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钢铝激光焊接的难点及工艺研究

2013-03-02 10:10
木中君
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  随着能源问题的突出及材料科学的发展,轻型有色金属在机械、汽车、航空航天等领域的使用越来越广泛,并且各种技术日趋成熟。以钢、铝合金异种材料作为车身材料可极大减轻汽车自重,不仅提高了燃油经济性,同时也保障了汽车在行驶中的安全性。将钢与铝或铝合金连接成为异种金属结构,具有独特的优势和良好的经济效益。目前,钢和铝的连接主要采用铆接或螺栓连接、焊接等机械连接方法。前两者接头质量大,接头形状受限;焊接主要采用电阻焊、惰性气体钨极保护焊(TIG)、摩擦搅拌焊、扩散焊、钎焊、爆炸焊、磁脉冲焊(MPW)等方法,其缺点是难以自由选择接头形式,应用范围较窄。激光焊热量集中,热源能准确控制,应力应变小,因此激光焊与其他方法相比,更适合于钢、铝异种材料的焊接

  钢-铝焊接存在的难点

  钢-铝焊接存在一定困难,两者焊接难以得到优良焊缝。这种难点的根源主要是钢、铝及铝合金材料中的主要元素Fe和Al的物理参数、力学参数、品格参数、组织结构相差甚远。两者物理参数上,密度、熔沸点、热导率、线膨胀系数等相差悬殊。悬殊较大的热导率、线膨胀系数使焊接过程中接头处变形严重,并且存在很大的焊接应力,易导致裂纹产生;Fe、Al品格结构上存在较大差异,如表2所示。铁在铝中的固溶度几乎为0(在225~600℃,铁在铝中的固溶极限为0.01%~0.022%),Fe与Al易形成FeAl2、FeAl3、Fe2Al5等一系列硬而脆的金属间化合物,导致焊接接头塑韧性降低。另外,焊接过程中Al母材表面形成难熔的Al2O3氧化膜,并且熔池温度越高,表面氧化膜越厚。这种氧化膜既能形成焊缝夹渣,又直接影响焊缝金属的熔合,导致焊缝塑性差、承载能力低、抗冲击能力差。

  钢-铝激光焊接工艺研究

  钢、铝激光焊接的焊缝质量受多方面因素的影响,主要包括焊接工艺工夹、焊接工艺参数、焊接前处理、被焊接材料的物理性质等。其中焊接工艺参数的影响占主导地位,主要包括激光功率、离焦量、焊接速度、脉冲频率(连续模式无此项)、保护气体的类型及流量等。激光功率直接决定了光功率密度。若功率过小,材料因热输入过少、熔化量不够导致焊缝填充不足;功率过大又会引起材料汽化彤成等离子体屏蔽材料对激光吸收或者使焊后焊缝表面产生飞溅。激光焊接速度决定了焊池凝固时间的长短,进而影响内部晶粒的生长。若焊接速度过快,熔池内材料急剧冷却,得不到细化的晶粒,组织杂乱,力学性能差,某些情况下甚至会产生微裂纹、焊缝填充不足。另外,脉冲频率与焊接速度共同影响着焊缝质量,脉冲频率为30~60Hz时焊缝质量较好。离焦量是激光聚焦后光斑与材料表面的距离。光斑位于材料上方时为正离焦,反之为负。采用负焦量时更易获得高质量的焊缝且最佳离焦位于焊缝深度1/3处,焊缝能达最大焊深。保护气体的作用是包围焊池防止其氧化,并适当加速焊缝的冷却,减小焊缝热影响区宽度。保护气体的物理性质、导热系数、水中的溶解性等方面的差异对焊接质量的影响不同。密度较大的气体在高温下仍能够较好地处于焊接件的周围以防止焊接件氧化。气体密度对焊缝的影响比其电离产生的效应更大。

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