激光掃描軌跡對鋁合金氣孔產生的影響

激光掃描軌跡對鋁合金氣孔產生的影響

0行業(yè)內法律主體因激光焊接而產生的氣孔與傳統(tǒng)的tig電拱和mig電拱相比，洛陽式激光焊接具有低熱輸入、低焊接變形、輕焊接損壞等特點，越來越受焊接領域的影響。然而，與傳統(tǒng)的電拱相比，洛陽式激光焊接容易產生孔缺陷。除了焊接過程中的焊接工藝和環(huán)境保護環(huán)境不干凈外，還有一些工藝性孔。日本科學家masunawa等人通過研究發(fā)現，洛陽激光焊接過程中的槽口不穩(wěn)，導致了空腔中液體金屬的強烈流動。此外，空腔內的金屬氣耗向外爆炸，空腔內的空氣阻力減弱，空腔內的空氣阻力減弱，這些保護氣體通過空腔進入擴散池。由于激光焊接的焊接速度很快，焊接的冷卻速度也迅速，氣泡不會消失，而是留在焊接中，形成空氣。目前,抑制由于激光焊接自身特點引起的匙孔不穩(wěn)定而產生的工藝性氣孔主要有兩種方法,一種是激光雙光束焊接,當雙光束作用于一個熔池中時,可以形成一個較大的熔池與匙孔,增加了匙孔的穩(wěn)定性,有利于內部氣泡的上浮,從而減少氣孔;另一種是采用脈沖激光焊接,通過調制激光的脈沖頻率,使激光的調制頻率與熔池表面的振蕩頻率保持一致,起到穩(wěn)定激光匙孔的作用,從而抑制氣孔的產生.激光掃描焊接是一種新型的激光焊接方法,目前已在鋼板拼焊、提高焊件裝配間隙的容忍性等方面取得了較好應用.但針對激光掃描焊接技術抑制鋁合金氣孔方面,國內研究還很少.文中以6061鋁合金為研究對象,重點研究了激光掃描焊接工藝參數(掃描軌跡、掃描幅度以及掃描頻率)對鋁合金激光焊接氣孔產生的影響規(guī)律.1激光非掃描焊接工藝參數對激光鉆孔氣孔率的影響試驗用母材為6061-T6鋁合金,試件尺寸為250mm×50mm×4mm,化學成分如表1所示.試驗用激光器為德國通快公司6kW碟形激光器,激光掃描是借助通快公司可編程聚焦鏡組實現的.與完全熔透情況相比,激光深熔焊接在不完全熔透的情況下更易于產生氣孔,因此研究中采用了非完全熔透焊接方式.通過對鋁合金激光非掃描焊接與不同焊接工藝參數下激光掃描焊接的氣孔率進行對比分析,研究了激光掃描焊接工藝參數對鋁合金激光焊接氣孔產生的影響規(guī)律.表2為激光非掃描焊接的工藝參數.激光掃描焊接時,除掃描軌跡、掃描幅度(a)以及掃描頻率(f)外,其它工藝參數與激光非掃描焊接相一致.氣孔率的定義依據國際標準ISO13919-2:2001《鋁合金激光焊質量等級標準》.焊后對焊縫進行RT檢測,觀察焊縫中的氣孔及其分布情況,并應用image-proplus軟件對焊縫氣孔率進行分析.2試驗結果與分析2.1掃描軌跡對氣孔率的影響不同掃描軌跡下,激光對熔池的攪拌形式不同,進而造成熔池流動方式和焊接過程穩(wěn)定性的差異,導致氣孔傾向的不同.文中研究了光束垂直于焊縫、平行于焊縫和圓形運動3種掃描軌跡對氣孔率的影響,并與激光非掃描焊接的氣孔率進行了對比分析.3種形式的掃描軌跡如圖1所示.在掃描幅度為0.65mm,掃描頻率為200Hz的情況下,掃描軌跡對氣孔率的影響如圖2和圖3所示.其中圖2為采用激光非掃描焊接及3種不同掃描軌跡下的激光掃描焊接獲得的鋁合金焊縫X射線照片.不同掃描軌跡下對氣孔率的影響如圖3所示.可以看出,激光非掃描焊接時氣孔率高達9.8%,而垂直軌跡的氣孔率為5.4%,平行軌跡的氣孔率為1.6%,圓形軌跡的氣孔率為0.3%.無論采用何種軌跡的激光掃描焊接均可明顯抑制氣孔的產生,但采用激光掃描焊接時,不同掃描軌跡對氣孔的抑制效果也有所不同,其中圓形軌跡的氣孔抑制效果最好,其次為平行軌跡,垂直軌跡的氣孔抑制效果較差.由于圓形軌跡的激光掃描焊對氣孔的抑制效果最佳,因此后續(xù)重點研究了在圓形軌跡下,掃描幅度、掃描頻率對氣孔率的影響.2.2掃描幅度對氣孔率的影響掃描幅度會影響熔池的攪拌面積、熔池的溫度梯度和焊接過程穩(wěn)定性,從而影響鋁合金激光焊接氣孔的產生.文中研究了掃描幅度對氣孔率的影響規(guī)律,掃描幅度的范圍為0.35~1.0mm.在掃描軌跡為圓形軌跡,掃描頻率為250Hz的情況下,掃描幅度對氣孔率的影響如圖4和圖5所示.其中圖4給出了在圓形軌跡激光掃描焊接時不同掃描幅度下的焊縫X射線照片.圖5反映了掃描幅度對氣孔率的影響規(guī)律.可以看出,隨著掃描幅度的增加,氣孔率不斷下降.采用圓形軌跡的激光掃描焊接,當掃描幅度由0.35mm增至0.75mm時,氣孔率可由6%降至0.3%.2.3掃描頻率對焊縫x射線照片的影響掃描頻率會影響光束攪拌熔池的速度和匙孔的穩(wěn)定性,從而影響鋁合金激光焊接氣孔的產生.在掃描軌跡為圓形軌跡,掃描幅度為0.5mm的情況下,掃描頻率對氣孔率的影響如圖6和圖7所示.其中,圖6給出了在圓形軌跡激光掃描焊接時不同掃描頻率下的焊縫X射線照片.圖7反映了掃描頻率對氣孔率的影響規(guī)律.由圖7可以看出,隨著掃描頻率的增大,氣孔率的分布曲線大體呈現“U形曲線”.當掃描頻率小于100Hz時,隨著掃描頻率的升高,氣孔呈下降趨勢;而掃描頻率在100~220Hz范圍內時,氣孔率變化不大,約為0.5%,此時對氣孔的抑制效果最佳;當掃描頻率大于220Hz且小于270Hz時,隨著掃描頻率的升高,氣孔率呈上升趨勢;當掃描頻率在270~300Hz時,隨著掃描頻率的升高,氣孔率保持在3.5%左右,此時的掃描頻率對氣孔率的影響不大.2.4掃描參數對焊縫深寬比的影響試驗研究發(fā)現,掃描參數對氣孔率的影響主要與焊縫成形有關.圖8為在掃描幅度為0.65mm,掃描頻率為200Hz的情況下,在不同掃描軌跡時焊縫成形和氣孔率的關系圖.由圖8中可以看出,激光非掃描焊接、光束垂直于焊縫掃描、光束平行于焊縫掃描和光束圓形掃描焊接條件下,焊縫的深寬比成遞減趨勢,氣孔率也相應呈下降趨勢.圖9在掃描軌跡為圓形軌跡,掃描頻率為250Hz的情況下,在不同掃描幅度時焊縫成形和氣孔率的關系,隨著掃描幅度的增大,焊縫的深寬比遞減,氣孔率也同樣呈下降趨勢.圖10為在掃描軌跡為圓形軌跡,掃描幅度為0.5mm的情況下,在不同掃描頻率時焊縫成形和氣孔率的關系,隨著掃描頻率的增加,焊縫的深寬比呈“U形曲線”分布,在100~220Hz范圍內時,焊縫的深寬比波動不大且為曲線的最低值,而此時的氣孔率同樣也為最低值,這與掃描頻率對氣孔率的影響規(guī)律大體一致.從掃描參數對焊縫成形和氣孔率的影響試驗結果中可以看出,掃描參數對氣孔率的影響主要是不同的掃描工藝條件改變了焊縫的形狀,焊縫深寬比越小,氣孔率越低.在文中試驗條件下,焊縫的深寬比在0.6以下時,基本可以消除氣孔缺陷.其原因主要是焊縫的深寬比越小,焊接過程中激光匙孔的開口和孔徑越大,增加了匙孔的穩(wěn)定性,因此對氣孔起到了一定的抑制作用.3鋁合金激光掃描焊接氣孔率的最佳條件(1)與激光非掃描焊接相比,采用光束垂直于焊縫、平行于焊縫和圓形運動3種不同軌跡的掃描方式均有利于抑制鋁合金激光焊接氣孔的產生,且以光束為圓形軌跡的掃描方式為最佳.(2)光束的掃描幅度及掃描頻率對鋁合金激光掃描焊接的氣孔率有重要影響.隨著掃描幅度的增加,氣孔率呈下降趨勢.掃描頻率在100~220