CN102896431B - 一种避免夹渣的提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种避免夹渣的提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法，首先清除掉原来铝合金表面致密的氧化膜，然后用阳极氧化法形成几个微米厚的多孔膜，并进行染色处理来提高对激光吸收，焊接前在被焊部位涂覆焊接时可去除氧化膜的溶剂，然后用激光焊接。本发明采用的是磷酸阳极氧化获得多孔膜，与自然形成的致密氧化膜有本质的不同，首先多孔膜中的多孔的存在可提高对激光的吸收效率，另外对于染色处理时能被短时间内有效染色也是有利的，即获得薄层深色膜的效果；另外在进行反向极化后，极大地降低了阳极氧化膜与基体的结合强度，焊接时在氧化膜去除溶剂的作用下，便于和熔池剥离，避免进入熔池形成夹渣。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金的激光焊接方法，属于激光焊接技术领域。
背景技术
激光焊是在最近几十年发展起来的新型焊接技术，具有热输入少，能量密度集中、热影响区变形小，可获得较大熔深等优点，特别是和机器人相结合，可充分发挥出焊接效率高等优点，目前激光焊接在工业生产中有着越来越多的应用。然而，在铝合金的激光焊接的过程中，也存在着很多的缺点和问题。最严重的问题就是由于铝及铝合金对激光的初始反射率高,在激光焊接时导致焊接过程不稳定，由于高的反射率使的大部分能量都被反射掉而不能被铝基体吸收。典型的铝合金对波长为10.6μm的CO2激光反射率高达97%以上，同时由于铝合金自身高的导热性能（大多数铝合金的导热系数越为普通碳钢的3倍），这种情况造成激光焊接困难，很多时候不能熔化成型，典型的CO2激光束当功率为3Kw时扫描光洁的铝合金表面，甚至不能形成熔池，而且被反射的激光仍有很高的功率，如果控制不好反射方向将损害设置甚至威胁操作人员的人身安全。所以铝合金对激光的高反射率以及高的热导率、在很大程度上限制了铝合金激光焊接的广泛应用。
为了改善激光铝合金激光焊接过程中高反射率的难点，国内外有的学者针对这一问题已做了大量的实验研究。研究表明，对铝合金进行适当的表面预处理如砂纸打磨、表面化学浸蚀、石墨涂层、空气炉中氧化等可以减少铝合金对光束的反射，从而都可以改善对光束能量的吸收。但是以氧化层促进激光能量吸收的方法虽然可以解决激光吸收率的问题，但是又带来了另外一个铝合金焊接过程中力图极力避免的问题，即氧化物的夹渣问题。铝合金的氧化膜具有很高的熔点（Al2O3熔点约为2050℃，MgO熔点约为2500℃），且氧化物膜密度与铝的密度接近。这意味着在焊接铝合金的过程中，加上铝的冷却速度快，很容易造成夹渣，形成焊接缺陷。这两个问题相互矛盾影响着激光焊接在铝合金领域的应用。
发明内容
本发明的目的是针对以上相互矛盾的两个问题，提供一种避免夹渣的且提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法，该方法既能提高激光吸收率又能避免夹渣。
本发明采取的技术方案为：
一种避免夹渣提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法，包括步骤如下：
（1）对铝合金要焊接的部分进行清洁，除去油脂及氧化膜；
（2）对要焊接的部位进行阳极氧化，获得厚度0.2-3μm的多孔薄膜；
（3）在阳极氧化的环境下，施加反向电压处理1-3分钟，获得多孔膜与基体部分分离的效果；
（4）对氧化膜进行深色染色处理；
（5）染色后进行干燥处理；
（6）在要焊接的部分涂覆去除氧化膜的涂液；
（7）激光焊接。
上述步骤（1）中去除氧化膜可以采用碱液清洗及机械除非等。
步骤（2）中所述的阳极氧化采用磷酸氧化工艺，150-300g/L的磷酸中，25±3℃，电流密度1.1-1.6A/dm2，氧化时间1-10分钟。
步骤（4）所述的染色处理优选黑色染色，可以采用的染料包括苯胺黑、酸性黑（ATT）、醋酸蓝黑等，典型的浓度在5-20g/L，温度根据选取的染料不同，在室温至70℃之间，时间2-15分钟。
步骤（5）所述的采用吹风机吹干。
步骤（6）所述的涂液是氯化物、氟化物与溶剂的混合物，其优选的质量份比组成为30-60份KCl，20-40份NaCl，10-20份LiCl3，10-12份NaF，用适量丙酮调配成稀糊状。（这些氯化物不溶于丙酮，丙酮的作用类似于水，但是可以快速干燥，每100克氯氟化物用200毫升-500毫升丙酮调配。）
步骤（7）所述的激光焊接采用常规工艺，对于板厚2-5mm的试板，可以选择CO2器激光器焊接或固体激光器焊接。选择CO2气体激光器，功率范围在2KW-4KW，扫描速度100mm-300mm每分钟；使用固体激光器时，功率600w-2000W，扫描速度100mm-300mm每分钟。
将已经被阳极氧化处理的试样反向加电压1-3分钟，其目的是降低已经形成的氧化膜与基体的结合强度（长时间施加反向电压可获得膜剥离的效果），为避免下一步的焊接夹杂做准备；由于得到的氧化膜由于很薄，颜色很浅，进一步做染色处理；激光焊接前在焊接部分涂覆去除氧化膜的溶剂，在焊接过程中可有效避免氧化膜进入熔池形成夹渣。本发明首先清除掉原来铝合金表面致密的氧化膜，然后用阳极氧化法形成几个微米厚的多孔膜，并进行染色处理来提高对激光吸收，在用激光焊接的时候配合合适的溶剂达到去除氧化膜获得良好焊接接头的效果。
本发明采用的是磷酸阳极氧化获得多孔膜，与自然形成的致密氧化膜有本质的不同，首先多孔膜中的多孔的存在可极大改变光的漫散射，提高对激光的吸收效率，另外对于染色处理时能被短时间内有效染色也是有利的，即获得薄层深色膜的效果；另外在进行反向极化后，极大地降低了阳极氧化膜与基体的结合强度，便于在溶剂的作用下和熔池剥离，避免进入熔池形成夹渣。
附图说明
图1为本发明实施例1所得焊接产品焊接处的形貌；
图2为对比例1产品焊接处形貌，从右到左功率分别为3KW，3.5KW以及4KW；
图3为对比例2产品焊接处形貌（功率为3.5KW时的截面）。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1：
选用5083铝板作为被焊材料。
（1）用角磨机或金属刷去除表面氧化膜后再用丙酮进行清洗；
（2）在磷酸溶液中进行阳极氧化，250g/L磷酸，25℃，电流密度1.2A/dm2，氧化时间5分钟；
（3）将步骤(2)的电压进行反接3分钟；
（4）对试样表面的氧化膜用苯胺黑进行染色处理，浓度为10g/L，室温，染色时间为5分钟；
（5）用吹风机干燥处理；
（6）在被焊接出涂覆去除氧化膜的溶剂，溶剂的重量配比为50%KCl，28%NaCl，12%LiCl3，10%NaF。用丙酮涂覆于被焊接处；
（7）然后用CO2气体激光器进行焊接，功率范围在2.5KW，扫描速度200mm每分钟。
图1是光斑直径3mm，功率为2.5Kw时候的利用本方法获得的熔深，熔深大约为2毫米。而对于光洁的铝合金，如果不采用任何处理时，激光扫过的表面甚至看不到烧灼的痕迹，无熔深产生。
实施例2：
选用5083铝板作为被焊材料。
（1）用角磨机或金属刷去除表面氧化膜后再用丙酮进行清洗；
（2）在磷酸溶液中进行阳极氧化，280g/L磷酸，25℃，电流密度1.5A/dm2，氧化时间4分钟；
（3）将步骤(2)的电压进行反接2分钟；
（4）对试样表面的氧化膜用苯胺黑进行染色处理，浓度为15g/L，室温，染色时间为4分钟；
（5）用吹风机干燥处理；
（6）在被焊接出涂覆去除氧化膜的溶剂，溶剂的重量配比为52%KCl，26%NaCl，11%LiCl3，11%NaF。用丙酮涂覆于被焊接处；
（7）然后用CO2气体激光器进行焊接，功率范围在3.5KW，扫描速度300mm每分钟。
实施例3：
选用5083铝板作为被焊材料。
（1）用角磨机或金属刷去除表面氧化膜后再用丙酮进行清洗；
（2）在磷酸溶液中进行阳极氧化，290g/L磷酸，25℃，电流密度1.6A/dm2，氧化时间4分钟；
（3）将步骤(2)的电压进行反接3分钟；
（4）对氧化膜用酸性黑进行染色处理，浓度为17g/L，室温，染色时间为4分钟；
（5）用吹风机干燥处理；
（6）在被焊接出涂覆去除氧化膜的溶剂，溶剂的重量配比为45%KCl，30%NaCl，15%LiCl3，10%NaF。用丙酮涂覆于被焊接处；
（7）然后用固体激光器进行焊接，激光功率为1Kw，扫描速度250mm每分钟。
对比例1：作为一个对比，图2是同样的铝板不经处理采用CO2气体激光器焊接熔深的情况，从右到左的功率分别为3KW，3.5KW以及4KW，光斑直径3mm，扫描速度为200mm每分钟。当表面打磨至光亮时，基本没有熔池形成，仅能看到轻微的烧灼痕迹。
对比例2：同样的铝板采用空气炉氧化后，用CO2气体激光器焊接，吸光率得到了改善，但是依然不理想，3KW仅能看到烧灼痕迹，3.5KW获得断续焊缝，当功率达到4KW时才可以获得合适的熔深焊道，但是气孔及夹杂严重，见图3。
Claims (4)
1.一种避免夹渣的提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法，其特征是，包括步骤如下：
(1)对铝合金要焊接的部分进行清洁，除去油脂及氧化膜；
(2)对要焊接的部位进行阳极氧化，获得厚度0.2-3μm的多孔薄膜；
(3)在阳极氧化的环境下，施加反向电压处理1-3分钟，降低多孔薄膜与基体的结合力；
(4)对要焊接区域的多孔薄膜进行深色染色处理；
(5)染色后进行干燥处理；
(6)在要焊接的部分涂覆去除氧化膜的涂液；
(7)激光焊接。
2.根据权利要求1所述的一种避免夹渣的提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法，其特征是，步骤(2)中所述的阳极氧化采用磷酸氧化工艺，在150-300g/L的磷酸中，25±3℃，电流密度1.1-1.6A/dm2，氧化时间1-10分钟。
3.根据权利要求1所述的一种避免夹渣的提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法，其特征是，步骤(4)所述的染色处理为黑色染色处理，采用的染料为苯胺黑、酸性黑或醋酸蓝黑。
4.根据权利要求1所述的一种避免夹渣的提高铝合金激光吸光率的激光焊接方法，其特征是，步骤(6)所述的涂液是氯化物、氟化物与溶剂的混合物，其质量份比组成为30-60份KCl，20-40份NaCl，10-20份LiCl3，10-12份NaF，采用丙酮调制成稀糊状。
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| GR01 | Patent grant |