閱讀 | 訂閱
閱讀 | 訂閱
解決方案

激光焊接3系鋁合金的工藝分析(含參數(shù)優(yōu)化表)

來源:飛博激光2020-02-27 我要評論(0 )   

隨著汽車行業(yè)的不斷壯大,純電動汽車和燃料電池汽車將共同主導(dǎo)中國新能源汽車市場的未來發(fā)展。電動車輕量化和燃料電池的大量使用

隨著汽車行業(yè)的不斷壯大,純電動汽車和燃料電池汽車將共同主導(dǎo)中國新能源汽車市場的未來發(fā)展。電動車輕量化和燃料電池的大量使用,必然涉及到越來越多的鋁合金焊接工藝。鋁合金具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能,是工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的輕金屬材料。目前鋁合金材料的連接還主要是以惰性氣體鎢極保護(hù)焊和熔化極惰性氣體保護(hù)焊兩種傳統(tǒng)焊接工藝進(jìn)行焊接的。這兩種焊接工藝焊接速度慢、生產(chǎn)效率低,而且焊接熱輸入大,使得鋁合金焊接變形較大,同時焊接接頭處晶粒粗大,從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量較差。而作為一種高能量密度熱源的激光,具有較快的焊接速度和較小的熱輸入,因此焊接變形小,獲得的產(chǎn)品質(zhì)量也較為優(yōu)異。

1.實驗條件與方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗采用高光束質(zhì)量的飛博激光YDFL-2000-CW-MM高功率連續(xù)光纖激光器,工作模式為:CW/QCW,中心波長為1080nm,光束質(zhì)量M2<1.6;嘉強(qiáng)BW240-4KW光纖激光高功率以及具有同軸 CCD 顯示和照明功能的焊接頭(準(zhǔn)直聚焦配比為100:200);史陶比爾TX90六軸機(jī)器人。采用JZX91熔深顯微鏡觀察焊縫表面。

1.2 實驗材料

按合金化系列,鋁及鋁合金可分為 1 系(工業(yè)純鋁)、2 系(鋁 - 銅)、3 系(鋁 - 錳)、4 系(鋁 - 硅)、5 系(鋁 - 鎂)、6 系(鋁 - 鎂 - 硅)、7 系(鋁 - 鋅 - 鎂 -銅)、8 系(其他)八類合金。不同的系列的鋁合金由于成分和組織的差異,所表現(xiàn)出來的焊接性能相差也是比較大的。3系鋁合金是防銹鋁合金,具有優(yōu)秀的防銹特性,成形性、熔接性、耐蝕性均良好,其中3003鋁合金通常用于動力電池外殼,3A21 鋁合金用于微波組件外殼。本次實驗采用3003鋁合金材料進(jìn)行了激光焊接測試。焊接接頭采用對接的方式,將工件切割成100mm*100mm*2mm板材進(jìn)行對焊。

3003 鋁合金標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分表

1.3 實驗方法

在焊接前使用丙酮溶液超聲波清洗器 25 min,以清除試樣表面的油污等雜質(zhì)。采用連續(xù)激光和脈沖激光對試樣分別進(jìn)行焊接,焊接完成后在精密測量顯微鏡觀察焊縫表面形貌。

1.4 實驗參數(shù)

由于鋁合金對激光具有高反射性,為防止回反光燒毀激光器,對焊頭做了5度的傾斜。在連續(xù)激光進(jìn)行焊接時,分別對離焦量、激光器輸出功率和焊接速度 3 個工藝參量進(jìn)行優(yōu)化,以獲得連續(xù)激光焊的最佳工藝參量; 同時,在脈沖激光進(jìn)行焊接時,脈沖波形為方波,對脈沖能量進(jìn)行了優(yōu)化,以獲得脈沖激光焊的最佳工藝參量。優(yōu)化后焊接工藝參數(shù)如表 1和表 2 所示。

激光焊接3系鋁合金的工藝分析(含參數(shù)優(yōu)化表)

表1:連續(xù)激光焊接參數(shù)優(yōu)化

激光焊接3系鋁合金的工藝分析(含參數(shù)優(yōu)化表)

表2:脈沖激光焊接參數(shù)優(yōu)化


2.實驗結(jié)果與討論

2.1 連續(xù)激光焊接

連續(xù)激光焊接焊縫表面成型如下圖:

激光焊接3系鋁合金的工藝分析(含參數(shù)優(yōu)化表)

通過實驗,我們將離焦量、焊接速度、激光功率對焊縫表面的影響總結(jié)如下:

激光深熔焊的離焦方式有三種:正離焦,零離焦與負(fù)離焦,一般要求焊接深度較大時采用負(fù)離焦,而針對薄材料焊接時多采用零離焦或者正離焦。在鋁合金激光焊接中,離焦量的變化對焊縫的表面成形和熔深都有較大的影響。如上圖1-4所示,在零焦點和正離焦量條件下焊縫成型比較平滑,但熔深隨之變淺,甚至出現(xiàn)焊不透的現(xiàn)象。隨著負(fù)離焦的增大,焊縫表面變得粗糙,熔深也隨之增加。當(dāng)離焦量為-2mm時,焊縫表面蒸發(fā)劇烈而出現(xiàn)溝壑,下表面也出現(xiàn)明顯下塌。所以3003鋁合金焊接的聚焦范圍在-1mm左右時可獲得較好的表面成型以及良好熔深。

激光焊接速度對焊縫表面成型影響也較大,如圖5-8所示,在高速焊接時表面成型較為粗糙,隨著速度的降低焊縫表面成型較為平滑,但速度過低由于單位輸入的線能量較大,下表面也會出現(xiàn)下塌現(xiàn)象。

在進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化時,同時發(fā)現(xiàn)在保持零離焦量和焊接速度等其他工藝參數(shù)不變的條件下,當(dāng)功率低于1500W時,焊接基本不能進(jìn)行,只是對表面進(jìn)行一定加熱。當(dāng)高于1500W時,可以進(jìn)行正常焊接。所以針對3系鋁合金材料激光焊接,存在一個激光功率密度的閾值,當(dāng)高于此閾值時才能實現(xiàn)焊接。

2.2 脈沖激光焊接

脈沖激光焊接焊縫表面成型如下圖:

激光焊接3系鋁合金的工藝分析(含參數(shù)優(yōu)化表)

激光焊接3系鋁合金的工藝分析(含參數(shù)優(yōu)化表)

采用脈沖模式對3003鋁合金進(jìn)行焊接,如圖1-4所示,在激光功率為2000W,離焦量為0的位置時進(jìn)行焊接,發(fā)現(xiàn)無論是改變調(diào)制頻率還是占空比,焊點的成型均由于功率密度過大,造成焊縫熔池中低熔點Mn金屬元素的蒸發(fā)汽化,蒸汽壓力造成金屬飛濺,焊縫表面粗糙,焊縫不連續(xù),有孔洞。當(dāng)占空接近100%(及接近連續(xù)焊接時),焊縫上表面會出現(xiàn)較嚴(yán)重的溝壑,下表面會出現(xiàn)下塌,如圖5所示。

通過對比改變離焦量發(fā)現(xiàn)在離焦量為+1時焊縫表面成型最好,在離焦量為+2時雖然焊縫表面成型較好,但由于離焦太大激光功率密度不足,直接由深熔焊變?yōu)闊醾鲗?dǎo)焊,僅熔化工件表面,如圖5-7所示。

采用單一變量法對6-7、6-11、7-8、8-9、10-11、12-13進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析得知,激光功率密度對3003鋁合金焊成型影響最大。激光頻率與焊接速度兩個參數(shù)共同決定了光斑重合率的大小,所以要獲得致密魚鱗紋可以增加激光焊接頻率或者降低焊接速度,一般工業(yè)加工對產(chǎn)品產(chǎn)能有嚴(yán)格的要求,所以在進(jìn)行需要控制魚鱗紋致密性的焊接時,例如微波組件的激光封裝焊接,要適當(dāng)?shù)奶岣呒す夂附宇l率。激光焊接占空比不僅影響焊縫的深度和整個焊接件的變形程度,也會影響焊縫的熱影響區(qū)晶粒的大小,這對焊接接頭的承受抗拉壓應(yīng)力是極其重要的。

3.結(jié)論

綜合以上實驗結(jié)果,通過連續(xù)-脈沖激光焊接的相比較,發(fā)現(xiàn):在單位時間內(nèi)線能量一定的條件下,激光功率密度對3003鋁合金的焊縫成型起著關(guān)鍵作用。

所以在對3003鋁合金進(jìn)行焊接時不僅要考慮離焦量的變化,更重要的是選擇激光器時要充分考慮激光器的光斑模式(即光纖激光器的模塊組成分為單模和多模兩種,單模激光器的纖芯比較細(xì),光束質(zhì)量優(yōu)于多模,能量分布呈高斯分布,中間能量密度最高,三維圖是一個尖圓的山峰狀。多模激光器的纖芯相比粗一些,光束質(zhì)量相比單模要差一些,能量分布相比單模光斑平均一些,三維圖像一個倒扣的杯子,從邊緣陡峭程度來看,多模的比單模的陡峭很多)。同時影響激光功率密度也有激光焊接頭的準(zhǔn)直聚焦的配比。


轉(zhuǎn)載請注明出處。

激光焊接激光器
免責(zé)聲明

① 凡本網(wǎng)未注明其他出處的作品,版權(quán)均屬于激光制造網(wǎng),未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用。獲本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使 用,并注明"來源:激光制造網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)責(zé)任。
② 凡本網(wǎng)注明其他來源的作品及圖片,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀點和對其真實性負(fù)責(zé),版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。
③ 任何單位或個人認(rèn)為本網(wǎng)內(nèi)容可能涉嫌侵犯其合法權(quán)益,請及時向本網(wǎng)提出書面權(quán)利通知,并提供身份證明、權(quán)屬證明、具體鏈接(URL)及詳細(xì)侵權(quán)情況證明。本網(wǎng)在收到上述法律文件后,將會依法盡快移除相關(guān)涉嫌侵權(quán)的內(nèi)容。

網(wǎng)友點評
0相關(guān)評論
精彩導(dǎo)讀