一种铝合金中厚板材的激光焊接工艺的制作方法

本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种铝合金中厚板材的激光焊接工艺。

背景技术：

铝合金因具有较高的比强度和比刚度、耐腐蚀性能好、无磁性、良好的导电、导热性以及良好的加工和力学性能，其使用越来越广泛。对于6mm的铝合金中厚板材而言，在制作各部件时主要通过焊接成形。然而，现有6mm的铝合金中厚板材的焊接存在焊接稳定性差、焊缝熔深稳定性差的问题，从而大大影响产品质量，由此，急需解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种铝合金中厚板材的激光焊接工艺，以解决现有6mm的铝合金中厚板材的焊接稳定性差、焊缝熔深稳定性差的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种铝合金中厚板材的激光焊接工艺，包括以下步骤：

a、选择铝合金中厚板材，其厚度为6mm；

b、用带有丙酮的棉布将铝合金中厚板材擦拭干净；

c、以氩气作为保护气体，采用激光器进行全熔透焊接，其中，保护气体的气流量为15l/min～25l/min，离焦量为-6mm～-4mm，激光功率为5.5kw，焊接速度为2.4m/min。

作为本发明的一种优选方案，铝合金中厚板材的成分按质量分数计，cu：0.15％～0.4％，mn：0.15％，mg：0.8％～0.12％，zn：0.25％，cr：0.04％～0.35％，ti：0.15％，si：0.4％～0.8％，fe：0.7％，余量为al。

作为本发明的一种优选方案，保护气体的气流量为20l/min～25l/min。

作为本发明的一种优选方案，所述激光器为光纤激光器。

本发明的有益效果为：通过控制激光功率、焊接速度，保证能够实现全熔透焊接，其焊接稳定性较好，且通过严格控制保护气体的气流量，能够进一步提高焊接稳定性，此外，通过严格控制离焦量，不仅提高了焊接稳定性，且使得焊缝熔深的稳定性大大提高。

附图说明

图1是不同气流量下熔宽和熔深的变化情况；

图2是不同气流量下焊缝平均熔深和方差的变化情况；

图3是不同离焦量下熔宽和熔深的变化情况；

图4是不同离焦量下焊缝平均熔深和方差的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。

下面采用控制变量法，分别研究离焦量、保护气体流量对激光焊接的影响；对焊缝的纵向横截面以间隔3mm对熔深进行测量，然后取其平均值作为焊缝的平均熔深，取其方差作为焊接稳定性的评判标准。

选取6mm的铝合金中厚板材，铝合金中厚板材的成分按质量分数计，cu：0.15％～0.4％，mn：0.15％，mg：0.8％～0.12％，zn：0.25％，cr：0.04％～0.35％，ti：0.15％，si：0.4％～0.8％，fe：0.7％，余量为al，激光器是ylr-6000光纤激光器，激光焊接实验中保护气嘴与试验板表面法线的夹角为45°，距离实验板表面为5mm，焊接前用带有丙酮的棉布将铝合金中厚板材的表面擦拭干净，防止污染铝合金中厚板材，影响试验结果。

保持激光功率5.5kw、焊接速度2.4m/min、离焦量-5mm，气流量的变化范围为0l/min～30l/min。当没有氩气保护时，焊缝表面氧化严重，呈现灰黑色并伴随大量孔洞；在气流量增大至10l/min后，表面的氧化程度得到改善，但是焊缝表面仍然存在大量凸起，在气流量为15l/min～30l/min时，焊缝表面成形相对较好，形成致密规则的鱼鳞纹，但是当气流量大于25l/min时，焊接过程中伴随着大量飞溅。产生以上现象的原因是：在气流量小于15l/min时，气流量过小，不足以吹走孔外的等离子体，而孔内的等离子体也没有受到足够大的压力使其滞留在孔内，因此大量等离子体从小孔内喷出，材料上方的等离子体吸收激光能量从而对焊缝产生热辐射作用，使得焊缝表面烧黑氧化，并且由于此时小孔内吸收的激光能量减少，小孔的开口尺寸较小，更多的熔融金属将涌到开口附近，并且部分上扬，形成表面凸起。而气流量在15l/min～25l/min期间，气流足够大，大量等离子体被吹走，焊缝成形美观。当气流量增加到30l/min时，过大的气流对熔池形成搅拌作用，增加了焊接的不稳定性，从而产生了大量飞溅。

图1是不同气流量下熔宽和熔深的变化情况，从中可以看出：在气流量从0l/min增加到30l/min的过程中，焊缝熔宽从3mm变到3.5mm，熔深从4.8mm变到5.35mm，熔宽和熔深都有稍许变化，但是整个变化幅度不大，表明气流量对铝合金中厚板材的焊缝熔宽和熔深影响不大。

参照图2所示，从焊缝纵截面分析发现，在没有气体保护时，焊缝深度的稳定性相对较差，即该焊接过程中，小孔的稳定性较差。随着气流量的加大，小孔稳定性逐渐变好，在气流量在20l/min～25l/min时，小孔稳定性达到最好。

由以上分析可知：激光焊接铝合金中厚板材时，在采用氩气作为保护气体条件下，最优的气流量范围为20l/min～25l/min。

接着，保持激光功率5.5kw、焊接速度2.4m/min、保护气的气流量为20l/min的条件下，改变离焦量进行焊接。从图3及图4中可以看出，在离焦量从-10mm变为-6mm时，焊缝熔深增大，熔宽减小；而在离焦量从-6mm变为+8mm时，焊缝熔深逐渐减小，熔宽先增大后缓慢减小，并且离焦量为正时的焊缝宽度明显大于负离焦下的宽度。这主要是由于当离焦量为正时，激光束以发散状态照射到小孔内，孔壁经过多次激光反射产生的菲涅耳吸收主要集中于小孔开口位置处，此时的熔池宽而浅。而离焦量为负，焦点位于板材内部时，工件内部的激光束为处于汇聚状态，此时激光经过多次反射，汇聚于小孔深处，使得小孔内部的功率密度大于工件表面，因此熔池深度明显增大。但是，在离焦量由-10mm变到+8mm时，小孔的深度变化方差明显减小，即焊接过程的稳定性增强，这主要是由于铝合金中厚板材在焊接过程中，镁元素的极大蒸发会增加焊接等离子体及金属蒸气的浓度。等离子体浓度增大，意味着照射到材料上的激光能量减小，等离子体屏蔽效应加强，等离子体周期性波动变小，从而使得焊接过程的稳定性变大。

从以上分析可以看出，在离焦量为-6mm～-4mm时，焊缝的熔深与焊接的稳定性均达到一个较好水平。

焊接过程中蒸发较为剧烈，铝合金中厚板材中的合金元素如mg、zn等易于电离，从而使得等离子体密度大大增加，该等离子体云将会吸收激光能量并对激光有散射作用，入射到小孔内的激光减少，熔深减小，材料蒸发减慢，等离子体密度减小，此时等离子体对激光的吸收又减少，入射到小孔内的激光能量又开始增加，材料蒸发又开始剧烈。如此循环往复，等离子体密度周期性变化，使得焊缝小孔深度不能维持稳定。焊缝在未熔透时，由于此时激光入射能量较少，材料蒸发相对较少，等离子体密度在侧吹保护气的作用下对入射激光的影响较小，因此等离子体的变化较小，小孔深度稳定性相对较好。焊缝达到部分熔透时，焊缝背面开孔很小，金属蒸汽大部分仍然由小孔上部溢出，在等离子体密度较小时，焊缝刚好熔透，而由于液态铝合金流动性好、表面张力小，因此一旦熔透，将会出现明显的下塌，此时焊缝深度较大，材料蒸发开始变得剧烈，等离子体密度增大，小孔内激光能量减少，焊缝由熔透变为未熔透，由此可以看出焊缝在临界焊透时，小孔的稳定性最差。焊缝变为全熔透时，金属蒸汽同时从小孔上部和下部喷出，所以即使材料蒸发最为剧烈，但是材料上部的等离子体密度反而较小，从而保证了焊接过程的稳定性。

以上试验分析表明，铝合金中厚板材的焊接难以得到临界焊透焊缝，往往表现为“透则漏”，因此容易得到部分焊透焊缝，此时小孔的稳定性最差，而全熔透焊的稳定性相对较好。本申请中，通过控制激光功率及焊接速度以保证实现全熔透焊接。

实施例1

于本实施例中，一种铝合金中厚板材的激光焊接工艺，包括以下步骤：

a、选择铝合金中厚板材，其厚度为6mm；

b、用带有丙酮的棉布将铝合金中厚板材擦拭干净；

c、以氩气作为保护气体，采用光纤激光器进行全熔透焊接，其中，保护气体的气流量为20l/min，离焦量为-5mm，激光功率为5.5kw，焊接速度为2.4m/min。

本实施例中，铝合金中厚板材的成分按质量分数计，cu：0.15％～0.4％，mn：0.15％，mg：0.8％～0.12％，zn：0.25％，cr：0.04％～0.35％，ti：0.15％，si：0.4％～0.8％，fe：0.7％，余量为al。

实施例2

于本实施例中，一种铝合金中厚板材的激光焊接工艺，包括以下步骤：

a、选择铝合金中厚板材，其厚度为6mm；

b、用带有丙酮的棉布将铝合金中厚板材擦拭干净；

c、以氩气作为保护气体，采用光纤激光器进行全熔透焊接，其中，保护气体的气流量为25l/min，离焦量为-4mm，激光功率为5.5kw，焊接速度为2.4m/min。

本实施例中，铝合金中厚板材的成分按质量分数计，cu：0.15％～0.4％，mn：0.15％，mg：0.8％～0.12％，zn：0.25％，cr：0.04％～0.35％，ti：0.15％，si：0.4％～0.8％，fe：0.7％，余量为al。

实施例3

一种铝合金中厚板材的激光焊接工艺，包括以下步骤：

a、选择铝合金中厚板材，其厚度为6mm；

b、用带有丙酮的棉布将铝合金中厚板材擦拭干净；

c、以氩气作为保护气体，采用光纤激光器进行全熔透焊接，其中，保护气体的气流量为22l/min，离焦量为-5mm，激光功率为5.5kw，焊接速度为2.4m/min。

本实施例中，铝合金中厚板材的成分按质量分数计，cu：0.15％～0.4％，mn：0.15％，mg：0.8％～0.12％，zn：0.25％，cr：0.04％～0.35％，ti：0.15％，si：0.4％～0.8％，fe：0.7％，余量为al。

实施例4

一种铝合金中厚板材的激光焊接工艺，包括以下步骤：

a、选择铝合金中厚板材，其厚度为6mm；

b、用带有丙酮的棉布将铝合金中厚板材擦拭干净；

c、以氩气作为保护气体，采用光纤激光器进行全熔透焊接，其中，保护气体的气流量为15l/min，离焦量为-6mm，激光功率为5.5kw，焊接速度为2.4m/min。

本实施例中，铝合金中厚板材的成分按质量分数计，cu：0.15％～0.4％，mn：0.15％，mg：0.8％～0.12％，zn：0.25％，cr：0.04％～0.35％，ti：0.15％，si：0.4％～0.8％，fe：0.7％，余量为al。

以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。