填充合金粉末對(duì)激光焊接性能的影響

填充合金粉末對(duì)激光焊接性能的影響

1充填焊接絲的激光焊接由于高分辨率鉻焊接的重要性和困難，它一直是國(guó)內(nèi)外研究人員的熱點(diǎn)。填充材料能改善焊縫的冶金性能,控制焊接裂紋,提高焊接接頭的質(zhì)量,國(guó)內(nèi)外對(duì)填充焊絲的激光焊接技術(shù)進(jìn)行了大量研究,并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)應(yīng)用,如德國(guó)的“空中客車”飛機(jī)的機(jī)翼和隔板T型接頭的激光焊接。填充粉末材料的激光焊接技術(shù)不僅利用了填充材料的優(yōu)點(diǎn),還可以突破填充焊絲的諸如頂絲、對(duì)送絲機(jī)構(gòu)精度要求高等一些局限,已經(jīng)成為激光焊接技術(shù)的一個(gè)新的發(fā)展方向。但是,合金粉末的加入影響激光與材料的相互作用,這方面的研究還鮮有報(bào)道。本文結(jié)合鋁合金的高功率CO2激光粉末焊接過(guò)程就填充粉末對(duì)高功率CO2激光焊接鋁合金的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。2試驗(yàn)條件2.1表面氧化的處理實(shí)驗(yàn)采用A2219鋁合金板材,試樣尺寸為100mm×50mm×2mm,實(shí)驗(yàn)前試樣表面采用化學(xué)處理方法除去表面氧化膜?；瘜W(xué)處理是在70℃的8%NaOH溶液里浸泡3min后,在30%的HNO3溶液中浸泡直到表面恢復(fù)金屬亮色,然后清水沖洗、晾干。合金粉末材料是M52C-NS(AlSi12),顆粒尺寸為40~150μm。材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。2.2檢測(cè)設(shè)備和流程實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。使用的設(shè)備是RofinSinar公司生產(chǎn)的擴(kuò)散型(Slab)CO2激光器,光束直徑?為17mm,模式為TEM00,光束質(zhì)量參量K≥0.95,Kf=3.7(mm·mrad),最大輸出功率P為3500W,采用焦距f為300mm的銅拋物鏡聚焦,焦斑直徑D為268.4μm。實(shí)驗(yàn)時(shí)配合使用北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院研制的PFL-1A型激光加工送粉器和新型雙層送粉噴嘴;光束質(zhì)量采用德國(guó)LaserscopeUFF100光束診斷儀測(cè)量;等離子體的觀察采用日本Ultima102416kc型高速攝像儀,分辨率為1024×512,速率為16000f/s;焊縫熔寬和截面積采用Olycia.m3專業(yè)金相圖像分析系統(tǒng)分析測(cè)量。噴嘴的出粉頭內(nèi)徑1.2mm,拘束輔助氣導(dǎo)管內(nèi)徑6mm,最外層保護(hù)氣導(dǎo)管內(nèi)徑10mm,合金粉末的載氣、噴嘴粉束匯聚氣及外層保護(hù)氣均采用氦氣。3結(jié)果與分析3.1激光功率密度下降在激光功率P=2500W,焊接速度V=7m/min,采用或不采用填充合金粉末時(shí),熔深與離焦量的關(guān)系如圖2所示,采用填充粉末時(shí)的送粉量Q=7g/min。從圖2可以看出,隨著離焦量的變大,未填粉時(shí)焊接過(guò)程很快變成熱導(dǎo)焊。而在相同的條件下,填充合金粉末后,焊接過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)闊釋?dǎo)焊的離焦量明顯增大,即激光功率密度降低。通過(guò)光束診斷儀分別測(cè)得在實(shí)驗(yàn)條件下焊接過(guò)程由深熔焊變成熱導(dǎo)焊這一閾值點(diǎn)的光斑半徑和功率密度如表2所示。由表2可以看出,CO2激光焊接鋁合金時(shí)填充合金粉末可以明顯降低臨界激光功率密度。這一方面是在焊接過(guò)程中,激光與粉末質(zhì)點(diǎn)狀態(tài)作用的熱傳導(dǎo)情況和激光與板材作用的二維甚至三維熱傳導(dǎo)相比,能量的損失要小得多,另一方面是因?yàn)楹辖鸱勰╊w粒狀與板材的表面形態(tài)差異,它對(duì)激光能量的吸收率又要高得多。因此,在激光作用下,粉末材料更容易氣化和離化,形成金屬蒸氣和等離子體,而等離子體可以改善激光與工件的能量耦合,對(duì)工件和粉末材料還有預(yù)熱作用,使工件表面對(duì)激光的吸收增強(qiáng),這樣更有利于氣化界面的形成,從而使激光深熔焊接的臨界功率密度降低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明填充合金粉末時(shí)的激光深熔焊接的功率閾值比不填粉末時(shí)降低了50%左右。3.2不同量f的焊縫截面能量在焊接速度V=7.5m/min,離焦量Δf=+5mm,送粉量Q=7g/min時(shí),在完全焊透的情況下,采用和不采用填充合金粉末時(shí)焊縫熔寬和截面積隨激光功率變化如圖3(a),(b)所示。在功率P=2800W,V=7.5m/min,離焦量Δf=+5mm時(shí),分別取填粉時(shí)和不填粉時(shí)的焊接過(guò)程穩(wěn)定區(qū)域的焊縫截面比較,如圖4所示。其中,送粉量Q=7g/min。由圖3可知,填充合金粉末之后,并沒(méi)有因合金粉末的加入消耗激光能量,使焊縫熔寬和焊縫橫截面積減小,二者反而都相應(yīng)增加,可見(jiàn)熔池獲得的能量增加了。這是因?yàn)楹辖鸱勰┑募尤敫淖兞藢?duì)激光能量的吸收方式。在激光的作用下,合金粉末不僅可以直接吸收激光的能量,同時(shí),經(jīng)材料表面反射的激光進(jìn)入粉末束后還會(huì)被粉末顆粒之間相互反射吸收,或是反射回材料表面。因此粉末束像一個(gè)能量陷阱俘獲激光和等離子體的能量,使激光能量的有效利用率大大提高。從圖3(a)還可以看出,隨著激光功率的上升,不填粉時(shí)熔寬增加的趨勢(shì)平坦;而填粉時(shí),熔寬的增加趨勢(shì)明顯,從圖4可以看到,填粉后的焊縫飽滿,有一定的余高,無(wú)明顯裂紋和氣孔,且焊縫截面形狀更加理想。3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析比較在激光功率P=2800W,焊接速度V=7.5m/min,離焦量Δf=+5mm,填粉和不填粉時(shí)的焊接過(guò)程。發(fā)現(xiàn)在該參量下,不填充合金粉末時(shí)的焊縫魚(yú)鱗紋起伏較大,還容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性孔洞,如圖5(b)所示。而填充合金粉末后(Q=7g/min),焊縫魚(yú)鱗紋致密均勻,表面過(guò)渡光滑,如圖5(a)所示。在功率P=2800W,焊接速度V=8m/min,離焦量Δf=+5mm,送粉量Q=7g/min,保護(hù)氣體流量q=18L/min的試驗(yàn)參量下,通過(guò)高速攝像觀察光致等離子體現(xiàn)象,如圖6所示。圖6是分別在相同的試驗(yàn)條件下,填粉和沒(méi)填粉時(shí)的焊接過(guò)程中最穩(wěn)定的0.1s內(nèi)拍攝的200張圖片中等時(shí)間間隔取出的8張等離子體圖片。通過(guò)兩組圖片比較,可以發(fā)現(xiàn),填加合金粉末時(shí)的等離子體在高度方向上的起伏波動(dòng)較不填粉末時(shí)明顯減小。在焊接過(guò)程中,合金粉末對(duì)等離子體的作用和填充焊絲時(shí)一樣,合金粉末的加熱和熔化都需要能量,這些能量部分是從等離子體中獲得的,而等離子體維持的條件是其吸收激光的能量足以補(bǔ)償因?yàn)闊醾鲗?dǎo)、熱輻射和對(duì)流引起的能量損失。等離子體形成吸收波傳播的距離是由這個(gè)條件決定的。在激光功率密度不變的情況下,為了補(bǔ)償合金粉末吸收等離子體的部分能量,等離子體要繼續(xù)維持就只有降低其吸收波的傳播距離,這也是圖6(b)中等離子體在高度方向的跳動(dòng)比圖6(a)中小的原因。因此,填充合金粉末比不填充粉末時(shí)更容易使等離子體在工件表面獲得跳動(dòng)幅度的相對(duì)穩(wěn)定性?？梢?jiàn),通過(guò)填加合金粉末,可以提高等離子體的穩(wěn)定性,使焊接過(guò)程更趨穩(wěn)定。4降低功率密度合金粉末的加入可降低激光焊接對(duì)激光能量