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工艺参数对激光钎焊焊缝成形的影响
来源:华工激光法利莱 作者:沈义 浏览次数:0
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1 前言
  镀锌板在工业中应用广泛,但由于镀锌层的存在,使得在激光自熔焊接镀锌板过程中,极易产生气孔,焊缝成型不能满足要求。而现有的工艺方法虽然可以在一定程度上保证焊缝成型,但是不可避免存在各种弊端。例如:去除镀锌层,需要增加一道工序,降低了效率;预留间隙,除了增加工序外,间隙处的焊缝抗腐蚀性能降低;双热源法,则对设备和工艺提出了更高的要求。
  另一方面,锌的熔点约为 420 ℃,沸点为 906 ℃,在激光深熔焊较大的热输入条件下,焊缝两侧的镀锌层极易损失。激光高温钎焊是在电弧钎焊的基础上发展起来的一种新的局部硬钎焊技术。
  国外大型汽车厂商已先后将镀锌板激光钎焊技术应用于车顶、行李箱盖等部位的焊接,以替代点焊与激光自熔焊;而自主车型目前应用较少。
2 实验过程
  2.1 实验材料与设备
  本实验中选用的材料为连续热镀锌钢板,牌号为:DC54D+ZF,其规格和化学成分分别见表2-1、图2-1和表2-2。

 
型号
厚度(mm)
尺寸(mm)
试板1
DC54D+ZF
0.7
300×150
试板2
DC54D+ZF
0.8
300×100

2-1   试板规格
\
2-1 卷边对接试板尺寸

牌号
化学成分 %
C
Mn
P
S
Alt
Ti
DC54D+ZF
0.01
0.3
0.025
0.02
0.015
0.1
2-2 材料的化学成分

实验中所用焊丝为CuSi3,焊丝直径1.6mm,焊丝的固液相线温度分别为910℃和1025℃。焊丝成份如表2-3所示。

牌号
Cu
Al
Si
Zn
Mn
P
Pt
Sn
Fe
其他
CuSi3
余量
0.01
2.8-4.0
0.2
0.5-1.5
0.02
0.02
0.2
0.3
0.4
2-3 焊丝化学成分表
\
2-3 机器人和焊接头


  本实验所采用主要设备为4kW光纤激光器、ABB机器人、福尼斯焊机等。实验设备如图2-3所示。
  2.2 实验过程
  在激光钎焊过程中,主要考虑的工艺参数有:激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量。实验前期,为保证板材装夹的准确性,对板材折弯边缘的加工毛刺进行打磨;实验前需对板材焊接部位的油污进行清洗。实验中所用的参数如表2-4。

设备
变量
单位
变量取值
ABB机器人
焊接速度
m/min
0.8、1.0、1.2、1.4、1.6
福尼斯焊机
送丝速度
m/min
2.4
IPG光纤激光器
(4kW)
激光功率
kW
2.8、3.1、3.4、3.7、4
离焦量
mm
45
2-4 实验参数
\
图2-4 焊枪与焊接头相对位置

  实验中,焊接速度的调节通过改变机器人手臂的运动速度来实现;送丝速度由福尼斯焊机控制。沿焊接方向,焊枪在前,保护气在后侧送入,如图2-4所示。实验前需要对焊枪位置进行精确调整,应保证在垂直于焊接方向,焊丝位于光斑中心;在确定的离焦量下,沿焊接方向焊丝与光斑位置适当。
3 工艺参数对激光钎焊焊缝成形的影响
  3.1 焊缝的宏观形貌分析
  典型的激光钎焊焊缝形貌如图3-1所示。由图3-1 a)可以看出,激光钎焊焊缝表面均匀、光亮。焊缝两侧母材出现发黑区域,为母材表面镀锌层损失与钢板氧化所致,该区域的大小与焊接参数有关,适当的参数下,可以基本消除该种不良现象。由3-1 b)可以看出,激光钎焊中,钎料填充在卷边板材的圆角处,两侧分别形成圆弧状的连接线,通过连接线的冶金结合,实现连接。焊缝上部的形状与填丝量的大小有关。

\\
a) 焊缝表面成形                        b) 焊缝横截
图3-1 激光钎焊焊缝形貌

  3.2 激光功率的影响
  实验中,焊接参数为:焊接速度:1.4m/min,送丝速度:2.4m/min,实验所得结果如图3-2和图3-3。

\

3-2 焊缝底部宽度随激光功率的变化

  由图3-2可以看出,随着激光功率的增大,焊缝底部宽度呈现下降趋势,其主要原因是,当激光功率增大时,钎料温度更高,流动性更好,能够填充下部更加细小的区域,因此焊缝下部宽度减小。

\
图3-3 焊缝上部宽度随激光功率的变化

  图3-3是焊缝上部宽度随激光功率的变化趋势。由图3-3可以看出,焊缝上部宽度随着激光功率的增加而减小,并且呈现趋于平缓的趋势。其原因为,随着激光功率的增大,钎料流动性增强,更易向圆角区域底部流动并且填充空间较小的底部区域,因此上部的填充量减小。因此,焊缝上部区域的宽度更大。
  3.3 焊接速度的影响
  在激光钎焊中,焊接速度是重要参数之一,在本实验中,所取焊接参数如下:激光功率为3.1kW,送丝速度为2.4m/min。焊接速度对焊缝底部与上部宽度的影响如图3-4与3-5所示。

\
图3-4 焊缝底部宽度随焊接速度的变化

  由图3-4可以看出,焊缝底部宽度随焊接速度的增大呈现先减小后增大的趋势。原因分析如下:焊接速度对激光钎焊的影响表现在如下两方面:第一,在送丝速度不变的情况下,焊接速度的提高使得填丝量减少,钎料可以达到更高的温度,有利于钎料的铺展;第二,焊接速度的提高,使得激光对焊丝的加热时间缩短,不利于钎料的熔化与铺展;两者共同作用导致图示结果。

\
图3-5焊缝上部宽度随焊接速度的变化

  由图3-5可以发现,焊缝上部宽度随焊接速度增大同样呈现先减小后增大的趋势。其主要原因在于,当焊接速度小于1.0mm时,随着焊接速度的增大,填丝量减小,钎料流动性增强,钎料更容易填充在圆角下部区域,因此焊缝上部宽度减小;当焊接速度大于1.0m/min时,填充量继续减小,钎料的重力作用减小,导致钎料铺展性降低,钎料填充位置整体上移,焊缝上部宽度增大。
  3.4送丝速度与离焦量的影响
  除了激光功率与焊接速度以外,送丝速度是直接影响钎料填充量的主要参数,送丝速度的大小直接决定焊缝的横截面形状。当钎料铺展性能恒定时,通过送丝速度主要决定焊缝表面形状,当送丝速度较大时,焊缝表面呈现上凸的圆弧形状;当送丝速度较小时,焊缝表面可呈现下凹的圆弧形状。另外,当送丝速度较大时,会对焊接稳定性造成影响,出现不稳定缺陷。
  研究发现,除了激光功率、焊接速度与送丝速度以外,离焦量是决定激光能量密度的重要参数。在激光钎焊过程中,较小的离焦量可以在较小的激光功率和较大的送丝速度下,得到良好的焊缝成形。也就是说在降低能耗的同时,可以提高效率。但是,较小的离焦量使得光斑直径较小,焊缝宽度不能得到保证,焊缝强度可能无法保证,同时,较小的光斑对焊丝位置提出了更严格的要求。因此,在实验过程中选择合适的离焦量,不仅有利于获得满意的宏观成形,也有利于稳定实验条件和得到足够的焊缝质量。
4 结论
  (1) 在激光钎焊过程中,激光功率、焊接速度是影响能量输入的主要因素,送丝速度决定钎料填充量的大小。
  (2) 激光功率对钎料的铺展性能起主导作用。随着激光功率的增大,焊缝上部与下部宽度均呈现下降趋势。
  (3) 焊接速度影响钎料铺展性能与钎料铺展时间。随着焊接速度的增大,焊缝上部与下部宽度呈现先降低后增大的趋势。
  (4) 离焦量主要影响焊缝宽度。通过调节离焦量可以提高焊丝位置的宽容度。

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