连续吹送金属粉末。
为了说明本发明的实施效果，采用了一台DC035 Slab型CO2激光器，额定输出功率3.5kW；激光焊接头10采用焦距为300mm的旋转抛物；送粉喷嘴2为自行开发的双层结构喷嘴，内层为粉末通道，外层为保护气体通道。具体焊接条件如下：激光功率3500W、离焦量30mm、光斑直径1.68mm(通过UFF100光束光斑质量诊断仪测定)、计算焊接功率密度为1.6×105W/cm2，粉末材料为AlSi12、颗粒度45～200μm、送粉速率7g/min。工件为板厚2mm的LF3铝合金板材，采用在平板上扫描的焊接方式，焊接速度1m/min，保护气体为氦气、气体流量30L/min。
在以上条件下，如果不向激光作用区吹送金属粉末，工件表面仅有一道激光扫过的轻微痕迹，熔深仅为100μm，如图2所示；采用本发明的焊接方法向激光作用区吹送金属粉末时，焊接过程中发出耀眼的蓝光，表明形成了光致等离子体，所得焊缝成型如图3所示，2mm试件完全焊透，这意味着焊接深度增加了20倍。
Claims (1)
- 一种通过粉末强化吸收的铝合金激光焊接方法，是在通常激光焊接装置上，附加一套普通送粉装置，送粉喷嘴侧向安装固定于激光加工头上，与工件表面成25～75度夹角，向激光和铝合金材料作用区连续吹送金属粉末，其特征在于：送粉器所送金属粉末为铝粉或铝合金粉末，粉末颗粒度在2～300μm之间，单位长度焊缝的送粉速率在1～20g/m之间；焊接过程中，对于CO2激光焊接，激光功率密度介于1.5×105W/cm2～3.5×106W/cm2之间；对于YAG激光焊接，激光功率密度介于1.0×105W/cm2～1.8×106W/cm2之间。
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