車用鋁合金濾清器激光焊接工藝研究

　　節(jié)能降耗和減輕環(huán)境污染是世界各國交通運輸業(yè)面臨的緊迫問題。為解決這一問題，各種輕質(zhì)合金(如鋁、鎂合金) 越來越多地應(yīng)用于交通運輸工具上。其中鋁合金具有十分優(yōu)良的物理、機械力學(xué)性能，且重量輕，在汽車制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，其中濾清器就是較典型的應(yīng)用之一。由于鋁合金的化學(xué)活潑性很強，表面極易形成氧化膜，且具有難熔性質(zhì)，加之鋁合金導(dǎo)熱性強，焊接時容易造成不熔合現(xiàn)象；同時，氧化膜可以吸收較多的水分，從而導(dǎo)致焊縫氣孔的形成；此外，鋁合金的線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱導(dǎo)電性強，焊接時容易產(chǎn)生咬邊、翹曲變形等缺陷，并且焊后接頭力學(xué)性能下降。采用常規(guī)的氬弧焊( TIG) 和惰性氣體熔化級電弧(MIG)方法焊接鋁合金時，容易產(chǎn)生氣孔、焊接裂紋以及焊接變形大等問題，制約了其在工業(yè)中的應(yīng)用推廣。與常規(guī)的焊接方法相比，激光焊接是一種功能多、適應(yīng)性強、可靠性高的精密焊接方法，且易于實現(xiàn)自動化。由于激光高的功率密度，焊接時熱輸入量低，在保證熔深的基礎(chǔ)上，焊接熱影響區(qū)小，焊接變形小，激光焊接不需要真空裝置，因此激光焊接具有質(zhì)量高、精度高、速度高的特點。同時隨著大功率、高性能激光加工設(shè)備的不斷開發(fā), 使得鋁合金激光焊接技術(shù)在汽車制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

　　本文以車用鋁合金濾清器為研究對象，分析了車用鋁合金濾清器焊接的工藝要點及相關(guān)影響因素。濾清器焊縫為環(huán)焊縫，接頭為鎖底對接，要求焊縫表觀均勻美觀，熔寬達2mm以上，熔深達1.5mm以上，樣件如圖1所示。

　　圖1 樣件

　　1 設(shè)備、材料及方法

　　設(shè)備：Trumpf 3001激光器和焊接頭（光學(xué)配置：聚焦鏡焦長為300mm、準(zhǔn)直鏡200mm、光纖芯徑300μm），如圖2所示：

　　圖2 Trumpf激光器和焊接頭

　　材料：6系鋁合金；

　　方法：激光焊接頭在固定位置不動，工件繞固定軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)環(huán)焊縫焊接，焊接過程采用高純Ar氣旁軸保護。

　　2 焊接工藝易出現(xiàn)的問題

　　1、保護氣吹向?qū)е碌膯栴}：當(dāng)保護氣吹向與工件旋轉(zhuǎn)方向同向時，即保護氣后吹，因而焊接過程中保護氣不能及時將待焊焊縫處空氣排開，易導(dǎo)致焊接過程中空氣的混入，從而使得焊縫極易氧化，焊后焊縫表面發(fā)黑且成形很差（如圖3所示）。

　　圖3 保護氣吹向與工件旋轉(zhuǎn)方向同向形成的焊縫形貌

　　2、使用小內(nèi)徑氣管導(dǎo)致保護范圍過窄，且單位面積氣體吹力過大：如當(dāng)采用內(nèi)徑為4mm單銅管保護氣保護，且樣件是豎直擺放時（如圖4所示），由于液態(tài)鋁合金流動性較大，在保護氣吹力和自身重力等因素的作用下，熔池中的鋁合金易往重力方向下流，導(dǎo)致焊后焊縫下塌（如圖5所示）。另外，小內(nèi)徑銅管的氣體吹向面積小，氣體吹力較大，也易導(dǎo)致焊縫成形不穩(wěn)定。

　　3、保護氣不純導(dǎo)致焊縫局部氧化，表面發(fā)黃：由于鋁合金化學(xué)性質(zhì)較活潑，在高溫下極易氧化，因而焊接鋁合金濾清器時保護氣要采用高純氬氣（純度99.99%），采用純氬（純度99.9%）保護時，由于高溫焊接時氣體雜質(zhì)的侵入，也會導(dǎo)致焊縫局部氧化，甚至焊接不良，如圖6所示。

　　圖6 保護氣不純導(dǎo)致的焊縫不良

　　4、工藝參數(shù)不匹配導(dǎo)致的焊接不良：激光焊接根據(jù)熔深的不同分為熱導(dǎo)焊（功率密度在105 W/ cm2 —— 106 W/ cm2 之間）和深熔焊（功率密度在106 W/ cm2 —— 107 W/ cm2之間），熱導(dǎo)焊時淺層金屬主要靠表面吸收激光能量后向下的熱傳導(dǎo)而被加熱至熔化，形成的焊縫近半圓型，焊縫熔深較淺。在激光焊接過程中小孔的出現(xiàn)可大大提高材料對激光的吸收率，小孔作為一個黑體可使焊件獲得更多的能量耦合，這是獲得良好焊接質(zhì)量的前提條件。鋁合金對激光具有極高的初始反射率，對C02激光束的反射率可達96％，對Nd：YAG激光束的反射率也接近80％。鋁合金的熱導(dǎo)率在室溫下約為普通中碳鋼的3倍，因此在實際焊接鋁合金過程中，需要保證足夠的激光功率，以獲得需要的熔深。在不同鋁合金的激光焊接中都發(fā)現(xiàn)存在一個激光能量密度閾值，若低于此值，焊件僅發(fā)生表面熔化，焊接以熱傳導(dǎo)型進行，熔深很淺，僅在表面形成一道激光沖擊痕，而一旦達到或超過此值，等離子體產(chǎn)生，同時誘導(dǎo)出小孔，熔深大幅度提高。因而鋁合金激光焊接若想達到深熔焊效果，需要達到一定功率值。但功率也不能達大，易導(dǎo)致因熱輸入過大使得焊縫凹陷，咬邊嚴(yán)重，如圖7a所示。在能量小于激光能量密度閾值時，會出現(xiàn)明顯的熱傳導(dǎo)焊形貌，如圖7b所示。

　　圖7 激光功率對焊縫成形的影響

　　3 解決方法和結(jié)果

　　1、針對保護氣體吹力過大且吹向面積過小而導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定、焊縫保護范圍過窄的問題，采用內(nèi)徑較大的保護氣管（直徑9mm）替代，如圖8所示。該氣管能在對熔池形成較大保護范圍的前提下，減弱氣體對熔池成形的干擾。

　　圖8 大內(nèi)徑氣管保護

　　2、為了滿足焊縫表面成形均勻美觀和熔寬2mm以上的要求，采用了慢速、離焦焊接。另外焊接過程中采取上坡調(diào)時間100ms、下坡調(diào)時間300ms，以減小收弧處形成的弧坑。

　　選取表1參數(shù)作為優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)，焊后樣件如圖9所示，收弧形貌如圖10所示。焊縫表面形貌和橫斷面形貌分別如圖11和圖12所示。

　　從圖9、圖10和圖11中可以看出，焊縫表面形成細密且均勻一致的魚鱗紋形貌，并且沒有任何表面裂紋和氣孔等缺陷，另外收弧弧坑大大減小。從圖12中可以檢測出，焊縫熔寬達2.5mm，熔深達1.7mm，且內(nèi)部無氣孔、裂紋等缺陷。