節能降耗和減輕環境污染是世界各國交通運輸業面臨的緊迫問題.為解決這一問題,各種輕質合金(如鋁、鎂合金) 越來越多地應用于交通運輸工具上.其中鋁合金具有十分優良的物理、機械力學性能,且重量輕,在汽車制造業得到了廣泛應用,其中濾清器就是較典型的應用之一.由于鋁合金的化學活潑性很強,表面極易形成氧化膜,且具有難熔性質,加之鋁合金導熱性強,焊接時容易造成不熔合現象;同時,氧化膜可以吸收較多的水分,從而導致焊縫氣孔的形成;此外,鋁合金的線膨脹系數大,導熱導電性強,焊接時容易產生咬邊、翹曲變形等缺陷,并且焊后接頭力學性能下降.采用常規的氬弧焊( TIG) 和惰性氣體熔化級電弧(MIG)方法焊接鋁合金時,容易產生氣孔、焊接裂紋以及焊接變形大等問題,制約了其在工業中的應用推廣.與常規的焊接方法相比,激光焊接是一種功能多、適應性強、可靠性高的精密焊接方法,且易于實現自動化.由于激光高的功率密度,焊接時熱輸入量低,在保證熔深的基礎上,焊接熱影響區小,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、高性能激光加工設備的不斷開發, 使得鋁合金激光焊接技術在汽車制造業得到了廣泛應用.

    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影響因素.濾清器焊縫為環焊縫,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.

    車用鋁合金濾清器激光焊接工藝研究

    圖1 樣件

    1 設備、材料及方法

    設備:Trumpf 3001激光器和焊接頭(光學配置:聚焦鏡焦長為300mm、準直鏡200mm、光纖芯徑300μm),如圖2所示;

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    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,工件繞固定軸旋轉實現環焊縫焊接,焊接過程采用高純Ar氣旁軸保護.

    2 焊接工藝易出現的問題

    1、保護氣吹向導致的問題:當保護氣吹向與工件旋轉方向同向時,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,焊后焊縫表面發黑且成形很差(如圖3所示).

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    圖3 保護氣吹向與工件旋轉方向同向形成的焊縫形貌

    2、使用小內徑氣管導致保護范圍過窄,且單位面積氣體吹力過大:如當采用內徑為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,導致焊后焊縫下塌(如圖5所示).另外,小內徑銅管的氣體吹向面積小,氣體吹力較大,也易導致焊縫成形不穩定.

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    3、保護氣不純導致焊縫局部氧化,表面發黃:由于鋁合金化學性質較活潑,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的侵入,也會導致焊縫局部氧化,甚至焊接不良,如圖6所示.

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    圖6 保護氣不純導致的焊縫不良

    4、工藝參數不匹配導致的焊接不良:激光焊接根據熔深的不同分為熱導焊(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),熱導焊時淺層金屬主要靠表面吸收激光能量后向下的熱傳導而被加熱至熔化,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現存在一個激光能量密度閾值,若低于此值,焊件僅發生表面熔化,焊接以熱傳導型進行,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,等離子體產生,同時誘導出小孔,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,易導致因熱輸入過大使得焊縫凹陷,咬邊嚴重,如圖7a所示.在能量小于激光能量密度閾值時,會出現明顯的熱傳導焊形貌,如圖7b所示.

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    圖7 激光功率對焊縫成形的影響

    3 解決方法和結果

    1、針對保護氣體吹力過大且吹向面積過小而導致熔池不穩定、焊縫保護范圍過窄的問題,采用內徑較大的保護氣管(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.

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    圖8 大內徑氣管保護

    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時間100ms、下坡調時間300ms,以減小收弧處形成的弧坑.

    選取表1參數作為優化的焊接工藝參數,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.

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    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,且內部無氣孔、裂紋等缺陷.