專利名稱：一種避免夾渣的提高鋁合金激光吸光率的激光焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋁合金的激光焊接方法，屬于激光焊接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光焊是在最近幾十年發(fā)展起來(lái)的新型焊接技術(shù)，具有熱輸入少，能量密度集中、熱影響區(qū)變形小，可獲得較大熔深等優(yōu)點(diǎn)，特別是和機(jī)器人相結(jié)合，可充分發(fā)揮出焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前激光焊接在工業(yè)生產(chǎn)中有著越來(lái)越多的應(yīng)用。然而，在鋁合金的激光焊接的過(guò)程中，也存在著很多的缺點(diǎn)和問(wèn)題。最嚴(yán)重的問(wèn)題就是由于鋁及鋁合金對(duì)激光的初始反射率高，在激光焊接時(shí)導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定，由于高的反射率使的大部分能量都被反射掉而不能被鋁基體吸收。典型的鋁合金對(duì)波長(zhǎng)為10. 6 μ m的CO2激光反射率高達(dá)97%以上，同時(shí)由于鋁合金自身高的導(dǎo)熱性能(大多數(shù)鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)越為普通碳鋼的3倍)，這種 情況造成激光焊接困難，很多時(shí)候不能熔化成型，典型的CO2激光束當(dāng)功率為3Kw時(shí)掃描光潔的鋁合金表面，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?qū)p害設(shè)置甚至威脅操作人員的人身安全。所以鋁合金對(duì)激光的高反射率以及高的熱導(dǎo)率、在很大程度上限制了鋁合金激光焊接的廣泛應(yīng)用。為了改善激光鋁合金激光焊接過(guò)程中高反射率的難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外有的學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題已做了大量的實(shí)驗(yàn)研究。研究表明，對(duì)鋁合金進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理如砂紙打磨、表面化學(xué)浸蝕、石墨涂層、空氣爐中氧化等可以減少鋁合金對(duì)光束的反射，從而都可以改善對(duì)光束能量的吸收。但是以氧化層促進(jìn)激光能量吸收的方法雖然可以解決激光吸收率的問(wèn)題，但是又帶來(lái)了另外一個(gè)鋁合金焊接過(guò)程中力圖極力避免的問(wèn)題，即氧化物的夾渣問(wèn)題。鋁合金的氧化膜具有很高的熔點(diǎn)(Al2O3熔點(diǎn)約為2050°C，MgO熔點(diǎn)約為2500°C )，且氧化物膜密度與鋁的密度接近。這意味著在焊接鋁合金的過(guò)程中，加上鋁的冷卻速度快，很容易造成夾渣，形成焊接缺陷。這兩個(gè)問(wèn)題相互矛盾影響著激光焊接在鋁合金領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)以上相互矛盾的兩個(gè)問(wèn)題，提供一種避免夾渣的且提高鋁合金激光吸光率的激光焊接方法，該方法既能提高激光吸收率又能避免夾渣。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種避免夾渣提高鋁合金激光吸光率的激光焊接方法，包括步驟如下(I)對(duì)鋁合金要焊接的部分進(jìn)行清潔，除去油脂及氧化膜；(2)對(duì)要焊接的部位進(jìn)行陽(yáng)極氧化，獲得厚度O. 2-3 μ m的多孔薄膜；(3)在陽(yáng)極氧化的環(huán)境下，施加反向電壓處理1-3分鐘，獲得多孔膜與基體部分分離的效果；(4)對(duì)氧化膜進(jìn)行深色染色處理；(5)染色后進(jìn)行干燥處理；(6)在要焊接的部分涂覆去除氧化膜的涂液；
(7)激光焊接。上述步驟(I)中去除氧化膜可以采用堿液清洗及機(jī)械除非等。步驟(2)中所述的陽(yáng)極氧化采用磷酸氧化工藝，150_300g/L的磷酸中，25±3°C，電流密度I. 1-1. 6A/dm2，氧化時(shí)間1-10分鐘。步驟(4)所述的染色處理優(yōu)選黑色染色，可以采用的染料包括苯胺黑、酸性黑(ATT)、醋酸藍(lán)黑等，典型的濃度在5-20g/L，溫度根據(jù)選取的染料不同，在室溫至70°C之間，時(shí)間2-15分鐘。步驟(5)所述的采用吹風(fēng)機(jī)吹干。步驟(6)所述的涂液是氯化物、氟化物與溶劑的混合物，其優(yōu)選的質(zhì)量份比組成為30-60份KCl，20-40份NaCl，10-20份LiCl3,10-12份NaF，用適量丙酮調(diào)配成稀糊狀。(這些氯化物不溶于丙酮，丙酮的作用類似于水，但是可以快速干燥，每100克氯氟化物用200·毫升-500毫升丙酮調(diào)配。)步驟(7)所述的激光焊接采用常規(guī)工藝，對(duì)于板厚2_5mm的試板，可以選擇CO2器激光器焊接或固體激光器焊接。選擇CO2氣體激光器，功率范圍在2KW-4KW，掃描速度100mm-300mm每分鐘；使用固體激光器時(shí)，功率600w-2000W，掃描速度100mm-300mm每分鐘。將已經(jīng)被陽(yáng)極氧化處理的試樣反向加電壓1-3分鐘，其目的是降低已經(jīng)形成的氧化膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度(長(zhǎng)時(shí)間施加反向電壓可獲得膜剝離的效果)，為避免下一步的焊接夾雜做準(zhǔn)備；由于得到的氧化膜由于很薄，顏色很淺，進(jìn)一步做染色處理；激光焊接前在焊接部分涂覆去除氧化膜的溶劑，在焊接過(guò)程中可有效避免氧化膜進(jìn)入熔池形成夾渣。本發(fā)明首先清除掉原來(lái)鋁合金表面致密的氧化膜，然后用陽(yáng)極氧化法形成幾個(gè)微米厚的多孔膜，并進(jìn)行染色處理來(lái)提高對(duì)激光吸收，在用激光焊接的時(shí)候配合合適的溶劑達(dá)到去除氧化膜獲得良好焊接接頭的效果。本發(fā)明采用的是磷酸陽(yáng)極氧化獲得多孔膜，與自然形成的致密氧化膜有本質(zhì)的不同，首先多孔膜中的多孔的存在可極大改變光的漫散射，提高對(duì)激光的吸收效率，另外對(duì)于染色處理時(shí)能被短時(shí)間內(nèi)有效染色也是有利的，即獲得薄層深色膜的效果；另外在進(jìn)行反向極化后，極大地降低了陽(yáng)極氧化膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，便于在溶劑的作用下和熔池剝離，避免進(jìn)入熔池形成夾渣。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例I所得焊接產(chǎn)品焊接處的形貌；圖2為對(duì)比例I產(chǎn)品焊接處形貌，從右到左功率分別為3KW，3. 5KW以及4KW ；圖3為對(duì)比例2產(chǎn)品焊接處形貌(功率為3. 5KW時(shí)的截面)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)施例I :選用5083鋁板作為被焊材料。(I)用角磨機(jī)或金屬刷去除表面氧化膜后再用丙酮進(jìn)行清洗；(2)在磷酸溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，250g/L磷酸，25°C，電流密度I. 2A/dm2，氧化時(shí)間5分鐘；(3)將步驟⑵的電壓進(jìn)行反接3分鐘；(4)對(duì)試樣表面的氧化膜用苯胺黑進(jìn)行染色處理，濃度為10g/L，室溫，染色時(shí)間為5分鐘；( 5 )用吹風(fēng)機(jī)干燥處理；(6)在被焊接出涂覆去除氧化膜的溶劑，溶劑的重量配比為50%KCl，28%NaCl，12%LiCl3，10%NaF。用丙酮涂覆于被焊接處；(7)然后用CO2氣體激光器進(jìn)行焊接，功率范圍在2. 5KW，掃描速度200mm每分鐘。圖I是光斑直徑3mm，功率為2. 5Kw時(shí)候的利用本方法獲得的熔深，熔深大約為2毫米。而對(duì)于光潔的鋁合金，如果不采用任何處理時(shí)，激光掃過(guò)的表面甚至看不到燒灼的痕 跡，無(wú)熔深產(chǎn)生。實(shí)施例2 選用5083鋁板作為被焊材料。(I)用角磨機(jī)或金屬刷去除表面氧化膜后再用丙酮進(jìn)行清洗；(2)在磷酸溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，280g/L磷酸，25°C，電流密度I. 5A/dm2，氧化時(shí)間4分鐘；(3)將步驟⑵的電壓進(jìn)行反接2分鐘；(4)對(duì)試樣表面的氧化膜用苯胺黑進(jìn)行染色處理，濃度為15g/L，室溫，染色時(shí)間為4分鐘；( 5 )用吹風(fēng)機(jī)干燥處理；(6)在被焊接出涂覆去除氧化膜的溶劑，溶劑的重量配比為52%KCl，26%NaCl，ll%LiCl3，ll%NaF。用丙酮涂覆于被焊接處；(7)然后用CO2氣體激光器進(jìn)行焊接，功率范圍在3. 5KW，掃描速度300mm每分鐘。實(shí)施例3 選用5083鋁板作為被焊材料。(I)用角磨機(jī)或金屬刷去除表面氧化膜后再用丙酮進(jìn)行清洗；(2)在磷酸溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，290g/L磷酸，25°C，電流密度I. 6A/dm2，氧化時(shí)間4分鐘；(3)將步驟⑵的電壓進(jìn)行反接3分鐘；(4)對(duì)氧化膜用酸性黑進(jìn)行染色處理，濃度為17g/L，室溫，染色時(shí)間為4分鐘；
(5 )用吹風(fēng)機(jī)干燥處理；(6)在被焊接出涂覆去除氧化膜的溶劑，溶劑的重量配比為45%KCl，30%NaCl，15%LiCl3，10%NaF。用丙酮涂覆于被焊接處；(7)然后用固體激光器進(jìn)行焊接，激光功率為lKw，掃描速度250mm每分鐘。對(duì)比例I :作為一個(gè)對(duì)比，圖2是同樣的鋁板不經(jīng)處理采用CO2氣體激光器焊接熔深的情況，從右到左的功率分別為3KW，3. 5KW以及4KW，光斑直徑3臟，掃描速度為200mm每分鐘。當(dāng)表面打磨至光亮?xí)r,基本沒(méi)有熔池形成,僅能看到輕微的燒灼痕跡。對(duì)比例2 :同樣的鋁板采用空氣爐氧化后，用CO2氣體激光器焊接，吸光率得到了改善，但是依然不理想，3KW僅能看到燒灼痕跡，3. 5KW獲得斷續(xù)焊縫，當(dāng)功率達(dá)到4KW時(shí)才可以獲得合適的熔深焊道，但是氣孔及夾雜嚴(yán)重 ，見(jiàn)圖3。
權(quán)利要求
1.一種避免夾渣的提高鋁合金激光吸光率的激光焊接方法，其特征是，包括步驟如下 (1)對(duì)鋁合金要焊接的部分進(jìn)行清潔，除去油脂及氧化膜； (2)對(duì)要焊接的部位進(jìn)行陽(yáng)極氧化，獲得厚度O.2-3 μ m的多孔薄膜； (3)在陽(yáng)極氧化的環(huán)境下，施加反向電壓處理1-3分鐘，降低多孔膜與基體的結(jié)合力； (4)對(duì)氧化膜進(jìn)行深色染色處理； (5)染色后進(jìn)行干燥處理； (6)在要焊接的部分涂覆去除氧化膜的涂液； (7)激光焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種避免夾渣的提高鋁合金激光吸光率的激光焊接方法，其特征是，步驟(2)中所述的陽(yáng)極氧化采用磷酸氧化工藝，在150-300g/L的磷酸中，25±3°C，電流密度I. 1-1. 6A/dm2，氧化時(shí)間1-10分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種避免夾渣的提高鋁合金激光吸光率的激光焊接方法，其特征是，步驟(4)所述的染色處理為黑色染色處理，采用的染料為苯胺黑、酸性黑或醋酸藍(lán)mO
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種避免夾渣的提高鋁合金激光吸光率的激光焊接方法，其特征是，步驟(6)所述的涂液是氯化物、氟化物與溶劑的混合物，其質(zhì)量份比組成為30-60份KCl，20-40份NaCl，10-20份LiCl3,10-12份NaF，采用丙酮調(diào)制成稀糊狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種避免夾渣的提高鋁合金激光吸光率的激光焊接方法，首先清除掉原來(lái)鋁合金表面致密的氧化膜，然后用陽(yáng)極氧化法形成幾個(gè)微米厚的多孔膜，并進(jìn)行染色處理來(lái)提高對(duì)激光吸收，焊接前在被焊部位涂覆焊接時(shí)可去除氧化膜的溶劑，然后用激光焊接。本發(fā)明采用的是磷酸陽(yáng)極氧化獲得多孔膜，與自然形成的致密氧化膜有本質(zhì)的不同，首先多孔膜中的多孔的存在可提高對(duì)激光的吸收效率，另外對(duì)于染色處理時(shí)能被短時(shí)間內(nèi)有效染色也是有利的，即獲得薄層深色膜的效果；另外在進(jìn)行反向極化后，極大地降低了陽(yáng)極氧化膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，焊接時(shí)在氧化膜去除溶劑的作用下，便于和熔池剝離，避免進(jìn)入熔池形成夾渣。
文檔編號(hào)B23K26/20GK102896431SQ20121039594
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者張忠文, 李新梅, 杜寶帥 申請(qǐng)人:山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司