節(jié)能降耗和減輕環(huán)境污染是世界各國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)面臨的緊迫問題.為解決這一問題,各種輕質(zhì)合金(如鋁、鎂合金) 越來(lái)越多地應(yīng)用于交通運(yùn)輸工具上.其中鋁合金具有十分優(yōu)良的物理、機(jī)械力學(xué)性能,且重量輕,在汽車制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,其中濾清器就是較典型的應(yīng)用之一.由于鋁合金的化學(xué)活潑性很強(qiáng),表面極易形成氧化膜,且具有難熔性質(zhì),加之鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng),焊接時(shí)容易造成不熔合現(xiàn)象;同時(shí),氧化膜可以吸收較多的水分,從而導(dǎo)致焊縫氣孔的形成;此外,鋁合金的線膨脹系數(shù)大,導(dǎo)熱導(dǎo)電性強(qiáng),焊接時(shí)容易產(chǎn)生咬邊、翹曲變形等缺陷,并且焊后接頭力學(xué)性能下降.采用常規(guī)的氬弧焊( TIG) 和惰性氣體熔化級(jí)電弧(MIG)方法焊接鋁合金時(shí),容易產(chǎn)生氣孔、焊接裂紋以及焊接變形大等問題,制約了其在工業(yè)中的應(yīng)用推廣.與常規(guī)的焊接方法相比,激光焊接是一種功能多、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高的精密焊接方法,且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化.由于激光高的功率密度,焊接時(shí)熱輸入量低,在保證熔深的基礎(chǔ)上,焊接熱影響區(qū)小,焊接變形小,激光焊接不需要真空裝置,因此激光焊接具有質(zhì)量高、精度高、速度高的特點(diǎn).同時(shí)隨著大功率、高性能激光加工設(shè)備的不斷開發(fā), 使得鋁合金激光焊接技術(shù)在汽車制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用.

    本文以車用鋁合金濾清器為研究對(duì)象,分析了車用鋁合金濾清器焊接的工藝要點(diǎn)及相關(guān)影響因素.濾清器焊縫為環(huán)焊縫,接頭為鎖底對(duì)接,要求焊縫表觀均勻美觀,熔寬達(dá)2mm以上,熔深達(dá)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 樣件

    1 設(shè)備、材料及方法

    設(shè)備:Trumpf 3001激光器和焊接頭(光學(xué)配置:聚焦鏡焦長(zhǎng)為300mm、準(zhǔn)直鏡200mm、光纖芯徑300μm),如圖2所示;

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    圖2 Trumpf激光器和焊接頭

    材料:6系鋁合金;

    方法:激光焊接頭在固定位置不動(dòng),工件繞固定軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫焊接,焊接過程采用高純Ar氣旁軸保護(hù).

    2 焊接工藝易出現(xiàn)的問題

    1、保護(hù)氣吹向?qū)е碌膯栴}:當(dāng)保護(hù)氣吹向與工件旋轉(zhuǎn)方向同向時(shí),即保護(hù)氣后吹,因而焊接過程中保護(hù)氣不能及時(shí)將待焊焊縫處空氣排開,易導(dǎo)致焊接過程中空氣的混入,從而使得焊縫極易氧化,焊后焊縫表面發(fā)黑且成形很差(如圖3所示).

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    圖3 保護(hù)氣吹向與工件旋轉(zhuǎn)方向同向形成的焊縫形貌

    2、使用小內(nèi)徑氣管導(dǎo)致保護(hù)范圍過窄,且單位面積氣體吹力過大:如當(dāng)采用內(nèi)徑為4mm單銅管保護(hù)氣保護(hù),且樣件是豎直擺放時(shí)(如圖4所示),由于液態(tài)鋁合金流動(dòng)性較大,在保護(hù)氣吹力和自身重力等因素的作用下,熔池中的鋁合金易往重力方向下流,導(dǎo)致焊后焊縫下塌(如圖5所示).另外,小內(nèi)徑銅管的氣體吹向面積小,氣體吹力較大,也易導(dǎo)致焊縫成形不穩(wěn)定.

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    3、保護(hù)氣不純導(dǎo)致焊縫局部氧化,表面發(fā)黃:由于鋁合金化學(xué)性質(zhì)較活潑,在高溫下極易氧化,因而焊接鋁合金濾清器時(shí)保護(hù)氣要采用高純氬氣(純度99.99%),采用純氬(純度99.9%)保護(hù)時(shí),由于高溫焊接時(shí)氣體雜質(zhì)的侵入,也會(huì)導(dǎo)致焊縫局部氧化,甚至焊接不良,如圖6所示.

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    圖6 保護(hù)氣不純導(dǎo)致的焊縫不良

    4、工藝參數(shù)不匹配導(dǎo)致的焊接不良:激光焊接根據(jù)熔深的不同分為熱導(dǎo)焊(功率密度在105 W/ cm2 —— 106 W/ cm2 之間)和深熔焊(功率密度在106 W/ cm2 —— 107 W/ cm2之間),熱導(dǎo)焊時(shí)淺層金屬主要靠表面吸收激光能量后向下的熱傳導(dǎo)而被加熱至熔化,形成的焊縫近半圓型,焊縫熔深較淺.在激光焊接過程中小孔的出現(xiàn)可大大提高材料對(duì)激光的吸收率,小孔作為一個(gè)黑體可使焊件獲得更多的能量耦合,這是獲得良好焊接質(zhì)量的前提條件.鋁合金對(duì)激光具有極高的初始反射率,對(duì)C02激光束的反射率可達(dá)96%,對(duì)Nd:YAG激光束的反射率也接近80%.鋁合金的熱導(dǎo)率在室溫下約為普通中碳鋼的3倍,因此在實(shí)際焊接鋁合金過程中,需要保證足夠的激光功率,以獲得需要的熔深.在不同鋁合金的激光焊接中都發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)激光能量密度閾值,若低于此值,焊件僅發(fā)生表面熔化,焊接以熱傳導(dǎo)型進(jìn)行,熔深很淺,僅在表面形成一道激光沖擊痕,而一旦達(dá)到或超過此值,等離子體產(chǎn)生,同時(shí)誘導(dǎo)出小孔,熔深大幅度提高.因而鋁合金激光焊接若想達(dá)到深熔焊效果,需要達(dá)到一定功率值.但功率也不能達(dá)大,易導(dǎo)致因熱輸入過大使得焊縫凹陷,咬邊嚴(yán)重,如圖7a所示.在能量小于激光能量密度閾值時(shí),會(huì)出現(xiàn)明顯的熱傳導(dǎo)焊形貌,如圖7b所示.

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    圖7 激光功率對(duì)焊縫成形的影響

    3 解決方法和結(jié)果

    1、針對(duì)保護(hù)氣體吹力過大且吹向面積過小而導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定、焊縫保護(hù)范圍過窄的問題,采用內(nèi)徑較大的保護(hù)氣管(直徑9mm)替代,如圖8所示.該氣管能在對(duì)熔池形成較大保護(hù)范圍的前提下,減弱氣體對(duì)熔池成形的干擾.

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    圖8 大內(nèi)徑氣管保護(hù)

    2、為了滿足焊縫表面成形均勻美觀和熔寬2mm以上的要求,采用了慢速、離焦焊接.另外焊接過程中采取上坡調(diào)時(shí)間100ms、下坡調(diào)時(shí)間300ms,以減小收弧處形成的弧坑.

    選取表1參數(shù)作為優(yōu)化的焊接工藝參數(shù),焊后樣件如圖9所示,收弧形貌如圖10所示.焊縫表面形貌和橫斷面形貌分別如圖11和圖12所示.

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    從圖9、圖10和圖11中可以看出,焊縫表面形成細(xì)密且均勻一致的魚鱗紋形貌,并且沒有任何表面裂紋和氣孔等缺陷,另外收弧弧坑大大減小.從圖12中可以檢測(cè)出,焊縫熔寬達(dá)2.5mm,熔深達(dá)1.7mm,且內(nèi)部無(wú)氣孔、裂紋等缺陷.