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      工業應用
      PAM點環能量可調激光器對3系鋁合金焊接氣孔率的影響
      材料來源:飛博激光           錄入時間:2024/4/9 22:30:00

      隨著國內市場對電動汽車需求的持續增長,純電動汽車和燃料電池汽車將共同主導中國新能源汽車市場的未來發展。電動汽車的輕量化和電池的大量使用,必然涉及到越來越多的鋁合金焊接工藝。鋁合金具有良好的物理性能、化學性能和機械性能,是工業生產中一種重要的輕金屬材料;傳統的焊接工藝焊接速度慢、生產效率低,而且焊接熱輸入大,鋁合金焊接變形明顯,同時焊接接頭處晶粒粗大,從而導致產品質量較差。而激光作為一種高能量密度的熱源,具有較快的焊接速度和較小的熱輸入,焊接變形小,因此獲得的產品質量也較為優異。

      01 實驗條件與方法

      1.1  實驗設備

      采用飛博YDFL-2000/2000-PAM點環能量可調激光器、常規YDFL-3000-CW-MM激光器,二維掃描振鏡、大理石三軸龍門焊接平臺、JZX91熔深顯微鏡、金相磨拋機、金相切割機等;綜合運用以上實驗設備和工具,本文將具體測試PAM點環能量可調激光器對3系鋁合金焊接氣孔率的影響。

      1.2  實驗材料

      3系鋁合金具有良好的防銹性、成形性、焊接性、耐蝕性等特點,其中3003鋁合金為AL-Mn系合金,通常用于新能源電池、動力電池等材料,本次實驗采用3003鋁合金材料進行激光焊接測試,焊接接頭采用拼接的方式,將工件切割成100mm×60mm×3mm板材進行拼接焊。

      3003 鋁合金標準化學成分表

      1.3  實驗方法

      在焊接前用丙酮溶液超聲波清洗器對試樣進行25分鐘的清洗,以清除試樣表面的油污等雜質,確保焊接工件表面干凈。

      焊后對表面焊縫成形質量進行檢查,用線切割機床沿平行于焊縫方向切割金相試樣,金相試樣依次使用400#、600#和800#砂紙打磨焊縫橫截面,然后使用FH氫氟酸水溶液對試樣進行腐蝕,用焊縫測量軟件測量焊縫截面氣孔大小,計算出整條焊縫的氣孔率。

      采用飛博YDFL-2000/2000-PAM點環能量可調激光器在離焦量+1mm、加螺旋軌跡擺動焊接和直線軌跡焊接的條件下分別找出焊接熔深2.0mm的工藝參數,分別焊接一條長度為80mm的焊縫,然后沿焊縫水平方向一側切開做金相,用焊縫測量軟件測量焊縫氣孔大小,計算出整條焊縫的氣孔率。

      用常規YDFL-3000-CW-MM激光器在離焦量+1mm、直線軌跡焊接的條件下找出焊接熔深2mm的工藝參數,焊接一條長度為80mm的焊縫,然后沿焊縫水平方向一側切開做金相,用焊縫測量軟件測量焊縫氣孔大小,計算出整條焊縫的氣孔率。

      采用飛博YDFL-2000/2000-PAM點環能量可調激光器在離焦量+1mm、螺旋軌跡擺動焊接、熔深為2.0mm的工藝參數下焊接五組長度為80mm的焊縫,然后沿焊縫水平方向一側切開做金相,用焊縫測量軟件測量每條焊縫的氣孔大小,計算出整條焊縫的氣孔率,最后算出五條焊縫的平均氣孔率。

      02 實驗結果與分析

      2.1  不同組合焊接對鋁合金焊縫氣孔率的影響

      飛博PAM激光器+螺旋線擺動焊接(氣孔率0.41%)

      飛博PAM激光器無擺動焊接(氣孔率0.75%)

      常規激光器無擺動焊接(氣孔率2.67%)

      如上圖所示,飛博PAM點環能量可調激光器相比于常規激光器焊接鋁合金時能有效降低氣孔率,再與螺旋線擺動相組合,可以將氣孔率降至0.5%以內;從焊縫金相截面圖可以看出飛博PAM點環能量可調激光器焊接的焊縫表面平整度、熔深一致性比常規激光器更加出色。

      鋁合金焊接接頭產生的氣孔種類主要是氫氣孔以及部分匙孔塌陷形成的氣穴:

      氫氣孔:鋁合金在高溫下表面極易形成氧化膜,氧化膜容易吸附環境中的水分;激光加熱時,水分解產生氫,而氫在液態鋁中的溶解度約為其在固態鋁中溶解度的20倍,熔池內會溶入大量的氫,當激光離開時熔池溫度迅速下降,這時氫的溶解度隨溫度降低急劇減小,就會有大量的氫溢出;但由于鋁結晶速度較塊,并且鋁合金密度小,形成的氣泡在熔池中受到的浮力較小,上浮速度慢,熔池結晶后,還會有許多氣泡來不及浮出,滯留在焊縫中形成氫氣孔。

      匙孔塌陷:主要是由于小孔表面張力大于蒸氣壓力,不能維持穩定的匙孔,導致匙孔塌陷,液態金屬來不及填充從而形成氣穴。

      飛博PAM點環能量可調激光器相比于常規激光器多了一路外環光束,焊接時可以起到材料表面預熱、降低熔池凝固速度、形成一個穩定大熔池的作用,從而在焊接鋁合金時對抑制飛濺、降低氣孔率、防止裂紋、提高焊縫表面質量等效果顯著。

      采用飛博PAM點環能量可調激光器+螺旋線擺動相組合的焊接方式可以將氣孔率降至很低,螺旋線軌跡焊接時可以對熔池進行攪拌,既可以使熔融金屬分布均勻,也能讓熔池凝固速度進一步降低,有足夠的時間讓氫從熔池中逸出,從而很大程度上降低氣孔率。

      2.2  PAM激光器+螺旋線擺動焊接

      氣孔率穩定性測試

      如圖所示,采用飛博PAM點環能量可調激光器+螺旋線擺動的組合焊接方式可以將氣孔率控制在0.5%以內,從數據中可以看出每條焊縫氣孔率相對比較穩定。

      2.3  飛博PAM激光器與常規激光器

      焊縫表面形貌對比

      如上圖所示,PAM激光器相比于常規激光器焊接鋁合金時,焊縫表面成型更好、焊縫光滑、均勻一致、無咬邊等缺陷。

      03 實驗結論

      采用激光焊接鋁合金越來越普遍,從本次實驗研究中可以發現: 

      (1)飛博PAM點環能量可調激光器相比于常規機器焊接鋁合金時能有效降低氣孔率。

      (2)采用飛博PAM點環能量可調激光器+螺旋線組合的焊接方式,在焊接熔深2mm的條件下,可以將3系鋁合金氣孔率降至0.5%以內。

      (3)飛博PAM點環能量可調激光器相比于常規激光器焊接表面質量更高、焊縫光滑、均勻一致、無缺陷。

      激光焊接在鋁合金焊接領域具有廣闊的應用前景,隨著技術的不斷進步和應用范圍的擴大,將會在工業生產中發揮更加重要的作用。

      參考文獻:

      [1] 屈金山,鄧江.車輛用鋁合金6061焊接接頭性能探討[J].西南交通大報,1994.

      [2] 王國軍.變薄拉深用鋁合金材料研究進展 [J]. 機械工程 師,2004(9):5-7.

      [3] 李俐群,陳彥賓,陶汪.鋁合金雙光束焊接特性研究[J].中國激光,2008,35(11):1783-1788.

      [4] 肖榮詩,陳愷,左鐵釗. 高強鋁合金激光焊接新進展[J].應用激光,2002,4,22(2):206-208.

      [5] 左敦桂,李芳,華學明. 鋁合金焊接新技術在汽車制造中的應用[J].

      文章來源:飛博激光

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