節能降耗和減(jian)輕環境污(wu)染是世界各國交通(tong)運輸(shu)業面臨(lin)的(de)(de)(de)(de)緊迫問題.為解決(jue)這一問題,各種輕質合(he)金(jin)(jin)(jin)(如(ru)鋁(lv)(lv)(lv)(lv)、鎂合(he)金(jin)(jin)(jin)) 越來越多地應(ying)用(yong)于(yu)交通(tong)運輸(shu)工具(ju)(ju)(ju)上(shang).其中(zhong)鋁(lv)(lv)(lv)(lv)合(he)金(jin)(jin)(jin)具(ju)(ju)(ju)有(you)(you)十分(fen)優(you)良的(de)(de)(de)(de)物理、機械力學(xue)性(xing)能,且(qie)重量輕,在汽(qi)車(che)制(zhi)造(zao)業得到(dao)了廣泛應(ying)用(yong),其中(zhong)濾清器就是較(jiao)典(dian)型的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)之一.由于(yu)鋁(lv)(lv)(lv)(lv)合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)化(hua)學(xue)活潑性(xing)很(hen)強(qiang),表面極易(yi)形(xing)(xing)成(cheng)氧化(hua)膜(mo),且(qie)具(ju)(ju)(ju)有(you)(you)難熔(rong)(rong)性(xing)質,加之鋁(lv)(lv)(lv)(lv)合(he)金(jin)(jin)(jin)導熱性(xing)強(qiang),焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)時(shi)容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)不(bu)熔(rong)(rong)合(he)現象;同時(shi),氧化(hua)膜(mo)可(ke)(ke)以(yi)吸收較(jiao)多的(de)(de)(de)(de)水分(fen),從而導致焊(han)(han)(han)(han)縫(feng)氣孔的(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)成(cheng);此外(wai),鋁(lv)(lv)(lv)(lv)合(he)金(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)線(xian)膨(peng)脹系數大(da)(da),導熱導電性(xing)強(qiang),焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)時(shi)容(rong)易(yi)產(chan)生咬邊、翹曲變(bian)形(xing)(xing)等缺陷,并且(qie)焊(han)(han)(han)(han)后接(jie)(jie)(jie)頭力學(xue)性(xing)能下降.采用(yong)常規(gui)的(de)(de)(de)(de)氬弧焊(han)(han)(han)(han)( TIG) 和惰(duo)性(xing)氣體熔(rong)(rong)化(hua)級電弧(MIG)方法焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)鋁(lv)(lv)(lv)(lv)合(he)金(jin)(jin)(jin)時(shi),容(rong)易(yi)產(chan)生氣孔、焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)裂紋以(yi)及焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)大(da)(da)等問題,制(zhi)約了其在工業中(zhong)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)推廣.與常規(gui)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法相(xiang)比,激(ji)(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)是一種功能多、適(shi)應(ying)性(xing)強(qiang)、可(ke)(ke)靠性(xing)高(gao)的(de)(de)(de)(de)精(jing)密焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)方法,且(qie)易(yi)于(yu)實現自(zi)動化(hua).由于(yu)激(ji)(ji)(ji)光(guang)高(gao)的(de)(de)(de)(de)功率(lv)(lv)密度,焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)時(shi)熱輸(shu)入(ru)量低,在保證熔(rong)(rong)深(shen)的(de)(de)(de)(de)基礎上(shang),焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)熱影(ying)響區小,焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)變(bian)形(xing)(xing)小,激(ji)(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)不(bu)需要真空裝置,因此激(ji)(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)具(ju)(ju)(ju)有(you)(you)質量高(gao)、精(jing)度高(gao)、速度高(gao)的(de)(de)(de)(de)特點.同時(shi)隨(sui)著大(da)(da)功率(lv)(lv)、高(gao)性(xing)能激(ji)(ji)(ji)光(guang)加工設(she)備的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷開(kai)發(fa), 使得鋁(lv)(lv)(lv)(lv)合(he)金(jin)(jin)(jin)激(ji)(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)技術在汽(qi)車(che)制(zhi)造(zao)業得到(dao)了廣泛應(ying)用(yong).

    本文以車用鋁合(he)(he)金濾(lv)清(qing)器為(wei)(wei)研究(jiu)對象,分析(xi)了車用鋁合(he)(he)金濾(lv)清(qing)器焊接(jie)的工(gong)藝要(yao)(yao)點及相關影響(xiang)因(yin)素.濾(lv)清(qing)器焊縫為(wei)(wei)環焊縫,接(jie)頭為(wei)(wei)鎖底對接(jie),要(yao)(yao)求焊縫表觀(guan)均勻美觀(guan),熔寬達(da)(da)2mm以上,熔深達(da)(da)1.5mm以上,樣件如圖1所示.

    車用鋁合金濾清器激光焊接工藝研究

    圖1 樣(yang)件

    1 設(she)備、材料及(ji)方法(fa)

    設(she)備:Trumpf 3001激光器和焊接頭(光學(xue)配置:聚焦鏡(jing)焦長為300mm、準直鏡(jing)200mm、光纖(xian)芯徑(jing)300μm),如(ru)圖(tu)2所示;

    車(che)用鋁合金(jin)濾清器激光焊接工藝研(yan)究

    圖2 Trumpf激光器和焊接頭

    材料:6系(xi)鋁合金(jin);

    方法:激光焊接頭(tou)在固定位置(zhi)不動,工件繞固定軸(zhou)旋(xuan)轉實現(xian)環焊縫焊接,焊接過(guo)程采用高純(chun)Ar氣(qi)旁軸(zhou)保護(hu).

    2 焊(han)接工藝(yi)易(yi)出現的問題(ti)

    1、保護氣(qi)吹向(xiang)導致的問題(ti):當(dang)保護氣(qi)吹向(xiang)與工件旋(xuan)轉方向(xiang)同(tong)向(xiang)時(shi),即保護氣(qi)后吹,因而焊(han)(han)接過(guo)程中保護氣(qi)不能及時(shi)將(jiang)待焊(han)(han)焊(han)(han)縫(feng)處空氣(qi)排開,易導致焊(han)(han)接過(guo)程中空氣(qi)的混入,從而使(shi)得焊(han)(han)縫(feng)極易氧化,焊(han)(han)后焊(han)(han)縫(feng)表(biao)面發(fa)黑且成形很差(如圖(tu)3所示).

    車用鋁(lv)合金濾清(qing)器激光焊接工藝研究

    圖3 保護氣吹向(xiang)(xiang)(xiang)與工(gong)件旋轉方向(xiang)(xiang)(xiang)同(tong)向(xiang)(xiang)(xiang)形成的焊縫形貌

    2、使(shi)用(yong)小內徑氣(qi)管導(dao)致保護范圍(wei)過(guo)窄(zhai),且單(dan)位面(mian)積氣(qi)體吹(chui)力(li)(li)過(guo)大:如當(dang)采(cai)用(yong)內徑為(wei)4mm單(dan)銅管保護氣(qi)保護,且樣件是豎直擺放時(如圖4所示),由于(yu)液態鋁合(he)金流(liu)動性較大,在保護氣(qi)吹(chui)力(li)(li)和自(zi)身(shen)重力(li)(li)等因(yin)素的(de)作用(yong)下(xia)(xia)(xia),熔池中的(de)鋁合(he)金易(yi)往重力(li)(li)方向下(xia)(xia)(xia)流(liu),導(dao)致焊(han)后(hou)焊(han)縫下(xia)(xia)(xia)塌(如圖5所示).另外(wai),小內徑銅管的(de)氣(qi)體吹(chui)向面(mian)積小,氣(qi)體吹(chui)力(li)(li)較大,也易(yi)導(dao)致焊(han)縫成形(xing)不穩(wen)定.

    車用鋁合金濾清器激光焊接(jie)工藝研(yan)究

    3、保護氣(qi)不純(chun)(chun)(chun)導致焊縫局部氧(yang)化,表面發黃:由(you)于(yu)鋁合金化學性質較(jiao)活潑,在高(gao)(gao)溫下極易(yi)氧(yang)化,因而焊接鋁合金濾(lv)清器時保護氣(qi)要(yao)采(cai)用(yong)高(gao)(gao)純(chun)(chun)(chun)氬氣(qi)(純(chun)(chun)(chun)度99.99%),采(cai)用(yong)純(chun)(chun)(chun)氬(純(chun)(chun)(chun)度99.9%)保護時,由(you)于(yu)高(gao)(gao)溫焊接時氣(qi)體雜質的侵入,也會導致焊縫局部氧(yang)化,甚至焊接不良(liang),如圖6所(suo)示(shi).

    車(che)用鋁合金濾清器激光焊接工藝研(yan)究(jiu)

    圖(tu)6 保護氣不純導致的焊縫(feng)不良

    4、工藝參數不(bu)匹(pi)配導致(zhi)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)接不(bu)良(liang):激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)(han)(han)接根據熔(rong)(rong)(rong)(rong)深(shen)(shen)(shen)的(de)(de)(de)(de)不(bu)同(tong)分為(wei)熱(re)(re)(re)導焊(han)(han)(han)(han)(功(gong)率(lv)(lv)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)105 W/ cm2 —— 106 W/ cm2 之(zhi)(zhi)間)和深(shen)(shen)(shen)熔(rong)(rong)(rong)(rong)焊(han)(han)(han)(han)(功(gong)率(lv)(lv)密(mi)度(du)(du)在(zai)(zai)(zai)106 W/ cm2 —— 107 W/ cm2之(zhi)(zhi)間),熱(re)(re)(re)導焊(han)(han)(han)(han)時(shi)淺(qian)層金(jin)(jin)屬主要靠表面吸(xi)收激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)量(liang)(liang)后向下的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)傳(chuan)導而(er)被加熱(re)(re)(re)至熔(rong)(rong)(rong)(rong)化,形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)焊(han)(han)(han)(han)縫近半圓型(xing),焊(han)(han)(han)(han)縫熔(rong)(rong)(rong)(rong)深(shen)(shen)(shen)較(jiao)淺(qian).在(zai)(zai)(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)(han)(han)接過(guo)程中小(xiao)孔(kong)的(de)(de)(de)(de)出(chu)現(xian)(xian)(xian)可(ke)(ke)大(da)大(da)提(ti)高材料(liao)對(dui)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)吸(xi)收率(lv)(lv),小(xiao)孔(kong)作為(wei)一(yi)(yi)個(ge)黑體(ti)可(ke)(ke)使(shi)焊(han)(han)(han)(han)件獲得(de)更多的(de)(de)(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)耦合(he),這是獲得(de)良(liang)好焊(han)(han)(han)(han)接質量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)前提(ti)條件.鋁合(he)金(jin)(jin)對(dui)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)具有極高的(de)(de)(de)(de)初始反(fan)射(she)率(lv)(lv),對(dui)C02激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)(de)反(fan)射(she)率(lv)(lv)可(ke)(ke)達(da)(da)(da)96%,對(dui)Nd:YAG激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)束的(de)(de)(de)(de)反(fan)射(she)率(lv)(lv)也接近80%.鋁合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)導率(lv)(lv)在(zai)(zai)(zai)室溫(wen)下約為(wei)普通中碳鋼的(de)(de)(de)(de)3倍,因此(ci)在(zai)(zai)(zai)實際焊(han)(han)(han)(han)接鋁合(he)金(jin)(jin)過(guo)程中,需(xu)要保證足夠(gou)的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)(lv),以獲得(de)需(xu)要的(de)(de)(de)(de)熔(rong)(rong)(rong)(rong)深(shen)(shen)(shen).在(zai)(zai)(zai)不(bu)同(tong)鋁合(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)(han)(han)接中都發現(xian)(xian)(xian)存在(zai)(zai)(zai)一(yi)(yi)個(ge)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)量(liang)(liang)密(mi)度(du)(du)閾值,若低(di)于此(ci)值,焊(han)(han)(han)(han)件僅(jin)(jin)發生表面熔(rong)(rong)(rong)(rong)化,焊(han)(han)(han)(han)接以熱(re)(re)(re)傳(chuan)導型(xing)進行,熔(rong)(rong)(rong)(rong)深(shen)(shen)(shen)很淺(qian),僅(jin)(jin)在(zai)(zai)(zai)表面形成(cheng)一(yi)(yi)道(dao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)沖擊(ji)痕,而(er)一(yi)(yi)旦達(da)(da)(da)到(dao)或超(chao)過(guo)此(ci)值,等離子(zi)體(ti)產生,同(tong)時(shi)誘導出(chu)小(xiao)孔(kong),熔(rong)(rong)(rong)(rong)深(shen)(shen)(shen)大(da)幅度(du)(du)提(ti)高.因而(er)鋁合(he)金(jin)(jin)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)焊(han)(han)(han)(han)接若想達(da)(da)(da)到(dao)深(shen)(shen)(shen)熔(rong)(rong)(rong)(rong)焊(han)(han)(han)(han)效果,需(xu)要達(da)(da)(da)到(dao)一(yi)(yi)定功(gong)率(lv)(lv)值.但功(gong)率(lv)(lv)也不(bu)能(neng)(neng)達(da)(da)(da)大(da),易導致(zhi)因熱(re)(re)(re)輸入(ru)過(guo)大(da)使(shi)得(de)焊(han)(han)(han)(han)縫凹陷,咬(yao)邊嚴重(zhong),如圖(tu)7a所示.在(zai)(zai)(zai)能(neng)(neng)量(liang)(liang)小(xiao)于激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)量(liang)(liang)密(mi)度(du)(du)閾值時(shi),會(hui)出(chu)現(xian)(xian)(xian)明顯的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)傳(chuan)導焊(han)(han)(han)(han)形貌(mao),如圖(tu)7b所示.

    車用鋁(lv)合金濾(lv)清器激光焊接工藝(yi)研究

    圖7 激光功率對(dui)焊縫成形的影響

    3 解決方(fang)法(fa)和(he)結(jie)果

    1、針(zhen)對保(bao)護(hu)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)吹(chui)力過大且吹(chui)向面(mian)積過小而導致熔池(chi)不穩(wen)定、焊縫保(bao)護(hu)范圍(wei)過窄的問題(ti),采(cai)用內徑(jing)較大的保(bao)護(hu)氣(qi)(qi)(qi)管(直徑(jing)9mm)替(ti)代(dai),如圖8所示.該(gai)氣(qi)(qi)(qi)管能在對熔池(chi)形成較大保(bao)護(hu)范圍(wei)的前提下(xia),減弱氣(qi)(qi)(qi)體(ti)對熔池(chi)成形的干(gan)擾.

    車(che)用(yong)鋁合金濾清器(qi)激光焊接(jie)工藝研究

    圖8 大內徑氣管保護

    2、為了(le)滿足焊縫表(biao)面成形(xing)均勻美觀和(he)熔寬2mm以上的要求,采用(yong)了(le)慢速、離焦(jiao)焊接.另外焊接過(guo)程中(zhong)采取上坡調(diao)時間100ms、下坡調(diao)時間300ms,以減小收弧處形(xing)成的弧坑.

    選(xuan)取表1參數作為優化(hua)的焊接工藝(yi)參數,焊后樣(yang)件如(ru)圖(tu)9所(suo)示(shi),收弧(hu)形(xing)貌如(ru)圖(tu)10所(suo)示(shi).焊縫表面形(xing)貌和(he)橫斷(duan)面形(xing)貌分別如(ru)圖(tu)11和(he)圖(tu)12所(suo)示(shi).

    車用鋁合金濾清(qing)器激光焊接工藝研究

    從圖9、圖10和圖11中可以看出(chu),焊(han)縫(feng)表面(mian)形成細密(mi)且(qie)均(jun)勻一致的魚鱗紋(wen)(wen)形貌,并且(qie)沒有任何表面(mian)裂紋(wen)(wen)和氣(qi)孔(kong)等(deng)缺陷,另(ling)外收弧(hu)弧(hu)坑(keng)大大減(jian)小.從圖12中可以檢測(ce)出(chu),焊(han)縫(feng)熔(rong)寬(kuan)達(da)2.5mm,熔(rong)深(shen)達(da)1.7mm,且(qie)內(nei)部無(wu)氣(qi)孔(kong)、裂紋(wen)(wen)等(deng)缺陷.