鋁合金激光焊接技術(shù)

1、一、鋁合金激光焊接的發(fā)展鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。不過，鋁合金本身的特性使得其相關(guān)的焊接技術(shù)面臨著一些亟待解決的問題：表面難溶的氧化膜、接頭軟化、易產(chǎn)生氣孔、容易熱變形以及熱導(dǎo)率過大等。以往的生產(chǎn)實(shí)踐中，鋁合金的焊接常用鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊。雖然這兩種焊接方式能量密度較大，焊接鋁合金時能獲得良好的接頭，但仍然存在熔透能力差、焊接變形大、生產(chǎn)效率

2、低等缺點(diǎn)。用這些傳統(tǒng)的、應(yīng)用于黑色金屬的焊接方法焊接鋁合金，并不能達(dá)到工業(yè)上高效、無缺陷、性能佳的要求，于是人們開始尋求新的焊接方法，20世紀(jì)中后期激光技術(shù)逐漸開始應(yīng)用于工業(yè)。歐洲空中客車公司生產(chǎn)的A340飛機(jī)機(jī)身，就采用激光焊接技術(shù)取代原有的鉚接工藝，使機(jī)身的重量減輕18 %左右，制造成本降低了近25 %。德國奧迪公司A2和A8全鋁結(jié)構(gòu)轎車也獲益于鋁合金激光焊接技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。這些成功的事例大大促使對激光焊接鋁合金的研究，激光技術(shù)已經(jīng)成為了未來鋁合金焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向，因?yàn)榧す夂附泳哂衅洫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1) 能量密度高，熱輸入量小，焊接變形小，能得到窄的熔化區(qū)和熱影響區(qū)以及熔深大的焊縫。

3、(2) 冷卻速度快，焊縫組織微細(xì)，故焊接接頭性能良好。(3)焊接能量可精確控制，可靠性高，針對不同的要求有較高的適應(yīng)性。(4)可進(jìn)行微型焊接或?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，不需要真空裝置，利于大批量自動化生產(chǎn)。二、激光焊接鋁合金的難點(diǎn)及解決措施1.鋁合金表面的高反射性和高導(dǎo)熱性這一特點(diǎn)可以用鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)來解釋。由于鋁合金中存在密度很大的自由電子，自由電子受到激光（強(qiáng)烈的電磁波）強(qiáng)迫震動而產(chǎn)生次級電磁波，造成強(qiáng)烈的反射波和較弱的透射波，因而鋁合金表面對激光具有較高的反射率和很小吸收率。同時，自由電子的布朗運(yùn)動受激而變得更為劇烈，所以鋁合金也具有很高的導(dǎo)熱性。針對鋁合金對激光的高反射性，國內(nèi)外學(xué)者都作了大量

4、研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻骖A(yù)處理如噴砂處理、砂紙打磨、表面化學(xué)浸蝕、表面鍍、石墨涂層、空氣爐中氧化等均可以降低光束反射，有效地增大鋁合金對光束能量的吸收。另外，從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮，在鋁合金表面人工制孔或采用光收集器形式接頭，開V形坡口或采用拼焊(拼接間隙相當(dāng)于人工制孔) 方法，都可以增加鋁合金對激光的吸收，獲得較大的熔深。另外，還可以利用合理設(shè)計焊接縫隙來增加鋁合金表面對激光能量的吸收(如圖1)。從圖上可以直觀的反應(yīng)出，將焊縫和激光束的位置關(guān)系由圖1(a)改為圖1(b)或圖1(c)，使激光束與縫壁有一定角度后，激光束能夠在縫隙內(nèi)多次反射，形成一個人工小孔，增加了焊件對激光能量的吸收

5、。   圖1 改變焊縫幾何形狀2. 小孔的誘導(dǎo)和維持小孔的誘導(dǎo)和維持是鋁合金激光焊接中的特有困難，這是由鋁合金材料特性和激光光學(xué)特性造成的。激光焊接的過程中，小孔可看成是鋁合金的黑體，能大大提高材料對激光的吸收率，為母材獲得更多的能量耦合，這有利于提高焊接接頭的質(zhì)量。但由于鋁合金的高反射性和高導(dǎo)熱性，要誘導(dǎo)小孔的形成就需要激光有更高的能量密度。而鋁元素以及鋁合金中的Mg、Zn、Li沸點(diǎn)低、易蒸發(fā)且蒸汽壓大，雖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和吸收，減少了激光對母材的能量輸入）使得等離子體本身“過熱”，卻阻礙了小孔維持連續(xù)存在。由于能

6、量密度閾值的高低本質(zhì)上受其合金成分的控制，因此可以通過控制工藝參數(shù)，選擇確定激光功率保證合適的熱輸入量，有助于獲得穩(wěn)定的焊接過程。另外，能量密度閾值一定程度上還受到保護(hù)氣體種類的影響。研究表明，激光焊接鋁合金時使用N2氣時可較容易地誘導(dǎo)出小孔,而使用He氣則不能誘導(dǎo)出小孔。這是因?yàn)镹2和Al之間可發(fā)生放熱反應(yīng)，生成的Al-N-O 三元化合物提高了對激光吸收率。三、激光焊接鋁合金容易產(chǎn)生的缺陷及消除方法1.氣孔鋁合金激光焊接的主要缺陷之一是氣孔，焊縫氣孔的形成機(jī)理比較復(fù)雜，一般認(rèn)為存在兩類氣孔:氫氣孔和由于小孔的破滅而產(chǎn)生的氣孔。氫氣孔是由于氫（主要來自表層的濕氣與微量水）在熔池金屬中的可溶性引

7、起的，激光焊接冷卻速度極快，導(dǎo)致氫的溶解度急劇下降形成氫氣孔。由于小孔塌陷而形成的孔洞，主要是由于小孔表面張力大于蒸氣壓力，不能維持穩(wěn)定而塌陷，液態(tài)金屬來不及填充就造成孔洞。另外，低熔點(diǎn)、高蒸氣壓合金元素蒸發(fā)導(dǎo)致氣孔，表面氧化膜在焊接過程中溶解到熔池中也會形成氣孔。從氫氣孔的形成原理可知，表層物質(zhì)是氫元素的主要來源，因此選擇正確的焊前表面預(yù)處理可以有效地減少氫氣孔的產(chǎn)生。對于由小孔塌陷引發(fā)的氣孔，則要求選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣體并合理控制流量流速，在條件允許下采用高功率、高速度、大離焦量(負(fù)值) 的焊接方式，可以進(jìn)一步消除氣孔的產(chǎn)生。2.熱裂紋鋁合金的焊接裂紋都是熱裂紋，與冷卻時間（或焊接速度）密切有

8、關(guān)，主要有結(jié)晶裂紋和液化裂紋。鋁合金激光焊接產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋是由于焊縫金屬結(jié)晶時在晶界處形成低熔點(diǎn)共晶化合物導(dǎo)致的，焊縫金屬氧化生成的Al2O3和AlN也會成為微裂紋的擴(kuò)展源。液化裂紋是熔化的鋁合金在凝固過程中局部塑性變形量超過其本身所能承受的變形量的結(jié)果。目前常用的消除熱裂紋的方法是使用填充材料，即填絲，這能有效地防止焊接熱裂紋，提高接頭強(qiáng)度。此外，調(diào)整激光能量的輸入方式，合理選擇脈沖點(diǎn)焊時的脈沖波形，焊縫熔化凝固重復(fù)進(jìn)行，以降低熔池凝固時的凝固速度，這種在凝固過程中增加熱循環(huán)的控制方法同樣可以減少結(jié)晶裂紋。3.Mg、Zn等元素的燒損使用激光焊接鋁合金時，焊縫的加熱和凝固速度都非常快，這使得M

9、g，Zn 等低熔點(diǎn)強(qiáng)化元素發(fā)生燒損，導(dǎo)致焊縫硬度和強(qiáng)度下降。Mg 的沸點(diǎn)為1 380 K，比Al 的2 727 K低，Mg首先蒸發(fā)燒損。燒損現(xiàn)象使得焊縫成型時的晶粒大小嚴(yán)重不均勻，從金屬學(xué)角度講，大晶粒的存在破壞合金元素的強(qiáng)化作用，導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度明顯比母材低。防止合金元素的燒損主要從控制合金成分入手，在保證鋁合金質(zhì)量和接頭要求的前提下，降低Mg的含量，添加Mn、Si等元素。四、鋁合金激光焊接的工藝參數(shù)鋁激光焊接的工藝參數(shù)主要有: 功率密度、焊接速度、焦點(diǎn)位置、保護(hù)氣體種類及流量等，它們直接決定著焊縫成形。1.功率密度激光的功率密度是決定焊縫熔深的最主要因素。當(dāng)其他工藝參數(shù)保持不變時，隨著功率密

10、度的增大，焊縫深寬比增大。因?yàn)楣β拭芏仍龃髸r，蒸汽壓力能克服熔化成液態(tài)金屬的表面張力和靜壓力而形成小孔，小孔有助于吸收光束能量“小孔效應(yīng)”。但是如果功率密度過大，使金屬強(qiáng)烈汽化，嚴(yán)重?zé)龘p合金，焊縫成型組織的晶粒過大，焊縫的硬度和強(qiáng)度均下降。并且，大量的光致等離子體的冷卻和屏蔽作用，使得熔深反而下降。2.焊接速度在其他工藝參數(shù)不變的情況下，熔深隨焊速的增加而減小，焊接效率隨焊速的增加而提高。但是速度過快，到達(dá)焊縫處的線能量密度較低，會使熔深達(dá)不到焊接要求；速度過慢，則線能量密度過高，母材過度熔化和燒損，降低接頭性能，甚至引發(fā)熱裂紋。因此，對一特定厚度的鋁合金工件，選擇確定激光功率密度之后，存在著

11、既能維持合適的焊縫深寬比又不會使工件過熱的最佳焊速，這可以從以往的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)或者查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得。3.焦點(diǎn)位置研究表明，鋁合金激光焊接的焦點(diǎn)位置與熔深的關(guān)系如圖2所示。我們可以看出，熔深隨焦點(diǎn)位置的變化有一個跳躍性變化過程：當(dāng)焦點(diǎn)處于偏離工件表面較大(2 mm) 時，工件表面光斑尺寸較大，因此光束能量密度較低，屬于以熱傳導(dǎo)為主的熔化焊，熔深較淺； 而當(dāng)焦點(diǎn)靠近工件表面某一位置(2 mm) 時，工件表面入射光束能量密度值增大到臨界值，產(chǎn)生小孔效應(yīng)，因此熔深發(fā)生跳躍性增加。經(jīng)試驗(yàn)得到，當(dāng)焦點(diǎn)位置在工件表面上方1 mm 處時焊縫熔深最大。圖2 焦點(diǎn)位置對焊縫熔深的影響4.保護(hù)氣和電子束焊接相

12、比，激光焊接不需要真空環(huán)境，但焊接鋁合金需采用保護(hù)氣體，其目的是抑制光致等離子體，并排除空氣使焊縫免受污染。光致等離子體的形成不僅來自被離子化的金屬母材蒸汽，而且和保護(hù)氣體本身性質(zhì)也有很大的關(guān)系。通過增加電子與離子和中性原子三體碰撞來增加電子的復(fù)合速率，以降低等離子體中的電子密度。中性原子越輕，碰撞頻率越高，復(fù)合速率越高；另一方面，保護(hù)氣體本身的電離能應(yīng)該高，不致因氣體本身的電離而增加電子密度。鋁合金激光焊接傳統(tǒng)上采用的保護(hù)氣體主要有三種：Ar、N2、He。理論上He最輕且電離能最高，但是在較低功率、較高焊速下，由于等離子體很弱，不同保護(hù)氣體差別很小。研究表明，在相同條件下，使用N2容易誘導(dǎo)小

13、孔，主要是N2和Al 之間可發(fā)生放熱反應(yīng)，生成的AlNO 三元化合物對激光的吸收率要高一些，純N2 會在焊縫中產(chǎn)生AlN 脆性相，同時易形成氣孔。而采用惰性氣體保護(hù)時，由于質(zhì)輕而逸出，氣孔形成機(jī)率小，因此采用混合氣體保護(hù)效果較好?，F(xiàn)在也有采用ArO2，N2O2等氣體進(jìn)行鋁合金激光焊接的研究越來越多。五、先進(jìn)的鋁合金激光焊接技術(shù)1.鋁合金的激光-電弧復(fù)合焊現(xiàn)在激光焊接鋁合金還處于發(fā)展階段，設(shè)備成本高、接頭間隙允許度小、工件準(zhǔn)備工序要求嚴(yán)等制約了純激光焊接鋁合金的應(yīng)用。目前，激光-電弧復(fù)合焊在德國和日本等發(fā)達(dá)國家研究比較多，激光-電弧復(fù)合主要是激光與TIG電弧、MIG電弧及等離子體復(fù)合，

14、分別如圖3、4所示。這種工藝在汽車制造業(yè)中已有一定的應(yīng)用，如德國大眾汽車公司的Phaeton前門上就有48處激光-M IG焊道，而且還可以用來焊接車體及輪軸。鋁合金激光-電弧復(fù)合焊很好地解決了激光焊接的功率、鋁合金表面對激光束的吸收率以及深熔焊的閾值等問題。這是因?yàn)楹附愉X合金時，激光與電弧的相互影響，可以克服單用激光或電弧焊方法自身的不足，產(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)兩種熱源同時作用在一個相同區(qū)域的疊加效應(yīng)高的能量密度導(dǎo)致了高的焊接速度，顯著提高焊接效率。圖3 激光-TIG復(fù)合焊接鋁合金原理圖圖4 激光-MIG復(fù)合焊接鋁合金原理圖2.鋁合金的雙光束激光焊接單束激光焊接鋁合金時，由于小孔的塌陷而容易產(chǎn)生氣

15、孔。李俐群10等學(xué)者研究表明，采用如圖5所示的雙光束焊接鋁合金，焊縫成形美觀、無飛濺或凹坑等缺陷，對焊接參數(shù)適應(yīng)性更好；等離子體穩(wěn)定性提高；氣孔大大減少。這是因?yàn)椴捎秒p光束激光焊接時，第一束激光產(chǎn)生熔池，并對焊接區(qū)域附近進(jìn)行預(yù)熱積累熱量。當(dāng)?shù)诙す庹丈湓撎帟r，更多的母材能夠熔化，從而使得形成焊縫更寬。同時，第二束激光能把第一束激光形成的小孔后壁氣化，防止其塌陷，大大減小了形成氣孔的幾率。雙光束激光焊接鋁合金的技術(shù)已經(jīng)在德國軍用飛機(jī)EADS進(jìn)氣管的焊接上得到了應(yīng)用。圖5 雙光束激光焊接鋁合金的原理圖3.鋁合金激光填絲焊技術(shù)在新興的鋁合金焊接技術(shù)中，攪拌摩擦焊需要針對被焊母材的形狀和接口要求設(shè)計專用夾具，鋁合金激光填絲技術(shù)則解決了對工件裝夾、拼裝要求嚴(yán)的問題，而且用較小功率激光器就能實(shí)現(xiàn)厚板窄焊道的多層焊。另外通過調(diào)節(jié)焊絲成分，改善焊縫區(qū)組織性能，對裂紋等缺陷更易控制，顯著提高鋁合金焊接穩(wěn)定性與適應(yīng)性。鋁合金激光填絲焊示意圖如圖6所示。圖6 鋁合金激光填絲焊示意圖六、鋁合金激光焊接的前景展望前面已經(jīng)提到，日本和德國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始將激光焊接鋁合金應(yīng)用于汽車制造業(yè)。由于鋁合金具有高比強(qiáng)度、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、再生性好和簡化結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在汽車業(yè)中倍受青睞。大量的對比研究和反復(fù)實(shí)踐證明，選用鋁合金材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。減輕汽車重量以降低能耗、減少污染、提