吳靜然

(承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系,河北承德 067000)

5083的激光傳導(dǎo)焊接

吳靜然

(承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系,河北承德 067000)

研究了利用高能量的二氧化碳和 YAG激光器作為于激光傳導(dǎo)焊接 2mm～3mm板厚的AA5083。結(jié)果表明,焊接2mm～3mm板厚的AA5083時(shí)產(chǎn)生的粗大的焊接區(qū)并充分滲透。通過觀察,在這個(gè)過程中滲透深度最初開始增加并達(dá)到最大值,然后隨著斑點(diǎn)大小的增加而逐漸減小。

鋁合金 5083;傳熱焊;鎖孔焊

激光焊接是一種國際性的焊接技術(shù),并且鎖孔焊焊接在工業(yè)領(lǐng)域中被不同的部門廣泛的應(yīng)用。它可以很快的改變焊接材料的厚度并產(chǎn)生小的熱影響區(qū),同時(shí)有效的吸引越來越多的工業(yè)人士對(duì)激光焊接產(chǎn)生更多的興趣[1-2]。但是鎖孔焊焊接 (＞106W/cm2)由于自身存在的問題而導(dǎo)致它的不穩(wěn)定性,如匙孔振蕩,和匙孔間歇性的關(guān)閉而導(dǎo)致的多孔性。在一些合金中,焊接速度高會(huì)導(dǎo)致焊縫或熱影響區(qū)變脆。傳熱焊激光焊接(LCW)(＜106W/cm2)比較穩(wěn)定并且可以提供一種可以選擇的焊接方法用來焊接傳統(tǒng)上的難焊材料,例如鋁合金。到目前為止,在傳熱焊和鎖孔焊激光焊接中,從焦距到射程之間的一段距離即：– 10mm到 +10mm范圍內(nèi)高功率的散焦激光束受到限制。工件在焦距以下 +5mm到 + 100mm距離范圍內(nèi)采用的是傳熱焊焊接模式。

1 實(shí)驗(yàn)方法

為了促進(jìn)吸收在焊前要對(duì)工件進(jìn)行噴丸處理。焊接完成后,工件被鋸斷并安裝在 Buehler Pneumet II機(jī)械壓力機(jī)上。在 100℃的熱處理設(shè)備中加熱 15 min后完成。每個(gè)工件都要進(jìn)行拋光和打磨,直到得到所需要的表面為止。然后再用氫化鈉溶液腐蝕工件。采用氬氣作為保護(hù)氣體。

采用兩種類型的激光來做實(shí)驗(yàn)。第一種是MultiWave-AutoT MLumonics AM356YAG型的激光器。用直徑為 600μm的光學(xué)纖維時(shí)最大功率可達(dá)到 4.5 kW。另一種是最大功率可達(dá)到 1.8 kW的 PRC/ OPL CO2激光器和 TEM01激光束。抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)試樣在 Instron測(cè)試儀上進(jìn)行測(cè)試,

2 結(jié)果分析

傳熱焊焊接采用高能量散焦激光束應(yīng)用于規(guī)格為 2-3 mm板厚的AA5083。圖 1(i-vii)展示了規(guī)格為 2-3 mm板厚的AA5083的傳熱焊焊接的顯微照片。圖的編號(hào)是根據(jù)斑點(diǎn)數(shù)量的逐漸增多而制定的。預(yù)期的傳熱焊焊接的半球形特征已經(jīng)得到。滲透深度隨著斑點(diǎn)半徑的增加而變化并且焦距變得易于觀察。多數(shù)情況下焊縫的成型率比另一個(gè)低(透深度與焊縫寬度分開)。在傳導(dǎo)模式中,滲透深度與斑點(diǎn)半徑的曲線圖顯示開始是增長(zhǎng)趨勢(shì) (達(dá)到一個(gè)最大值)然后隨著斑點(diǎn)半徑的增加而逐漸減小。這個(gè)歸結(jié)于減小能量密度增加相互作用的時(shí)間之間的相互影響。同時(shí)斑點(diǎn)半徑變大。這表明激光束的擴(kuò)散和提前加熱是導(dǎo)致激光束的外部邊緣與工件之間的相互影響的原因。圖2表示了焊接2-3 mm板厚的AA5083,焊速為 600mm/min和 720mm/min.時(shí)滲透深度隨斑點(diǎn)半徑的變化而變化的情況。

圖 2(i)用 CO2激光器焊 2 mm板厚的AA5083,焊速為 600mm/min時(shí)滲透深度隨斑點(diǎn)半徑的變化而改變的情況;圖 2(ii)用 YAG激光器焊 3 mm板厚的AA5083,焊速為 600 mm/min和 720 mm/min時(shí)滲透深度隨斑點(diǎn)半徑的變化而改變的情況。

圖 3(i)是用 YAG激光器在焊速為 360 mm/min并且工件的擺放的距離距焦距 20 mm處所得到的粗大的焊縫的顯微圖。這個(gè)位置將產(chǎn)生激光設(shè)備滲透深度的最大值。可以看出焊縫是完整細(xì)致的。圖3(ii)是用 CO2激光器焊 2mm板厚的AA5083.最大功率為 1750W,焊速為 1600 mm/min。溝槽是表面的薄弱區(qū)。應(yīng)為表面用鋼絲刷清理過,所以匙孔清晰可見。圖 3(iiia)—用鎖孔焊焊接法焊 2mm板厚的AA5083時(shí)匙孔可以看得見。但是在傳熱焊焊接中如圖 3(iiib)(角接)和圖 3(iiic)(對(duì)接焊縫)匙孔就相對(duì)稀松?？梢妭鳠岷负附訚B透得十分完全。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)激光傳導(dǎo)焊接(LCW)AA5083進(jìn)行調(diào)查,不完全數(shù)據(jù)表明使用高能量散焦 CO2激光束和 YAG激光束使熔深增大到最大值之后便隨著熔斑半徑的增加而減小。其具體的內(nèi)容如下：

1)對(duì)LCW過程的不完全數(shù)量分析表示,當(dāng)表面溫度還處在沸點(diǎn)時(shí)熔深隨著斑點(diǎn)半徑的增加而增加。當(dāng)沸點(diǎn)的溫度隨著斑點(diǎn)半徑的進(jìn)一步增加而不在變化時(shí)這個(gè)趨勢(shì)開始向相反方向變化。這表明,熔深/斑點(diǎn)半徑變化發(fā)生在傳導(dǎo)焊接中,理想意義上傳導(dǎo)焊接中不應(yīng)該有氣化現(xiàn)象存在。

2)通過討論,這種現(xiàn)象可能歸結(jié)于能量密度減小和相互作用時(shí)間增加之間的影響、激光束的分布、由于激光束的外部邊線被提前加熱等原因。

3)這個(gè)過程也許可以提供一個(gè)供選擇的方法,通過減小冷卻速度來提高傳統(tǒng)上的難焊材料的焊縫質(zhì)量,如鋁合金被應(yīng)用在航天工業(yè)。激光傳導(dǎo)焊接時(shí)在某一原材料上應(yīng)用高能量的散焦激光束將會(huì)被充分的熔透,但如果不除去匙孔的缺陷將很大程度上影響焊接質(zhì)量。

[1] 王希靖.鋁合金 5083和 5052的激光焊接[J].甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1994(4)：1-6.

[2] 孫福娟,劉洪軍,張丹峰.LY12CZ鋁合金激光焊接工藝[J].中國激光,2006(2)：273-277.

Laser Conduction W elding of 5083

WU Jing-ran
(Department ofMechanical Engineering,Chengde Petroleum College,Chengde 067000,Hebei,China)

There are two laser welding mechanisms：keyhole mode and conduction mode.Keyhole welding iswidely used because it produces welds with high aspect ratios and narrow heat affected zones.However keyhole welding can be unstable,as the keyhole oscillates and closes inter mittently. This intermittent closure causes porosity due to gas entrapment. In this work,high-power CO2and YAG lasers have been used to produce laser conduction welds on 2mm and 3mm gauge AA5083 respectively by means of defocused beams.Full penetration butt-welds of 2mm and 3mm gauge AA5083 using this process has been produced. It has been observed that in this reg ime the penetration depth increases initially up to a maximum and then decreases with increasing spot size (corresponding to increase in distance of focus above the workpiece).

Aluminium Alloy 5083;conduction welding;keyhole welding

TG44

：B

1008-9446(2010)03-0051-02

2010-04-19

吳靜然(1976-),女,遼寧沈陽人,承德石油高等?？茖W(xué)校機(jī)械工程系講師,碩士研究生,主要從事新材料研究。