填充合金粉末對激光焊接性能的影響

1充填焊接絲的激光焊接由于高分辨率鉻焊接的重要性和困難，它一直是國內外研究人員的熱點。填充材料能改善焊縫的冶金性能,控制焊接裂紋,提高焊接接頭的質量,國內外對填充焊絲的激光焊接技術進行了大量研究,并實現(xiàn)了生產應用,如德國的“空中客車”飛機的機翼和隔板T型接頭的激光焊接。填充粉末材料的激光焊接技術不僅利用了填充材料的優(yōu)點,還可以突破填充焊絲的諸如頂絲、對送絲機構精度要求高等一些局限,已經成為激光焊接技術的一個新的發(fā)展方向。但是,合金粉末的加入影響激光與材料的相互作用,這方面的研究還鮮有報道。本文結合鋁合金的高功率CO2激光粉末焊接過程就填充粉末對高功率CO2激光焊接鋁合金的影響進行了實驗研究。2試驗條件2.1表面氧化的處理實驗采用A2219鋁合金板材,試樣尺寸為100mm×50mm×2mm,實驗前試樣表面采用化學處理方法除去表面氧化膜。化學處理是在70℃的8%NaOH溶液里浸泡3min后,在30%的HNO3溶液中浸泡直到表面恢復金屬亮色,然后清水沖洗、晾干。合金粉末材料是M52C-NS(AlSi12),顆粒尺寸為40~150μm。材料化學成分(質量分數(shù))如表1所示。2.2檢測設備和流程實驗裝置如圖1所示。使用的設備是RofinSinar公司生產的擴散型(Slab)CO2激光器,光束直徑?為17mm,模式為TEM00,光束質量參量K≥0.95,Kf=3.7(mm·mrad),最大輸出功率P為3500W,采用焦距f為300mm的銅拋物鏡聚焦,焦斑直徑D為268.4μm。實驗時配合使用北京工業(yè)大學激光工程研究院研制的PFL-1A型激光加工送粉器和新型雙層送粉噴嘴;光束質量采用德國LaserscopeUFF100光束診斷儀測量;等離子體的觀察采用日本Ultima102416kc型高速攝像儀,分辨率為1024×512,速率為16000f/s;焊縫熔寬和截面積采用Olycia.m3專業(yè)金相圖像分析系統(tǒng)分析測量。噴嘴的出粉頭內徑1.2mm,拘束輔助氣導管內徑6mm,最外層保護氣導管內徑10mm,合金粉末的載氣、噴嘴粉束匯聚氣及外層保護氣均采用氦氣。3結果與分析3.1激光功率密度下降在激光功率P=2500W,焊接速度V=7m/min,采用或不采用填充合金粉末時,熔深與離焦量的關系如圖2所示,采用填充粉末時的送粉量Q=7g/min。從圖2可以看出,隨著離焦量的變大,未填粉時焊接過程很快變成熱導焊。而在相同的條件下,填充合金粉末后,焊接過程轉變?yōu)闊釋Ш傅碾x焦量明顯增大,即激光功率密度降低。通過光束診斷儀分別測得在實驗條件下焊接過程由深熔焊變成熱導焊這一閾值點的光斑半徑和功率密度如表2所示。由表2可以看出,CO2激光焊接鋁合金時填充合金粉末可以明顯降低臨界激光功率密度。這一方面是在焊接過程中,激光與粉末質點狀態(tài)作用的熱傳導情況和激光與板材作用的二維甚至三維熱傳導相比,能量的損失要小得多,另一方面是因為合金粉末顆粒狀與板材的表面形態(tài)差異,它對激光能量的吸收率又要高得多。因此,在激光作用下,粉末材料更容易氣化和離化,形成金屬蒸氣和等離子體,而等離子體可以改善激光與工件的能量耦合,對工件和粉末材料還有預熱作用,使工件表面對激光的吸收增強,這樣更有利于氣化界面的形成,從而使激光深熔焊接的臨界功率密度降低。實驗數(shù)據(jù)表明填充合金粉末時的激光深熔焊接的功率閾值比不填粉末時降低了50%左右。3.2不同量f的焊縫截面能量在焊接速度V=7.5m/min,離焦量Δf=+5mm,送粉量Q=7g/min時,在完全焊透的情況下,采用和不采用填充合金粉末時焊縫熔寬和截面積隨激光功率變化如圖3(a),(b)所示。在功率P=2800W,V=7.5m/min,離焦量Δf=+5mm時,分別取填粉時和不填粉時的焊接過程穩(wěn)定區(qū)域的焊縫截面比較,如圖4所示。其中,送粉量Q=7g/min。由圖3可知,填充合金粉末之后,并沒有因合金粉末的加入消耗激光能量,使焊縫熔寬和焊縫橫截面積減小,二者反而都相應增加,可見熔池獲得的能量增加了。這是因為合金粉末的加入改變了對激光能量的吸收方式。在激光的作用下,合金粉末不僅可以直接吸收激光的能量,同時,經材料表面反射的激光進入粉末束后還會被粉末顆粒之間相互反射吸收,或是反射回材料表面。因此粉末束像一個能量陷阱俘獲激光和等離子體的能量,使激光能量的有效利用率大大提高。從圖3(a)還可以看出,隨著激光功率的上升,不填粉時熔寬增加的趨勢平坦;而填粉時,熔寬的增加趨勢明顯,從圖4可以看到,填粉后的焊縫飽滿,有一定的余高,無明顯裂紋和氣孔,且焊縫截面形狀更加理想。3.3試驗結果與分析比較在激光功率P=2800W,焊接速度V=7.5m/min,離焦量Δf=+5mm,填粉和不填粉時的焊接過程。發(fā)現(xiàn)在該參量下,不填充合金粉末時的焊縫魚鱗紋起伏較大,還容易出現(xiàn)不穩(wěn)定性孔洞,如圖5(b)所示。而填充合金粉末后(Q=7g/min),焊縫魚鱗紋致密均勻,表面過渡光滑,如圖5(a)所示。在功率P=2800W,焊接速度V=8m/min,離焦量Δf=+5mm,送粉量Q=7g/min,保護氣體流量q=18L/min的試驗參量下,通過高速攝像觀察光致等離子體現(xiàn)象,如圖6所示。圖6是分別在相同的試驗條件下,填粉和沒填粉時的焊接過程中最穩(wěn)定的0.1s內拍攝的200張圖片中等時間間隔取出的8張等離子體圖片。通過兩組圖片比較,可以發(fā)現(xiàn),填加合金粉末時的等離子體在高度方向上的起伏波動較不填粉末時明顯減小。在焊接過程中,合金粉末對等離子體的作用和填充焊絲時一樣,合金粉末的加熱和熔化都需要能量,這些能量部分是從等離子體中獲得的,而等離子體維持的條件是其吸收激光的能量足以補償因為熱傳導、熱輻射和對流引起的能量損失。等離子體形成吸收波傳播的距離是由這個條件決定的。在激光功率密度不變的情況下,為了補償合金粉末吸收等離子體的部分能量,等離子體要繼續(xù)維持就只有降低其吸收波的傳播距離,這也是圖6(b)中等離子體在高度方向的跳動比圖6(a)中小的原因。因此,填充合金粉末比不填充粉末時更容易使等離子體在工件表面獲得跳動幅度的相對穩(wěn)定性。可見,通過填加合金粉末,可以提高等離子體的穩(wěn)定性,使焊接過程更趨穩(wěn)定。4降低功率密度合金粉末的加入可降低激光焊接對激光能量