專利名稱：一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高鋁合金激光焊接的方法。
背景技術：
鋁合金以其良好的物理、化學和機械性能，越來越多地用于各類工業產品中，特別是在航空航天、電子以及汽車行業得到了廣泛的應用。但是鋁合金的焊接曾經是比較困難的問題，直到交流鎢極氬弧焊的普及才相對解決了普通鋁合金的焊接這一問題。激光焊接是在最近幾十年發展起來的新型焊接技術，具有熱輸入少，能量密度集中、熱影響區變形小的優點，可進行精密件的焊接，目前激光焊接在工業生產中有著越來越多的應用。然而，在激光焊接用于鋁合金時，也存在著很多的缺點和問題。最嚴重的問題就是由于鋁及鋁合金 對激光的初始反射率高，在激光焊接時導致焊接過程不穩定，由于高的反射率使的大部分能量都被反射掉而不能被鋁基體吸收。典型的鋁合金對波長為10. 6 μ m的( 激光反射率高達97%以上，對于YAG激光器，其反射率也達到了 80%以上；同時由于鋁合金自身高的導熱性能(大多數鋁合金的導熱系數越為普通碳鋼的3倍)，這種情況造成激光焊接困難，很多時候不能熔化成型，典型的CO2激光束當功率為3Kw時掃描光潔的鋁合金表面，甚至不能形成熔池，而且被反射的激光仍有很高的功率，如果控制不好反射方向將損害設置甚至威脅操作人員的人身安全。所以鋁合金對激光的高反射率以及高的熱導率、在很大程度上限制了鋁合金激光焊接的廣泛應用。為了改善激光鋁合金激光焊接過程中的問題，國內外的學者已進行了大量研究。根據焊接機理不同，激光焊接分為熱導焊和深熔焊兩種模式。激光熱導焊依靠材料表面吸收激光能量，通過熱傳導的方式向內部傳到熱量。激光深熔焊焊接則是依靠高密度激光激發引起材料局部蒸發，在蒸汽壓力作用下熔池表面下陷形成小孔，激光束通過小孔效應深入到熔池內部。鋁合金在焊接時，由于表面反光嚴重，依靠熱傳導模式獲得熔深極為有限，一般不超過O. 5mm，所以要獲得大的熔深必須采用激光熔深焊模式，即要求獲得小孔效應。研究結果表明，鋁合金激光焊接時，小孔效應的形成與激光束中的蒸汽氛圍有很大關系，如果蒸汽氛圍中存在Zn、Mg等蒸汽，那么可以極大地改善吸光效果，大幅度提高激光束中的能量吸收率，可以快速形成小孔，一旦有小孔形成，那么就可以將鋁合金蒸發形成金屬蒸汽等離子體，持續產生的金屬蒸汽則可以保證了小孔的繼續形成，即形成深熔深焊縫。因此如果人為在激光束中引入一些金屬蒸汽氛圍，那么對于提高鋁合金激光焊接中能量吸收率，促進小孔效應的形成是有利的。

發明內容
本發明的目的是針對上述問題提供一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法，選擇了低沸點的鋅或鎂作為小孔形成的誘導元素，利用小孔效應獲得較好的熔深。本發明采取的技術方案為一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法，包括步驟如下
( I)首先對被焊鋁合金被焊部位進行清理，再對其進行噴砂處理，獲得有一定粗糙度的清潔表面；(2)將顆粒度為微米級別的金屬粉鋅粉或鎂粉用丙酮混成稀糊涂抹于噴砂后的鋁合金表面，厚度1-20微米；(3)用等離子噴涂將鋁粉噴涂在涂有鋅粉或鎂粉的表面，鋁粉涂層厚度為10-100微米，獲得結合致密的結合層；(4)對上述方法獲得的表面進行激光焊接或熔覆。上述方法中，步驟(I)所述的噴砂處理的原料為石英砂或金剛砂；噴砂處理的時間為2-10分鐘；步驟(2)所述的金屬粉與丙酮的用量比例范圍為每100克金屬粉末用200毫升-500毫升丙酮調配。
上述的等離子噴涂及激光焊接或熔覆均采用現有技術。等離子噴涂優選的工藝為電壓為30-40V，電流為500-600A，噴涂距離60_90mm，噴涂粉末的速度為亞音速。本發明之所以先用噴砂處理，一是為了進一步清除殘留的鋁合金氧化膜，再一個為了獲得相對粗糙的表面，便于下一步涂覆鋅或鎂涂層。鋅或鎂涂層只所以不用等離子噴涂的方法噴涂，是因為其沸點太低，在噴涂過程中蒸發及氧化嚴重，難以獲得合適的含量。進一步進行等離子噴涂鋁粉，一方面是利用噴涂的鋁粉覆蓋涂覆的鋅或鎂涂層，增加涂層的穩定性，再一個利用噴涂后的鋁粉形成的粗糙度可以提高對激光的吸收效果。由于噴涂出的鋁粉到達工件的熱量較少，所以不會造成因溫度過高而引起鋅粉或鎂粉的蒸發。在進行激光焊接或熔覆的時候，當激光束照到噴有鋁粉的涂層時，一方面粗糙的噴涂面由于漫反射的作用大大提高了對激光的吸收率，另一方面噴涂的鋁粉因表面積增加也促進了能量的吸收，當熱量足夠熔化表面薄薄的噴涂鋁層后，下面的鋅粉或鎂粉則受熱快速形成蒸汽，進一步提高了對激光能量的吸收，形成小孔效應。


圖I為本發明實施例I處理后的鋁合金表面的熔深；圖2為未經過處理的鋁合金表面的熔深。
具體實施例方式下面結合實施例進一步說明。實施例I :選用5083鋁板作為被焊材料。(I)用角磨機或金屬刷去除表面氧化膜后再用丙酮進行清洗；(2)鋁合金表面采用標準型干式噴砂機(石英砂)進行噴砂處理2分鐘；(3)將顆粒度在5微米左右的鋅粉用丙酮調成懸濁液涂抹于噴砂處理過的表面；(4)用美國Paraxair Surface生產的3710等離子噴涂系統噴涂純招粉,輔氣采用氬氣，電壓為36V，電流為600A，噴涂距離80mm，獲得的涂層的厚度約為20-30微米；(5)激光焊接采用德國洛芬的FL010固體激光器。實際使用功率1KW，掃描速度O. 2米每分鐘，當鋁合金表面沒有采用上述措施時，光斑僅能在表面形成輕微的灼痕，熔深不超過100微米。采用本發明的涂層，可以獲得I毫米的熔深。具體對比見圖I和圖2。從圖I中的熔深與熔寬的對比中可以看出，小孔效應是非常明顯的。實施例2 選用5083鋁板作為被焊材料。(I)用角磨機或金屬刷去除表面氧化膜后再用丙酮進行清洗；(2)鋁合金表面采用標準型干式噴砂機(石英砂)進行噴砂處理3分鐘；(3)將顆粒度在6微米左右的鎂粉用丙酮調成懸濁液涂抹于噴砂處理過的表面；(4)用美國Paraxair Surface生產的3710等離子噴涂系統噴涂純招粉,輔氣采用氬氣，電壓為36V，電流為600A，噴涂距離80mm，獲得的涂層的厚度約為10-20微米；
(5)激光焊接采用沈陽大陸激光加工成套設備有限公司產的的DL-HL-T5000型5KW橫流C02激光器。實際使用功率3KW，光斑直徑為3毫米，掃描速度O. 3米每分鐘，當鋁合金表面沒有采用上述措施時，光斑僅能在表面形成輕微的灼痕，采用本發明的涂層，可以獲得超過2毫米的熔深。
權利要求
1.一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法，其特征是，包括步驟如下 (1)首先對被焊鋁合金被焊部位進行清理，再對其進行噴砂處理，獲得有一定粗糙度的清潔表面； (2)將顆粒度為微米級別的金屬粉鋅粉或鎂粉用丙酮混成稀糊涂抹于噴砂后的鋁合金表面，厚度1-20微米； (3)用等離子噴涂將鋁粉噴涂在涂有鋅粉或鎂粉的表面，鋁粉涂層厚度為10-100微米，獲得結合致密的結合層； (4)對上述方法獲得的表面進行激光焊接或熔覆。
2.根據權利要求I所述的一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法，其特征是，步驟(I)所述的噴砂處理的原料為石英砂或金剛砂，噴砂處理的時間為2-10分鐘。
3.根據權利要求I所述的一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法，其特征是，步驟(2)所述的金屬粉與丙酮的用量比例范圍為100克金屬粉末用200毫升-500毫升丙酮調配。
4.根據權利要求I所述的一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法，其特征是，等離子噴涂工藝為電壓為30-40V，電流為500-600A，噴涂距離60_90mm，噴涂粉末的速度為亞音速。
全文摘要
本發明涉及一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法，首先對被焊鋁合金被焊部位進行清理，再對其進行噴砂處理；將顆粒度為微米級別的金屬粉鋅粉或鎂粉用丙酮混成稀糊涂抹于噴砂后的鋁合金表面，厚度1-20微米；用等離子噴涂將鋁粉噴涂在涂有鋅粉或鎂粉的表面，鋁粉涂層厚度為10-100微米；對上述方法獲得的表面進行激光焊接或熔覆。在進行激光焊接或熔覆的時候，當激光束照到噴有鋁粉的涂層時，一方面粗糙的噴涂面由于漫反射的作用大大提高了對激光的吸收率，另一方面噴涂的鋁粉因表面積增加也促進了能量的吸收，由于噴涂層的非致密性，噴涂層吸收的熱量可促進下面的鋅粉或鎂粉則受熱快速形成蒸汽，進一步提高了對激光能量的吸收，形成小孔效應，獲得較好的熔深。
文檔編號B23K26/34GK102861990SQ20121039594
公開日2013年1月9日 申請日期2012年10月17日 優先權日2012年10月17日
發明者李新梅, 張忠文, 杜寶帥 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院, 國家電網公司