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鋼鋁激光焊接的難點及工藝研究

查看：2378 　發(fā)稿日期：2016-01-13 19:21:35

隨著能源問題的突出及材料科學的發(fā)展，輕型有色金屬在機械、汽車、航空航天等領(lǐng)域的使用越來越廣泛，并且各種技術(shù)日趨成熟。以鋼、鋁合金異種材料作為車身材料可極大減輕汽車自重，不僅提高了燃油經(jīng)濟性，同時也保障了汽車在行駛中的安全性。將鋼與鋁或鋁合金連接成為異種金屬結(jié)構(gòu)，具有獨特的優(yōu)勢和良好的經(jīng)濟效益。目前，鋼和鋁的連接主要采用鉚接或螺栓連接、焊接等機械連接方法。前兩者接頭質(zhì)量大，接頭形狀受限；焊接主要采用電阻焊、惰性氣體鎢極保護焊(TIG)、摩擦攪拌焊、擴散焊、釬焊、爆炸焊、磁脈沖焊(MPW)等方法，其缺點是難以自由選擇接頭形式，應(yīng)用范圍較窄。激光焊熱量集中，熱源能準確控制，應(yīng)力應(yīng)變小，因此激光焊與其他方法相比，更適合于鋼、鋁異種材料的焊接

鋼-鋁焊接存在的難點

鋼-鋁焊接存在一定困難，兩者焊接難以得到優(yōu)良焊縫。這種難點的根源主要是鋼、鋁及鋁合金材料中的主要元素Fe和Al的物理參數(shù)、力學參數(shù)、品格參數(shù)、組織結(jié)構(gòu)相差甚遠。兩者物理參數(shù)上，密度、熔沸點、熱導率、線膨脹系數(shù)等相差懸殊。懸殊較大的熱導率、線膨脹系數(shù)使焊接過程中接頭處變形嚴重，并且存在很大的焊接應(yīng)力，易導致裂紋產(chǎn)生；Fe、Al品格結(jié)構(gòu)上存在較大差異，如表2所示。鐵在鋁中的固溶度幾乎為0（在225～600℃，鐵在鋁中的固溶極限為0.01%～0.022%），F(xiàn)e與Al易形成FeAl2、FeAl3、Fe2Al5等一系列硬而脆的金屬間化合物，導致焊接接頭塑韌性降低。另外，焊接過程中Al母材表面形成難熔的Al2O3氧化膜，并且熔池溫度越高，表面氧化膜越厚。這種氧化膜既能形成焊縫夾渣，又直接影響焊縫金屬的熔合，導致焊縫塑性差、承載能力低、抗沖擊能力差。

鋼-鋁激光焊接工藝研究

鋼、鋁激光焊接的焊縫質(zhì)量受多方面因素的影響，主要包括焊接工藝工夾、焊接工藝參數(shù)、焊接前處理、被焊接材料的物理性質(zhì)等。其中焊接工藝參數(shù)的影響占主導地位，主要包括激光功率、離焦量、焊接速度、脈沖頻率（連續(xù)模式無此項）、保護氣體的類型及流量等。激光功率直接決定了光功率密度。若功率過小，材料因熱輸入過少、熔化量不夠?qū)е潞缚p填充不足；功率過大又會引起材料汽化彤成等離子體屏蔽材料對激光吸收或者使焊后焊縫表面產(chǎn)生飛濺。激光焊接速度決定了焊池凝固時間的長短，進而影響內(nèi)部晶粒的生長。若焊接速度過快，熔池內(nèi)材料急劇冷卻，得不到細化的晶粒，組織雜亂，力學性能差，某些情況下甚至會產(chǎn)生微裂紋、焊縫填充不足。另外，脈沖頻率與焊接速度共同影響著焊縫質(zhì)量，脈沖頻率為30～60Hz時焊縫質(zhì)量較好。離焦量是激光聚焦后光斑與材料表面的距離。光斑位于材料上方時為正離焦，反之為負。采用負焦量時更易獲得高質(zhì)量的焊縫且最佳離焦位于焊縫深度1/3處，焊縫能達最大焊深。保護氣體的作用是包圍焊池防止其氧化，并適當加速焊縫的冷卻，減小焊縫熱影響區(qū)寬度。保護氣體的物理性質(zhì)、導熱系數(shù)、水中的溶解性等方面的差異對焊接質(zhì)量的影響不同。密度較大的氣體在高溫下仍能夠較好地處于焊接件的周圍以防止焊接件氧化。氣體密度對焊縫的影響比其電離產(chǎn)生的效應(yīng)更大。

為減小或消除激光功率、離焦量、焊接速度、脈沖頻率、保護氣體的類型及流量等工藝參數(shù)對鋼、鋁激光焊接缺陷的影響，國內(nèi)外學者進行了大量的實驗研究。國外G.Sierra等試驗中采用Nd：YAG激光器對DC04低碳鋼和6056-T4、6016-T6鋁合金(兩者厚度均為1.2mm)進行焊接研究，功率范圍是2.25～3.5kW，焊接速度為4～6m/min。焊接時采用兩種聚焦透鏡：150mm聚焦鏡光斑直徑為0.45mm，功率密度為1400～1600kW/cm2；200mm聚焦鏡光斑直徑為0.6mm，功率密度為1100kW/cm2。焊接時采用鋼上鋁下和鋁上鋼下對比試驗來加深對液態(tài)鋼、鋁間的相互作用機理的理解。焊接前采用計算機優(yōu)化工藝參數(shù)，并得到了焊縫深度與光功率密度之間近似直線的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，實驗所得焊縫的深度及對應(yīng)的工藝參數(shù)均與模擬值接近。M.J.Torkamany等采用工作在脈沖模式下的Nd：YAG激光器進行了低碳高強鋼ST14和5754鋁合金(厚度分別為0.88mm、2mm)的焊接研究。實驗中工藝參數(shù)：功率為200W，頻率為20Hz，焊接速度為5mm/s，離焦量為1.5mm，脈沖峰值功率在1～2.1kW之間變化，脈沖寬度在3.7～10ms之間變化。他們通過實驗研究了工藝參數(shù)對焊縫界面金屬間化合物形成及焊縫成形質(zhì)量的影響。德國不萊梅激光研究所的Kreimeyer等采用大功率CO2激光器、YAG激光器在Ar與He混合作為保護氣體的條件下分別對鍍鋅鋼板和鋁合金板進行了對接和搭接實驗焊接，焊接前用非腐蝕釬劑FLH-2除去試樣的氧化膜。研究表明，以高能激光束焊接可降低熱輸入，減少金屬間化合物層的厚度。另外，釬劑中的Zn作為過渡層，增加了鋁對鋼的潤濕性，進一步減小了金屬間化合物層厚度。接頭具有較高的強度，拉伸實驗中接頭在鋁一側(cè)的熱影響區(qū)斷裂。丁健君等采用1kW的YAG激光源，以Ar作為保護氣體，在聚焦后光斑直徑為6mm且束斑覆蓋面積（比例為2:1）XC18低碳鋼多于6056鋁合金的條件下進行了兩者的搭接焊實驗。實驗前用“Nocolok flux”釬劑溶于酒精后涂于兩試樣表面以消除氧化層對鋼鋁間潤濕性的影響。實驗結(jié)果表明，激光對材料結(jié)合部的加熱溫度允許在鋁材與鋼材的熔點之間，當加熱溫度高（可至800℃左右）時，鋁熔體對鋼表面有較好的潤濕性，但過高會抑制濕潤性。經(jīng)能譜(EDS)分析，所得焊縫中的組織以Fe3Al、FeAl、FeAl3和Fe2Al5為主，金屬間化合物層中厚30μm處未發(fā)現(xiàn)組織裂紋。此外，Hui-Chi Chen等和ShiYan等對鍍鋅鋼和鋁合金進行了激光搭接焊接研究，探討了不同工藝參數(shù)對焊縫成形質(zhì)量和焊縫缺陷控制的影響。

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