铝合金与薄板不锈钢脉冲激光点焊工艺及缺陷控制研究

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铝合金材料密度小、比强度高,导热性能远优于塑料,且具有良好的耐腐蚀能力,是制造电子产品外壳的最佳选材之一。激光焊接作为精密、高效的先进连接方法,已广泛应用于工业生产,以脉冲激光作为焊接热源,可以精确地控制焊接过程中的热输入量,有利于控制变形,适合电子产品中微小零部件的精密连接。本文使用Nd:YAG脉冲激光器,对0.2mm不锈钢薄板与2.6mm铝合金板材进行搭接点焊试验,研究了电流、脉宽、离焦量等工艺参数对焊点尺寸与焊点成型质量的影响。结果表明,焊点表面形状近似为圆形,电流或脉宽增大时,焊点表面与焊点结合面尺寸均增加,表面出现飞溅与裂纹的倾向也增大;离焦量影响电流、脉宽的可选择范围,与离焦量为0时相比,离焦量为-4mm时对应的脉宽、电流工艺参数窗口更大,更容易获得熔深合适且无裂纹的焊点;-4mm离焦量时,焊点的熔深与电流、脉宽的乘积呈正相关,脉宽比电流对焊点熔深的影响更显著;当气体流速为20L/min,保护气罩距离试样表面4mm时,可达到良好的保护效果,焊点表面光洁、无氧化。对0.2mm不锈钢与1.0mm铝合金脉冲激光点焊的工艺参数进行了优化,结果表明,离焦量为-4mm,在电流介于90-95A、脉宽介于6-10ms的矩形参数窗口内,可获得无宏观裂纹、成型良好的焊点,单焊点的抗拉伸剪切力最高可达到25.0N。研究了焊点数量与位置对接头最大抗拉伸剪切力的影响,并优化了焊点布置,结果表明:单排焊点个数超过4时,继续增加单排焊点的数量对最大抗拉伸剪切力的增强效果不明显,使焊点按双排分布会得到更大的抗拉剪力值;当焊点个数为8、间距为4.5mm,且焊点按双排对齐分布时,最大抗拉剪力可达236.8N。焊点内的组织主要为柱状晶,有时在焊点中心还会出现等轴晶。当电流与脉冲能量较大时,焊点组织为粗大的柱状晶;当电流与脉冲能量较小时,柱状晶晶粒尺寸较小,且焊点中心会出现等轴晶。在焊点-铝合金熔合线区域的组织成分包括FeAl型化合物、Fe2Al3型化合物,以及FeAl3型化合物与Al固溶体的混合相。焊点内出现的裂纹主要有表面裂纹与熔合线裂纹。表面裂纹是一种热裂纹,是由于低熔点共晶杂质与低熔点元素在焊点中心聚集造成的。熔合线区域裂纹是一种由脆性相导致的裂纹,产生的主要原因是熔合线内外两侧生成了FeAl、Fe2Al3、FeAl3等类型的脆性金属间化合物。气孔的产生,一方面是由于焊前未对铝合金母材与不锈钢母材进行严格的清洗与彻底的烘干造成的,另一方面是由于气体析出条件差导致的。在焊前仔细去除铝合金表面氧化膜,严格清洗试样并彻底烘干,通过改善熔池形状、降低深宽比,适当增大脉宽等措施,可降低焊点内气孔的生成倾向。焊点在拉剪试验中的失效模式主要为拉拔模式与剪切模式两种,在不产生宏观裂纹等缺陷的前提下,熔深超过临界值后若继续增大,断裂模式越倾向于剪切模式,其最大剪切拉力值反而会越低。
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