鋁合金的激光焊接工藝難點分析

發布時間：2020-08-18

    一、鋁合金焊接技巧

    鋁合金存在高比強度、高疲勞強度以及良好的斷裂韌性跟較低的裂紋擴大率，同時還存在精良的成形工藝性跟良好的抗腐化性，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學產業中已被大量利用。鋁合金的普遍利用增進了鋁合金焊接技巧的發展，同時焊接技巧的發展又拓展了鋁合金的利用范疇。

    不過，鋁合金自身的特點使得其相干的焊接技巧面臨著一些亟待解決的問題：名義難熔的氧化膜、接頭軟化、易產賭氣孔、輕易熱變形以及熱導率過大等。傳統的鋁合金焊接個別采取TIG焊或MIG焊工藝，誠然這兩種焊接方法能量密度較大，焊接鋁合金時能獲得良好的接頭，但仍然存在熔透才干差、焊接變形大、生產效力低等毛病，于是人們開端尋求新的焊接方法，20世紀中后期激光技巧逐步開端利用于產業。歐洲空中客車公司生產的A340飛機機身，就采取激光焊接技巧取代原有的鉚接工藝，使機身的分量減輕18%左右，制造本錢降落了近25%。德國奧迪公司A2跟A8全鋁結構轎車也獲益于鋁合金激光焊接技巧的開發跟利用。這些勝利的事例大大促使對激光焊接鋁合金的研究，激光技巧已經成為了將來鋁合金焊接技巧的重要發展方向。激光焊接存在功率密度高、焊接熱輸入低、焊接熱影響區小跟焊接變形小等優點，使其在鋁合金焊接范疇受到分外的器重。

    二、鋁合金激光焊接的問題跟對策

    1.鋁合金名義的高反射性跟高導熱性

    這一特點可能用鋁合金的微觀結構來說明。因為鋁合金中存在密度很大的自由電子，自由電子受到激光（強烈的電磁波）強迫震動而產生次級電磁波，造成強烈的反射波跟較弱的透射波，因此鋁合金名義對激光存在較高的反射率跟很小的接收率。同時，自由電子的布朗活動受激而變得更為激烈，所以鋁合金也存在很高的導熱性。

    針對鋁合金對激光的高反射性，國內外已作了大量研究，實驗結果表明，進行恰當的名義預處理如噴砂處理、砂紙打磨、名義化學浸蝕、名義鍍、石墨涂層、空氣爐中氧化等均可能降落光束反射，有效地增大鋁合金對光束能量的接收。鋁合金型材工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶，建筑，裝修。另外，從焊接結構設計方面考慮，在鋁合金名義人工制孔或采取光收集器情勢接頭，開V形坡口或采取拼焊(拼接縫隙相稱于人工制孔)方法，都可能增加鋁合金對激光的接收，獲得較大的熔深。另外，還可能利用公道設計焊接縫隙來增加鋁合金名義對激光能量的接收。

    2.小孔效應及等離子體對鋁合金激光焊接的影響

    在鋁合金激光焊接進程中，小孔的呈現可能大大進步資料對激光的接收率，焊接可能獲得更多的能量，而鋁元素以及鋁合金中的M

    G、Z

    N、Li沸點低、易蒸發且蒸汽壓大，誠然這有助于小孔的形成，但等離子體的冷卻作用（等離子體對能量的屏蔽跟接收，減少了激光對母材的能量輸入）使得等離子體自身"過熱"，卻妨礙了小孔堅持連續存在，輕易產賭氣孔等焊接缺點，從而影響焊接成形跟接頭的力學機能，所以小孔的引誘跟牢固成為保障激光焊接品質的一個重點。

    因為鋁合金的高反射性跟高導熱性，要引誘小孔的形成績須要激光有更高的能量密度。鋁合金型材工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶，建筑，裝修。因為能量密度閾值的高低實質上受其合金成分的把持，因此可能通過把持工藝參數，抉擇判斷激光功率保障適合的熱輸入量，來獲得牢固的焊接進程。另外，能量密度閾值一定水平上還受到維護氣體品種的影響。例如，激光焊接鋁合金時利用N2氣時可較輕易地引誘出小孔,而利用He氣則不能引誘出小孔。這是因為N2跟Al之間可產生放熱反應，生成的Al-N-O三元化合物進步了對激光接收率。

    3.氣孔問題

    鋁合金品種不同，產生的氣孔類型也不同。鋁合金型材工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶，建筑，裝修。個別認為，鋁合金在焊接進程中產生以下多少類氣孔。

    1)氫氣孔。鋁合金在有氫的環境中熔化后，其內部的含氫量可達到0.69ml/100g以上。但凝固當前，其均衡狀況下的溶氫才干較多只有0.036ml/100g，兩者相差近20倍。因此，在由液態向固態轉變的進程中，液態鋁中多余的氫氣一定要析出。假如析出的氫不能順利上浮逸出，就匯聚集成氣泡殘留在固態鋁合金成為氣孔。

    2)維護氣體產生的氣孔。在高能激光焊接鋁合金的進程中，因為熔池底部小孔前沿金屬的強烈蒸發，使維護氣體被卷入熔池形成氣泡，當氣泡來不迭逸出而殘留在固態鋁合金中即成為氣孔。

    3)小孔塌陷產生的氣孔。在激光焊接進程中，當名義張力大于蒸氣壓力時，小孔將不能堅持牢固而塌陷，金屬來不迭填充就形成了孔洞。對減少或避免鋁合金激光焊接中的氣孔缺點也有很多實際辦法，如調劑激光功率波形，減少小孔不牢固塌陷，轉變光束焦點高度跟傾斜照射，在焊接進程時施加電磁經場作用以及在真空中進行焊接等。近多少年來，又呈現了采取填絲或預置合金粉未、復合熱源跟雙焦點技巧來減少氣孔產生的工藝，有不錯的后果。

    4.裂紋問題

    鋁合金屬于典范的共晶合金，在激光焊接疾速凝固下更輕易產生熱裂紋，焊縫金屬結晶時在柱狀晶邊界形成AL-Si或Mg-Si等低熔點共晶是導致裂紋產生的起因。為減少熱裂紋，可能采取填絲或預置合金粉未等方法進行激光焊接。通過調劑激光波形，把持熱輸入也可能減少結晶裂紋。

    三、鋁合金激光焊接的發展前景

    鋁合金激光焊接較為人惹人關注的特點是其高效力，而要充分施展這種高效力就是把它應用到大厚度深熔焊接中。因此，研究跟利用大功率激光器進行大厚度深熔焊接將是將來發展的必定趨勢。大厚度深熔焊更加凸起了小孔景象及對焊縫氣孔的影響，因此小孔形成機理及把持變得更加，它必將成為業界獨特關懷跟研究的熱點問題。

    改良激光焊接進程的牢固性跟焊縫成形、進步焊接品質是人們尋求的目標。因此，激光-電弧復合工藝、填絲激光焊接、預置粉未激光焊接、雙焦點技巧以及光束整形等新技巧將會得到進一步完美跟發展。