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扁线电机激光焊接之力学性能分析

时间:2024-02-18 08:43:54 点击:875次

扁线电机激光焊接之力学性能分析

铜合金激光焊接缺陷:

  1.焊接应力铜的线膨胀系数和收缩率也比较大。铜的线膨胀系数比铁大15%,收缩率比铁大1 倍以上。再加上铜及铜合金导热能力强,使焊接热影响区加宽,焊接时如被焊件刚度不大,又无防止变形的措施,必然会产生较大的变形。当工件刚度很大时会产生很大的焊接应力。

  2. 热裂纹 铜与杂质形成多种低熔点共晶,如熔点为326℃的(Cu+Pb)共晶、熔点为1064℃的 (Cu2O+Cu)共晶和熔点为1067℃的(Cu+Cu2S)共晶等。氧对铜的危害性更大,它不但在冶炼时以杂质的形式存在于铜中,在焊接过程中还会以氧化亚铜的形式溶入。Cu2O 可溶于液态铜不溶于固态铜而生成熔点低于铜的易熔共晶。  当焊缝含有质量分数为0.2%以上的Cu2O(含氧约为0.02%)时会出现热烈纹。

  3. 氢气孔 铜的热导率(20℃)比低碳钢高达7倍以上,所以铜焊缝结晶过程进行得特别快,氢不易析出,熔池易为氢所饱和而形成气泡,在凝固结晶过程很快的情况下气泡不易上浮逸出,氢继续向气泡中扩散,促使焊缝中形成气孔。

  氢在铜中的溶解度随温度升高而增大,直到2180℃时氢在铜中的溶解度达更高值(饱和溶解度)。温度进一步提高,液态铜开始蒸发,氢的溶解度反而下降。铜焊接时,高温熔池吸氢量为熔点溶解度的3.7倍;焊接过程冷却很快,即使不考虑铜导热性能的影响,高温熔池中所吸收的氢 在冷却过程中也不易析出而成过饱和状态。为了消除扩散气孔,焊接时应控制氢的来源,并降低熔池冷却速度(如预热等)使气体易于析出。

  反应气孔 是通过冶金反应生成的气体引起的。高温时铜与氧有较大 的亲和力而生成Cu2O,它在1200℃以上能溶于液态铜,在1200℃从液态铜中开始析出,随温度 下降析出量随之增大,与溶解在液态铜中的氢或CO发生下列反应:

  Cu2O+2H=2Cu+H2O↑

  Cu2O+CO=2Cu+CO2↑

  形成的水蒸气和CO2不溶于铜中。由于铜的导热性强,熔池凝固快,水蒸气和CO2来不及逸 出而形成气孔。当铜中含氧量很少时,发生上述反应气孔的可能性很小。含氧铜比脱氧铜对上 述反应气孔更敏感。防止反应气孔的主要途径是减少氧、氢来源,对熔池进行适当脱氧。另外,采取使熔池慢冷的措施也能防止气孔。

  4. 底部气孔,这种气孔主要是激光深熔焊接时匙孔坍缩形成,或者是焊点内部下方有低熔点杂质气化导致。

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  5. 粗大的柱状晶熔合区的组织为粗大的柱状晶,热影响区次之,母材组织最细。在焊接过程中,母材晶粒在高温下进行再结晶形成细小的等轴晶。融合区处受热温度较高,晶粒再较高温度下迅速长大,形成组大的柱状晶,热影响区处距离焊缝中心较远,且靠近母材区受到母材的冷却作用,晶粒比融合区小 ;母材仍为细小的冷轧晶粒组织。在整个焊缝中熔合区的组织最为组大,力学性能最差,当焊件承受外力时更先断裂。

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力学检测方法:

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  剥离力测试方法:

  1,如上图不使用工具直接测试。

  2,使用钢丝绳测试,钢丝绳从铜线中间穿过,拉力机上夹头夹钢丝绳,下夹头夹产品。

  3,设计专用治具测试。

  焊接应力:焊接时产品如果没有夹具固定焊接应力会导致产品轻微晃动,进而导致焊缝轻微偏移,实际对拉力影响不大。

  热裂纹:裂纹主要发生在纯度不高的铜合金焊接中,hairpin如果不吹保护气焊接时可能会产生共晶体导致接头脆性,市面上主要使用无氧铜或低氧铜焊接,裂纹目前还没有发现。

  密集小气孔:顶部密集小气孔,主要是氢气孔和反应气孔,对拉力影响不大,如果想解决可以吹保护气,避免氢气溶解在铜溶液里和反应气孔的进行,同时也可以减少(Cu2O+Cu)共晶体这种脆性组织,提高接头韧性和力学性能。

  底部气孔:底部气孔只能通过提高匙孔的稳定性来解决。不吹保护气的前提下可以加大外环功率,但这样又会导致热输入过大产生过多的共晶体和粗大的柱状体使接头力学性能下降,吹保护也无法解决底部气孔,但可以使共晶体减少使力学性能翻倍提升,这样其实可以折中处理了,牺牲部分气孔率的要求。

  粗大的柱状晶:对力学性能影响比较大,满足工艺要求的前提下尽量减少热输入。

  扁线激光焊接力学性能主要看受力面的焊缝长度,焊缝长度固定的前提下一般是过大的热输入是导致接头变脆的主要因素,这也可以印证一个事实其实不焊成球头就不会产生那么多的共晶体和粗大的柱状晶组织,焊接头的韧性与力学性能更好。但是熔成球头后更容易涂敷,也总能给人一种莫名的安全感。

  影响力学性能及稳定的主要是底部气孔和粗大的柱状晶,孔越多剪切力剥离力会低,球头更容易撕裂,热输入过多粗大的柱状晶就越多接头越脆。

  提高接头力学性能1,吹保护气能减少共晶组织,增加韧性。2,满足工艺要求的前提下尽量减少热输入。

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