专利名称：一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高铝合金激光焊接的方法。
背景技术：
铝合金以其良好的物理、化学和机械性能，越来越多地用于各类工业产品中，特别是在航空航天、电子以及汽车行业得到了广泛的应用。但是铝合金的焊接曾经是比较困难的问题，直到交流钨极氩弧焊的普及才相对解决了普通铝合金的焊接这一问题。激光焊接是在最近几十年发展起来的新型焊接技术，具有热输入少，能量密度集中、热影响区变形小的优点，可进行精密件的焊接，目前激光焊接在工业生产中有着越来越多的应用。然而，在激光焊接用于铝合金时，也存在着很多的缺点和问题。最严重的问题就是由于铝及铝合金 对激光的初始反射率高，在激光焊接时导致焊接过程不稳定，由于高的反射率使的大部分能量都被反射掉而不能被铝基体吸收。典型的铝合金对波长为10. 6 μ m的( 激光反射率高达97%以上，对于YAG激光器，其反射率也达到了 80%以上；同时由于铝合金自身高的导热性能(大多数铝合金的导热系数越为普通碳钢的3倍)，这种情况造成激光焊接困难，很多时候不能熔化成型，典型的CO2激光束当功率为3Kw时扫描光洁的铝合金表面，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将损害设置甚至威胁操作人员的人身安全。所以铝合金对激光的高反射率以及高的热导率、在很大程度上限制了铝合金激光焊接的广泛应用。为了改善激光铝合金激光焊接过程中的问题，国内外的学者已进行了大量研究。根据焊接机理不同，激光焊接分为热导焊和深熔焊两种模式。激光热导焊依靠材料表面吸收激光能量，通过热传导的方式向内部传到热量。激光深熔焊焊接则是依靠高密度激光激发引起材料局部蒸发，在蒸汽压力作用下熔池表面下陷形成小孔，激光束通过小孔效应深入到熔池内部。铝合金在焊接时，由于表面反光严重，依靠热传导模式获得熔深极为有限，一般不超过O. 5mm，所以要获得大的熔深必须采用激光熔深焊模式，即要求获得小孔效应。研究结果表明，铝合金激光焊接时，小孔效应的形成与激光束中的蒸汽氛围有很大关系，如果蒸汽氛围中存在Zn、Mg等蒸汽，那么可以极大地改善吸光效果，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，那么就可以将铝合金蒸发形成金属蒸汽等离子体，持续产生的金属蒸汽则可以保证了小孔的继续形成，即形成深熔深焊缝。因此如果人为在激光束中引入一些金属蒸汽氛围，那么对于提高铝合金激光焊接中能量吸收率，促进小孔效应的形成是有利的。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法，选择了低沸点的锌或镁作为小孔形成的诱导元素，利用小孔效应获得较好的熔深。本发明采取的技术方案为一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法，包括步骤如下
( I)首先对被焊铝合金被焊部位进行清理，再对其进行喷砂处理，获得有一定粗糙度的清洁表面；(2)将颗粒度为微米级别的金属粉锌粉或镁粉用丙酮混成稀糊涂抹于喷砂后的铝合金表面，厚度1-20微米；(3)用等离子喷涂将铝粉喷涂在涂有锌粉或镁粉的表面，铝粉涂层厚度为10-100微米，获得结合致密的结合层；(4)对上述方法获得的表面进行激光焊接或熔覆。上述方法中，步骤(I)所述的喷砂处理的原料为石英砂或金刚砂；喷砂处理的时间为2-10分钟；步骤(2)所述的金属粉与丙酮的用量比例范围为每100克金属粉末用200毫升-500毫升丙酮调配。
上述的等离子喷涂及激光焊接或熔覆均采用现有技术。等离子喷涂优选的工艺为电压为30-40V，电流为500-600A，喷涂距离60_90mm，喷涂粉末的速度为亚音速。本发明之所以先用喷砂处理，一是为了进一步清除残留的铝合金氧化膜，再一个为了获得相对粗糙的表面，便于下一步涂覆锌或镁涂层。锌或镁涂层只所以不用等离子喷涂的方法喷涂，是因为其沸点太低，在喷涂过程中蒸发及氧化严重，难以获得合适的含量。进一步进行等离子喷涂铝粉，一方面是利用喷涂的铝粉覆盖涂覆的锌或镁涂层，增加涂层的稳定性，再一个利用喷涂后的铝粉形成的粗糙度可以提高对激光的吸收效果。由于喷涂出的铝粉到达工件的热量较少，所以不会造成因温度过高而引起锌粉或镁粉的蒸发。在进行激光焊接或熔覆的时候，当激光束照到喷有铝粉的涂层时，一方面粗糙的喷涂面由于漫反射的作用大大提高了对激光的吸收率，另一方面喷涂的铝粉因表面积增加也促进了能量的吸收，当热量足够熔化表面薄薄的喷涂铝层后，下面的锌粉或镁粉则受热快速形成蒸汽，进一步提高了对激光能量的吸收，形成小孔效应。
图I为本发明实施例I处理后的铝合金表面的熔深；图2为未经过处理的铝合金表面的熔深。
具体实施例方式下面结合实施例进一步说明。实施例I :选用5083铝板作为被焊材料。(I)用角磨机或金属刷去除表面氧化膜后再用丙酮进行清洗；(2)铝合金表面采用标准型干式喷砂机(石英砂)进行喷砂处理2分钟；(3)将颗粒度在5微米左右的锌粉用丙酮调成悬浊液涂抹于喷砂处理过的表面；(4)用美国Paraxair Surface生产的3710等离子喷涂系统喷涂纯招粉,辅气采用氩气，电压为36V，电流为600A，喷涂距离80mm，获得的涂层的厚度约为20-30微米；(5)激光焊接采用德国洛芬的FL010固体激光器。实际使用功率1KW，扫描速度O. 2米每分钟，当铝合金表面没有采用上述措施时，光斑仅能在表面形成轻微的灼痕，熔深不超过100微米。采用本发明的涂层，可以获得I毫米的熔深。具体对比见图I和图2。从图I中的熔深与熔宽的对比中可以看出，小孔效应是非常明显的。实施例2 选用5083铝板作为被焊材料。(I)用角磨机或金属刷去除表面氧化膜后再用丙酮进行清洗；(2)铝合金表面采用标准型干式喷砂机(石英砂)进行喷砂处理3分钟；(3)将颗粒度在6微米左右的镁粉用丙酮调成悬浊液涂抹于喷砂处理过的表面；(4)用美国Paraxair Surface生产的3710等离子喷涂系统喷涂纯招粉,辅气采用氩气，电压为36V，电流为600A，喷涂距离80mm，获得的涂层的厚度约为10-20微米；
(5)激光焊接采用沈阳大陆激光加工成套设备有限公司产的的DL-HL-T5000型5KW横流C02激光器。实际使用功率3KW，光斑直径为3毫米，扫描速度O. 3米每分钟，当铝合金表面没有采用上述措施时，光斑仅能在表面形成轻微的灼痕，采用本发明的涂层，可以获得超过2毫米的熔深。
权利要求
1.一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法，其特征是，包括步骤如下 (1)首先对被焊铝合金被焊部位进行清理，再对其进行喷砂处理，获得有一定粗糙度的清洁表面； (2)将颗粒度为微米级别的金属粉锌粉或镁粉用丙酮混成稀糊涂抹于喷砂后的铝合金表面，厚度1-20微米； (3)用等离子喷涂将铝粉喷涂在涂有锌粉或镁粉的表面，铝粉涂层厚度为10-100微米，获得结合致密的结合层； (4)对上述方法获得的表面进行激光焊接或熔覆。
2.根据权利要求I所述的一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法，其特征是，步骤(I)所述的喷砂处理的原料为石英砂或金刚砂，喷砂处理的时间为2-10分钟。
3.根据权利要求I所述的一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法，其特征是，步骤(2)所述的金属粉与丙酮的用量比例范围为100克金属粉末用200毫升-500毫升丙酮调配。
4.根据权利要求I所述的一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法，其特征是，等离子喷涂工艺为电压为30-40V，电流为500-600A，喷涂距离60_90mm，喷涂粉末的速度为亚音速。
全文摘要
本发明涉及一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法，首先对被焊铝合金被焊部位进行清理，再对其进行喷砂处理；将颗粒度为微米级别的金属粉锌粉或镁粉用丙酮混成稀糊涂抹于喷砂后的铝合金表面，厚度1-20微米；用等离子喷涂将铝粉喷涂在涂有锌粉或镁粉的表面，铝粉涂层厚度为10-100微米；对上述方法获得的表面进行激光焊接或熔覆。在进行激光焊接或熔覆的时候，当激光束照到喷有铝粉的涂层时，一方面粗糙的喷涂面由于漫反射的作用大大提高了对激光的吸收率，另一方面喷涂的铝粉因表面积增加也促进了能量的吸收，由于喷涂层的非致密性，喷涂层吸收的热量可促进下面的锌粉或镁粉则受热快速形成蒸汽，进一步提高了对激光能量的吸收，形成小孔效应，获得较好的熔深。
文档编号B23K26/34GK102861990SQ20121039594
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者李新梅, 张忠文, 杜宝帅 申请人:山东电力集团公司电力科学研究院, 国家电网公司